董永超，唐云龍，孔 波，王留送

(國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)微電網(wǎng)系統(tǒng)公司，河南許昌461000)

區(qū)域分布型光伏電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董永超，唐云龍，孔 波，王留送

(國(guó)家電網(wǎng)許繼集團(tuán)微電網(wǎng)系統(tǒng)公司，河南許昌461000)

隨著光伏發(fā)電能源利用形式逐步發(fā)展，光伏電站的管理模式已經(jīng)開(kāi)始從單一的電站管理向跨地市、跨省份乃至跨國(guó)界的方向發(fā)展。這些電站從分布情況來(lái)看已經(jīng)形成區(qū)域化的分布形式，傳統(tǒng)的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足電站運(yùn)營(yíng)商的統(tǒng)一集中運(yùn)營(yíng)管理的需求。研究了一種區(qū)域分布型光伏電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的總體架構(gòu)、組網(wǎng)方式、基于GIS服務(wù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建以及基于專家系統(tǒng)的運(yùn)維決策體系方法及應(yīng)用。對(duì)該系統(tǒng)產(chǎn)生的效果及未來(lái)的應(yīng)用前景進(jìn)行了總結(jié)與展望。

分布型；光伏；運(yùn)營(yíng)管理；專家系統(tǒng)

太陽(yáng)能作為一種新型可再生能源，與傳統(tǒng)能源相比具有可再生、無(wú)污染、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，是替代化石能源的主要選擇。作為太陽(yáng)能的重要應(yīng)用，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的新能源技術(shù)之一。由于產(chǎn)業(yè)政策的驅(qū)動(dòng)，光伏電站在我國(guó)形成了爆發(fā)性的增長(zhǎng)，而目前光伏電站運(yùn)行維護(hù)的專業(yè)人員配備卻普遍不足，光伏組件因受灰塵或工業(yè)粉塵的影響而未及時(shí)清掃，從組件側(cè)即削減了光伏場(chǎng)的出力，逆變器長(zhǎng)期低效運(yùn)行而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致光伏電站的產(chǎn)能低于預(yù)期，這些因素都不利于光伏能源的利用。

本文研究的光伏電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)采用分層分布架構(gòu)，建立了區(qū)域分布型光伏電站群全景數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的運(yùn)維管理體系，旨在提供電站就地層的智能故障診斷及綜合運(yùn)行維護(hù)策略，開(kāi)展用戶側(cè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)模式創(chuàng)新，動(dòng)態(tài)分析各個(gè)電站的運(yùn)營(yíng)情況，提高電站整體發(fā)電經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)能力。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

區(qū)域分布型光伏電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)由電站就地層、集中管理層和人機(jī)交互層三部分組成。其中就地層主要負(fù)責(zé)電站數(shù)據(jù)接入及轉(zhuǎn)發(fā)；集中管理層通過(guò)海量數(shù)據(jù)深度挖掘與分析，實(shí)現(xiàn)光伏電站數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中監(jiān)測(cè)、光伏電站運(yùn)維決策、資產(chǎn)管理、發(fā)電效率和投資收益分析及Web發(fā)布功能；在人機(jī)交互層,用戶可用PC、PAD、智能手機(jī)等設(shè)備通過(guò)瀏覽器方式訪問(wèn)集控?cái)?shù)據(jù)中心，查看相關(guān)數(shù)據(jù)信息。本文主要介紹區(qū)域分布型光伏電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)運(yùn)維決策體系部分。圖1為區(qū)域分布型光伏電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2 通訊架構(gòu)

區(qū)域分布型光伏電站集中運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，光伏場(chǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)上送采用IEC 104協(xié)議，由部署于各個(gè)光伏子站的數(shù)據(jù)上送裝置主動(dòng)向運(yùn)營(yíng)管理中心發(fā)起連接，集中運(yùn)營(yíng)管理中心端部署固定IP，通過(guò)端口映射的方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上送裝置和接收裝置的通訊。圖2為運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式。

數(shù)據(jù)上送裝置與數(shù)據(jù)接收裝置通訊采用C/S建構(gòu)的socket通信，實(shí)現(xiàn)多個(gè)客戶端連接在一個(gè)服務(wù)器上，通訊規(guī)約擬采用IEC 104。若接收裝置部署在內(nèi)網(wǎng)段，則路由器需使用端口映射功能。

標(biāo)準(zhǔn)的IEC 104協(xié)議是基于TCP／IP網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度主站和遠(yuǎn)方子站遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議，主要包括IEC 60870-5-104的體系結(jié)構(gòu)、參考模型、傳輸幀格式、傳輸機(jī)制和流程[1]。一般的體系結(jié)構(gòu)定義如圖3所示。

