基于物联网的分布式光伏监控管理系统设计

纪显奇 张文潇 姚彬杰 李伟令 蒋成博 王红庆

摘要：为提升传统分布式光伏电站运维效率，满足客户对光伏电站远程监测的要求，设计了一种基于物联网的分布式光伏监控管理系统。首先，利用DSP微处理器将采集到的运行参数信号进行处理，然后通信模块将处理后的数据通过MQTT协议传输至云服务器，最后通过光伏监控管理系统可视化平台及智能光伏App实现对分布式光伏电站的远程维护。目前，该系统已正式投入工程化应用，对分布式光伏运维的智能化、数字化发展具有一定的意义。

关键词：物联网；监控管理系统；MQTT；可视化平台；远程维护

中图分类号：TP277     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）08-0103-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

近年来，我国积极推动能源生产和消费革命，努力构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，能源行业在国际上已经位于前列，电力装机容量与发电量居世界第一，能源行业的发展成效显而易见[1]，其中，光伏发电是现代能源体系的主要构成之一[2]。

与同等规模的光伏电站相比，分布式光伏发电具有就近并网、就近使用等特点。这不仅会使光伏发电量得到有效提高，同时也降低了电力系统在输送电过程中的损耗，在当今越来越受到用戶的关注[3]。分布式光伏发电日益发展的同时，也会给分布式光伏电站的维护带来诸多的问题与挑战，如当光伏电站在发电过程中发生故障时，无法快速定位故障点，从而消耗人力资源等。

物联网技术作为5G时代较为重要的先进技术之一，其在各行各业中都有着极其重要的应用[4]。结合其高效的资源利用、数据收集及最大限度地减少人力的技术优势，针对如何降低光伏电站的运维成本，提高相关工作人员效率，提升光伏电站的管理水平等问题，设计了一种基于物联网技术的分布式光伏电站远程监控管理系统。通过该系统可以实现对光伏电站运行参数、环境参数等数据的实时采集、存储和远程监测。

1 系统架构

1.1 系统整体架构设计

光伏监控管理系统是光伏电站的核心系统之一，主要包括硬件系统与软件平台。基于物联网的光伏监控管理系统的整体架构如图1所示。

该系统基于物联网架构设计，主要包括设备感知层、网络层、应用层[5]。设备端（光伏逆变器）通过通信模块将采集到的数据以JSON字符串格式上传至网络层（云服务器）。云端服务器的MQTT服务通过物联网MQTT协议与 Web 服务端、前端分别建立连接，数据可以直接通过MQTT服务器实时推送到应用层前端进行数据展示，同时，服务端对需要被调用的历史数据信息进行解析、存储。

1.2 系统通信组网设计

系统通信组网主要包括远程通信网与本地通信网，监控管理系统通信组网架构如图2所示。

1.2.1 远程通信网

远程通信网主要为了满足监控管理系统与无线通信模块之间进行通信，其具有数据量大、通讯范围广、双向可靠通信的特点。远程通信方式主要包括光纤、电力无线专网、无线公网等，本系统采用Wi-Fi通信技术实现远程无线公网通信[6]。

1.2.2 本地通信网

本地通信网主要满足无线通信模块与DSP之间进行通信，其主要通信方式包括电力线载波、微功率无线、RS485通信等。本系统根据客户需求采用RS485方式实现本地通信。

1.2.3 MQTT服务器

设备数据接入云端采用MQTT协议。该协议是在TCP/IP协议的基础上构建的，具有网络占用开销小、带宽低、易于实现等优势，非常适合于物联网应用下的信息采集和工业控制[7]。

本系统服务端搭建EMQX服务器。EMQX平台是基于Erlang/OTP开发的MQTT消息服务器，是开源社区中最流行的MQTT消息服务器[8]。EMQX更适用于平台侧。EMQX代理服务器优势在于具有高并发连接与高吞吐消息的服务能力，以及物联网协议栈支持的完整性，扩展能力较强。单台的EMQX代理就能满足本系统设计需求。

