基于数据云平台的分布式光伏大数据平台开发与应用

肖凤军,白 帆

(国网白城供电公司,吉林 白城 134300)

0 引言

近年来,随着光伏发电爆发式增长,我国持续推进能源供给侧结构性改革,推动能源发展方式由粗放式向提质增效转变,新能源发电已不再一味地追求大容量、高电压,而是向分布式、高效率方向发展,故而分布式光伏占比与日俱增。相较于集中式光伏,分布式光伏有着以下几个优点:系统相互独立可以自行控制;可以对区域电力进行实时监控;参与运行系统少,启停灵活;操作简单,调峰性能好。

传统的光伏电站运行维护(以下简称运维)系统多以统计分析为主,且采用“烟筒式”的多地多级部署模式,不仅浪费软硬件资源,而且不易扩展、效率极低,无法满足用户迫切的降本增效的需求[1]。而近些年,随着云计算、大数据、物联网和移动互联网等新兴技术的飞速发展,以及其在医疗、社交等领域的成熟应用所带来的便捷高效,将云计算和大数据核心技术及理念应用于光伏电站运维,建设一个集约管理、弹性存储、灵活高效、少人或无人值班的光伏电站运维云平台已经成为行业发展的客观趋势和必然选择[2]。

通过运用大数据技术,开创大数据驱动的运维模式,实现智能运维。基于设备实时运行数据和生产过程数据进行分析,实现故障告警、对标分析、发电量预测等功能,根据电站运行的实时状态自动组织日常生产,各级管理人员和现场检修人员依据内置的管理要求和生产规范进行高效运维。与此同时,也能够更好地顺应今后光伏行业发展的基本需求,并且为其提供和第三方系统对接的数据接口[3]。通过云端共享,开展新能源“云+端”协同预测,多措并举全力保障新能源消纳,实现低压分布式电源数据可观、可测,提升分布式光伏网格化预测水平。

1 基于数据云平台的分布式光伏大数据平台设计

1.1 数据来源

逆变器作为光伏发电的关键元件在每座分布式光伏电站中均有部署,它有着将直流电逆变为交流电的主要功能。除此之外,新一代逆变器还能对分布式光伏的电压、电流进行实时采集,并能控制整条逆变回路的通与断,整个云平台的海量数据来源就是分布式光伏的逆变器[4]。

1.2 云平台部署模式

云平台主要有4种部署模式,分别是私有云、社区云、公有云和混合云。本体系主要采用公有云方式部署,通过互联网提供共享服务,但考虑到电力数据涉及国家机密,且光伏端设备需要通过云平台远程控制,整个平台不可以完全开放。需要通过IP限制和生物识别(如指纹、面部识别等)限制用户接入,保证数据的安全性和保密性[5]。

1.3 云平台的搭建

基于互联网云服务的概念,搭建光伏电站运维管理云平台,通过租用供应商无线通道的方式,实现逆变器与云平台之间双向通信,数据可以上传至云平台,同时云平台也可对下端设备实现远程控制。

1.4 大数据、云平台与分布式光伏的有机结合

大数据的目的是充分挖掘海量数据中的信息,以发现数据中的价值。云平台为大数据提供了归纳和分析的载体,使杂乱无章的数据变得井然有序。云平台为大数据提供了存储、处理的条件,而大数据也为云平台提供了数据支撑,二者相辅相成。基于数据云平台的分布式光伏大数据体系,有效实现分布式光伏的集中运维和管控,优化了工作结构。

2 基于数据云平台的分布式光伏大数据体系的实施

2.1 具体架构

基于数据云平台的分布式光伏大数据体系是基于自动化控制技术、计算机信息技术和网络通信技术,在地区调度(以下简称地调)自动化主站搭建的云平台服务器,具体业务架构分为总部层和光伏层(见图1)。总部层在地调主站侧,即云平台所在业务层,可接受各分布式光伏上传的实时数据,并与调度电能管理系统(energy management system,EMS)联通,实现对分布式光伏数据的远程采集、监视、管理与控制。光伏层在分布式光伏侧,通过逆变器实现对光伏实时运行数据进行采集,通过运营商专线上传至云平台,并能接受和执行云平台下行的控制指令。

图1 基于数据云平台的分布式光伏大数据体系流程

2.2 硬件配置

分布式光伏侧设备主要是可进行无线通信的逆变器,通信模块上需要装有加密卡。云平台侧所需服务器类硬件主要由数据采集服务器、应用服务器、数据库服务器和磁盘阵列组成。网络设备主要由安全防护网关、纵向加密认证装置、横向隔离装置、交换机和路由器组成。网络结构满足国家电力监管委员会2005年发布的第5号《电力二次系统安全防护规定》,光伏侧和云平台侧通过租用供应商专线方式完成数据的交互,并且通信数据应通过国产不对称算法进行加密与认证,防止数据泄露。光伏侧和云平台的数据通信使用IEC104规约,保证通信的标准化和可靠性。