圖1 區(qū)域分布型光伏電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式

圖3 IEC 104體系結(jié)構(gòu)定義

標(biāo)準(zhǔn)IEC 104的規(guī)約結(jié)構(gòu)如表1所示。

標(biāo)準(zhǔn)的IEC 104應(yīng)用模式為站端作服務(wù)端，控端作客戶端，但區(qū)域分布型光伏電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)采用公共互聯(lián)網(wǎng)的通訊模式，若由控端主動(dòng)發(fā)起對(duì)站端的數(shù)據(jù)鏈接，一旦網(wǎng)絡(luò)中斷，各個(gè)子站均需申請(qǐng)固定IP方可支持網(wǎng)絡(luò)鏈接的重新建立，效率較低，且通訊穩(wěn)定性差，因此需修改數(shù)據(jù)上送裝置的轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，并做如下工作：在標(biāo)準(zhǔn)的IEC 104基礎(chǔ)上，修改TCP/IP協(xié)議的連接方式和傳輸機(jī)制，其他內(nèi)容保持不變。把原有的IEC 104協(xié)議站端為服務(wù)端，控端為客戶模式修改成站端為客戶端，控端為服務(wù)端，仍采用平衡式傳輸。

表1 IEC 104規(guī)約結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)模型構(gòu)建

3.1 電站應(yīng)用模型服務(wù)體系

應(yīng)用模型服務(wù)體系是應(yīng)用模型服務(wù)、應(yīng)用模型管理系統(tǒng)功能服務(wù)分解后的相關(guān)服務(wù)的組織體系，該體系定義應(yīng)用模型相關(guān)服務(wù)的功能種類以及各服務(wù)的相互關(guān)系[2]，是基于Web實(shí)現(xiàn)GIS(地理信息服務(wù))與應(yīng)用模型服務(wù)集成的基礎(chǔ)。本文所涉及的應(yīng)用服務(wù)體系主要分為模型交互服務(wù)、模型管理服務(wù)、工作流及任務(wù)管理服務(wù)、模型處理服務(wù)、模型通訊服務(wù)、模型系統(tǒng)管理服務(wù)。圖4為應(yīng)用服務(wù)模型結(jié)構(gòu)。

圖4 應(yīng)用服務(wù)模型結(jié)構(gòu)

區(qū)域分布型光伏電站的應(yīng)用服務(wù)涵蓋電站數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及告警，電站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析、運(yùn)維工作計(jì)劃的分配、考核與管理、電站備品備件管理等等。

3.2 GIS地理信息服務(wù)

GIS地理信息服務(wù)實(shí)現(xiàn)分布式光伏電站地理分布數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析顯示和描述[3]。該服務(wù)以地圖形式進(jìn)行所轄電站的數(shù)據(jù)導(dǎo)航。地圖上可展示用戶在各個(gè)省份所轄電站的基本信息，包括省內(nèi)電站數(shù)量、總裝機(jī)容量、當(dāng)前總發(fā)電功率、歷史總發(fā)電量等內(nèi)容。通過(guò)地圖可任意切換至各個(gè)電站，查看各個(gè)電站運(yùn)行狀況。

3.3 電站綜合運(yùn)維決策服務(wù)

光伏電站的運(yùn)行維護(hù)是保障光伏電站長(zhǎng)期健康發(fā)展，帶來(lái)穩(wěn)定收益的必要條件，智能化、信息化的發(fā)展將是電站未來(lái)進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)的重要手段。光伏電站設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視的模擬量、開(kāi)關(guān)量信息由監(jiān)控系統(tǒng)采集上送以后，大部分是按照時(shí)序顯示事件，未作任何的分層或判斷處理。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，電站值班員很容易眼花繚亂、抓不住重點(diǎn)，影響事故的正確處理，并可能遺漏重要告警信號(hào)，延誤處理造成事故。

3.3.1 電站故障推理決策模型構(gòu)建

電站故障推理決策模型基于告警和異常處理專家系統(tǒng)而建立，可對(duì)光伏電站運(yùn)行信息進(jìn)行智能化管理，提取故障報(bào)警信息，輔助故障判斷及處理，從而彌補(bǔ)變電所值班員技術(shù)業(yè)務(wù)水平參差不齊帶來(lái)的巨大隱患，同時(shí)也減少了值班員的工作量。圖5所示為智能故障診斷專家系統(tǒng)原理。

圖5 智能故障診斷專家系統(tǒng)原理

為了在光伏電站智能診斷專家系統(tǒng)中對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行綜合推理，提高系統(tǒng)的智能水平，需要對(duì)光伏電站事故和告警處理的業(yè)務(wù)規(guī)則進(jìn)行制定，并研究特定業(yè)務(wù)知識(shí)的表達(dá)方法和綜合推理機(jī)制，設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的邏輯推理機(jī)，作為光伏電站智能診斷專家系統(tǒng)的核心部件。

(1)知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

為了使專家系統(tǒng)能運(yùn)用領(lǐng)域知識(shí)，必須要采用一定的方式表示知識(shí)?；谝?guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)是目前實(shí)現(xiàn)知識(shí)運(yùn)用最基本也是最成熟的方法[4]。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生式專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)中包含了大量的業(yè)務(wù)知識(shí)規(guī)則，它的知識(shí)庫(kù)就是一個(gè)規(guī)則集。