2 系统硬件架构

2.1 硬件整体架构设计

监控管理系统硬件主控采用STM320F28035芯片，TMS320F28035芯片的性价比很高，具有非常高的控制性能，主频为60MHZ，其供电方式为单电源供电。

系统的硬件结构主要包括电源电路、Wi-Fi通信模块、ADC调理电路、逆变器功率电路过零点及故障中断输入电路、DSP微处理器。电源电路负责为DSP微处理器和各模块提供电压，ADC调理电路等将模拟量输入DSP处理器，DSP内置的ADC模块将模拟信号转换为数字信号，供TMS320F28335处理。经处理分析后的数据通过串口通信传输至Wi-Fi通信模块，完成基本数据的采集。

2.2 数据采集及无线通信设计

逆变器数据采集模块包括ADC两路采样电路。采集的数据包括PV电压电流、BUS电压电流、GRID电压电流、逆变器功率等。其中，逆变器功率通过等级编码的形式供TMS320F28335读取，在采集线路与TMS320F28335之间还需要通过ADC采样电路切换来决定通过哪一路进行数据采集。由于采集模块主DSP芯片引脚不足，使用TMS320F28035作为从DSP芯片。其与主DSP采用SPI通信方式进行通信，从DSP只有一路ADC采样电路。除此之外，为了将采集到的数据通过公网上传至应用层，监控系统设备端具有独立的无线通信模块，支持4G/Wi-Fi传输。

3 系统软件设计

系统软件架构主要包括设备端通信实现与应用层平台开发。

3.1 设备端通信软件设计

设备端通信即本地通信组网的实现，主要实现流程如图5所示。

首先，需要对STM32芯片寄存器进行初始化配置。系统初始化主要包括外围硬件电路初始化、中断初始化和清除缓存区数据。系统初始化完成后，向ADC采样电路发送信号，每隔60秒发送一次。模拟量经过ADC采样电路传递至DSP处理器处理，处理后的数据以JSON的格式通过RS485传输至Wi-Fi通信模块。Wi-Fi模块通过绑定服务器IP与端口号与MQTT服务代理建立连接。通信模块需要与应用平台的MQTT模块订阅相关的主题进行通信。

3.2 可视化平台软件设计

平台基于B/S 架构设计，前端采用Vue框架[9]，后端采用Egg框架。

根据客户要求，本可视化平台采用的是浏览器/服务器（B/S） 架构。用户须通过客户端的浏览器登录系统，系统前端通过HTTP协议访问后端服务器与数据库，数据库作为该系统平台架构的中心。

可视化平台集用户管理、权限管理、站点管理、设备管理、消息管理、数据大屏展示等功能模块为一体，可实时监测光伏电站逆变器发电量、发电功率等重要参数，并能对逆变器的历史数据进行调取，便于相关技术人员进行分析。

平台前后端整体架构如图8所示。

平台前端技术栈主要包括Vue.js、Vue-Router、Vuex、axios、Element-UI、Echarts、iconfont等。前端采用Vue-Router和Vuex进行全局路由配置和全局状态管理，使用自定义的组件作为页面容器。根据不同需求，采用Axios向后端发送不同的请求，以获取相应数据并实现相应页面展示功能。

前端与硬件设备交互采用MQTT协议，通过订阅pub/PGSOL10KTL/#主题接收来自EMQX代理发过来的数据信息。JSON格式的信息体按照字段定义解析后，通过STORE模块提交到Vuex共享状态管理模块。前端页面再通过Vuex获取数据及告警信息进行展示。为了缓解前端数据压力，通过定时器定时清除缓存数据。

可视化平台后端采用Egg企业级框架。Egg框架是在Koa架构的基础上进行的二次构建，其内置了多进程管理机制以及便于开发者使用的插件，具有性能可靠稳定、测试范围广等特性。本平台后端采用的技术栈主要包括RESTful、MySQL、mqtt.js、model、controller等。后端依次对每一帧经MQTT服务器传输过来的数据进行过滤，并将供前端调用的数据存储在数据库中。