2.3 技术实现策略

逆变器将采集的实时数据利用加密卡加密,然后将加密过的数据包通过无线专网发送至安全防护网关,安全防护网关进行IP转换后,将数据包转发至路由器上,路由器分发数据包至纵向加密认证装置,经纵向加密认证装置解密后,将明文数据发送至采集服务器,采集服务器对数据进行预处理,应用服务器再对数据进行解析,解析后的数据将以图形界面方式呈现在云平台上。云平台与外网接口之间部署1台正向隔离装置,目的是让用户只能从云平台中读取数据,而无法下达控制指令,以防止外部的恶意控制和黑客入侵。同时在云平台与地调EMS之间部署正、反向隔离各1台,地调调度员不仅可以实时浏览分布式光伏运行数据,还可对分布式光伏下达控制指令,实现可观、可测、可控、可调的功能。

3 基于数据云平台的分布式光伏大数据的功能实现

分布式光伏由于点多、面广,在运维和管理上难度很大,实现集中式光伏的智能功能更是难上加难。云平台的搭建能够有效解决分布式光伏诸多运维和管理问题,主要有以下几个方面。

1) 协助远程运维。由于分布式光伏点多、面广,在传统的运维模式下,运维人员需要驱车前往巡视,浪费人力物力,效率低下。有了云平台后,运维人员可在云端直接查看光伏实时运行情况,有助于判断光伏设备有无异常,提升分布式光伏的运维水平。

2) 实现智能告警。分布式光伏无法发出许多报警信号,导致运维人员无法直观掌握分布式光伏运行状态。云平台可对采集到的分布式光伏遥测数据进行智能分析,如数据异常自动发出告警(如电压越限、系统接地等信号),帮助运维人员判断光伏运行是否出现异常,解决了分布式光伏告警信号有限的问题。

3) 自动发电控制。光伏发电受光照影响有着不确定、不稳定等特点,集中式光伏站内有自动发电控制装置对其进行调控,但传统分布式光伏不具备这个功能,无法智能地根据就地用电量控制出力。在接入云平台后,云平台通过对大电网数据的智能分析,对光伏逆变器进行远程控制,合理安排每个光伏逆变器运行数量,从而达到控制分布式光伏出力的目的,让分布式光伏发电变得智能化、经济化。

4) 形成统计报表。云平台统计报表功能主要包含生产统计和运营统计。生产统计主要面向生产技术人员,可以调阅自选时段内光伏电压、电流等运行数据曲线,查阅历史信号,帮助分析光伏设备运行情况。运营统计供运营管理人员使用,对光伏的整体运行情况进行统计,如光照时间、发电效率、发电收入和弃光率等数据,辅助运营人员进行经营决策分析,从而实现盈利的长期目标。

5) 功能可扩展。云平台是个开放式平台,其功能也是可开发、可扩展的。例如扩展光功率预测功能,可以将天气预报信息接入,根据每日光照情况,预测下个时间节点的发电功率。

4 存在问题分析

现阶段大数据的应用还局限于电力系统内部,下一步应挖掘光伏大数据的社会价值,使其更好地服务社会民生,从实际需求出发,解决部分偏远地区用电难、用电不稳定等诸多困难。受分布式光伏现场采集设备功能限制,许多重要运行数据目前仍无法采集,如总辐照度、法向直射辅照度等诸多专业光伏数据,若是增加现场设备,则违背分布式光伏小型化,设备集成度高的设计初衷。接下来,制定性价比较高、功能集成度高的逆变器设计方案,将更多数据采集上传,完善现场数据。

目前,初步搭建的云平台,在实时交互方面还有待完善,数据类型较少、无线网络不够稳定和设备运行环境较差是云平台正在面临的主要问题。因此,改善云平台处理框架、提高平台处理速度、稳定运行通道仍是后续工作的重点,只有云平台稳定性、即时性得到保证,分布式光伏的运行才得以保证。

5 结论

针对当下分布式光伏电站运维管理过程中存在的问题,分析了在竞价上网、电价下调的形势下,分布式光伏的新管理模式及运维模式,通过大数据、云平台与光伏运维相融合的方法论,构建了基于数据云平台的分布式光伏大数据体系的具体架构、硬件配置和工作流程。始终贯穿降低运维成本、提高生产效率、智能化运维的原则,秉承兼容、易用、健壮、安全的信息化系统建设理念。

但由于使用的云平台和大数据技术近些年发展迅猛,行业深度不断加深,本文只是基于基本理论将二者有机结合,构成当下体系,许多功能还不尽完善,等待后续使用者、运维方的加入,使整个体系的功能可以得到深度挖掘,发挥更大的价值。