4 系统部署与工程应用

4.1 系统部署方案设计

系统部署主要包括可视化平台部署以及设备端软件程序烧录。

系统可视化平台部署采用Jenkins自动化远程部署方案[10]。服务器配置为腾讯云企业服务器，系统版本为Ubuntu 18.04，数据库采用MySQL5.5.40版本，EMQX采用企业级版本。移动端App以package包的形式上传到服务器，用户可以通过平台上的二维码进行扫码下载。对于设备端程序部署，则是通过烧录器将程序下载到开发板中启动即可。

4.2 工程应用

目前，系统已支撑分布式光伏工程化应用建设，首批工程系统接入了10kW光伏逆变器，实现了对分布式光伏逆变器远程在线监测与故障识别。

4.2.1 数据实时监测

逆变器通信模块将设备实时信息通过EMQX代理服务器上传到可视化平台的MySQL数据库中的设备数据表中。用户登录到平台首页可看到不同站点不同设备的实时数据。用户可通过点击左侧的台站点列表中的下拉列表来切换不同站点的实时运行状态。

4.2.2 告警故障识别

平台告警模块主要基于直接从设备端通信模块接收告警信息触发告警，当设备端发生故障时，平台服务端需对故障信息进行解析，根据数据JSON体中的告警定位码与故障定位码识别具体的告警与故障信息。如图10所示，相关人员通过系统的故障告警模块查看对应的故障信息。同时系统开通短信推送功能，运维人员及用户可第一时间掌握设备故障点及故障原因，以提高运维检修工作效率。

4.2.3 可视化大屏

可視化大屏采用Vue+echarts技术开发，用户通过访问可视化大屏可以查看所属站点及设备的详细信息，包括电站实时累积发电量、二氧化碳减排量、设备总览、发电量分布，发电量统计曲线、告警故障信息、24小时历史数据查看等。如图12是系统工程化应用场景。

4.2.4 智能光伏App

分布式光伏监控App是分布式光伏监控系统可视化终端的一部分，采用uniapp框架进行开发。其主要包括电站数据统计、设备列表、告警故障信息、个人中心等模块，如图所示为数据统计页面。

5 结论语

本文设计了一种基于物联网架构的分布式光伏监控管理系统。该系统通过可视化平台与手机移动App对光伏电站进行远程在线监测与故障识别。与传统光伏电站运维方式相比，具有节约人力资源、节省运维成本以及数据传输安全可靠等优势。同时，此方案的提出也为物联网在配电网自动化中的广泛应用提供一定的参考。

参考文献：

[1] 白羽，张恰恰，赵黛青，等.关于积极推广以数字能源技术和低碳政策创新推动 “一带一路” 国家绿色低碳发展的建议：以光伏发电规模化发展为例[J].中国发展，2022，22（2）：87-91.

[2] 肖瑶，钮文泽，魏高升，等.太阳能光伏/光热技术研究现状与发展趋势综述[J].发电技术，2022，43（3）：392-404.

[3] 詹天津，谢玉荣.国内分布式光伏发展形势分析及思考[J].华电技术，2021，43（12）：60-65.

[4] 刘强锋.物联网技术在电力通信网中的应用探究[J].石河子科技，2023（1）：28-30.

[5] 曹小华，李泊桓，徐上尉.基于MQTT协议的物联网岸电监控系统[J].计算机应用与软件，2023，40（3）：11-16，27.

[6] 于凯，郭成光，杨学静，等.基于智慧物联体系的配电台区建设[J].农村电工，2022，30（1）：38-39.

[7] 刘艳芳，侯钰龙，高凯.基于MQTT的液漏监测系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2023，31（3）：76-82.

[8] 阎子繁.基于EMQX云平台与ESP-WiFi-MESH的物联网系统设计与实现[J].物联网技术，2023，13（6）：133-137.

[9] 田松涛，段元梅.基于SpringBoot的线上商城平台设计[J].无线互联科技，2022，19（1）：56-57.

[10] 蔡永健，路云菲，邬远祥，等.基于Jenkins和Docker容器技术在数字化电站项目自动化部署的研究及应用[J].计算机时代，2020（2）：77-80.

【通联编辑：梁书】