產(chǎn)生式專家系統(tǒng)表示具有因果關(guān)系的知識(shí)，其遵循的基本形式為：P→Q或者If P Then Q。其中，P是產(chǎn)生式的前提(前件)，Q用于指出該產(chǎn)生式是否可用的條件，是一組結(jié)論或操作(后件)，用于指出當(dāng)前提P所指示的條件滿足時(shí)，應(yīng)該得出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作。產(chǎn)生式規(guī)則的語(yǔ)義為：如果前提P被滿足，則可推出結(jié)論Q或執(zhí)行Q所規(guī)定的操作。

(2)推理機(jī)設(shè)計(jì)

作用：推理機(jī)針對(duì)當(dāng)前問(wèn)題的條件或已知信息，反復(fù)匹配知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則，獲得新的結(jié)論。

過(guò)程：推理機(jī)通過(guò)故障推理模型對(duì)光伏電站主要的故障類型及故障條件進(jìn)行歸納總結(jié)，進(jìn)而匹配知識(shí)庫(kù)中大量的業(yè)務(wù)知識(shí)規(guī)則，輸出當(dāng)前故障的故障類型、相關(guān)信息、故障結(jié)論及處理方式，形成故障推理報(bào)告。

智能診斷專家系統(tǒng)中采用正向推理，對(duì)智能診斷推理機(jī)設(shè)計(jì)的功能如下：

1)逐一事件推理

定義光伏電站每個(gè)信號(hào)所屬的事故告警信號(hào)種類，形成逐一事件推理判斷關(guān)系，在告警事件發(fā)生后，可以根據(jù)每條告警信息做出推理，給出異常事故發(fā)生的原因及處理措施。為推理判斷可以人工靈活干預(yù)，關(guān)聯(lián)關(guān)系可以逐條定義，也可以通過(guò)快速定義軟件批量實(shí)現(xiàn)，大大提高關(guān)聯(lián)效率。

2)綜合事件推理

在邏輯判斷知識(shí)庫(kù)中包括多個(gè)事件綜合判斷的判別邏輯。在一個(gè)短時(shí)間段內(nèi)，光伏電站某一間隔設(shè)備連續(xù)發(fā)生多個(gè)(2個(gè)以上)事故或告警信號(hào)，這些連續(xù)發(fā)生信號(hào)是一個(gè)存在關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體，稱為一個(gè)“綜合事件”。這個(gè)綜合事件必然是由某個(gè)事故或異常引起，“綜合推理”邏輯就是要根據(jù)發(fā)生的“綜合事件”推理出該單元設(shè)備究竟發(fā)生了何種異常和事故，給出一個(gè)綜合的判斷和處理方案。

3)不完整信號(hào)或缺失信號(hào)時(shí)的模糊推理

在進(jìn)行綜合推理時(shí)，關(guān)聯(lián)信號(hào)中的某一個(gè)或幾個(gè)信號(hào)缺失，此時(shí)綜合推理是一種模糊推理，所設(shè)計(jì)的推理機(jī)應(yīng)該能根據(jù)現(xiàn)有信號(hào)進(jìn)行模糊推理，對(duì)推理出的異常和事故的原因及處理原則按照置信度進(jìn)行排序。

4)對(duì)推理的結(jié)果進(jìn)行排序以及解釋

對(duì)于綜合推理或者模糊推理的結(jié)果可根據(jù)推理機(jī)推理出的異?；蚴鹿实闹眯哦冗M(jìn)行排序，并對(duì)推理出的結(jié)果進(jìn)行解釋，給出原因及處理原則。

事件推理數(shù)據(jù)流如圖6所示。

圖6 事件推理數(shù)據(jù)流

(3)案例分析

以某電站1#發(fā)電單元發(fā)電效率告警為例，專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

信號(hào)名稱：1#發(fā)電單元發(fā)電效率告警；

信號(hào)含義：1#發(fā)電單元發(fā)電效率下降；

信號(hào)來(lái)源：電站監(jiān)控系統(tǒng)；

信號(hào)類別：預(yù)警信號(hào)；

關(guān)聯(lián)信號(hào)：

A 1#發(fā)電單元匯流箱各支路狀態(tài)；

B 1#發(fā)電單元直流柜各支路狀態(tài)；

C 1#發(fā)電單元逆變器狀態(tài)；

D 1#發(fā)電單元逆變房溫度告警信號(hào)；

E 1#發(fā)電單元電纜接頭溫度告警信號(hào)；

產(chǎn)生原因：

a匯流箱某支路斷路；

b直流柜某支路斷路；

c逆變器故障；

d銅牌搭接不良造成絕緣故障；

e光伏方陣積灰或部分組件損壞；

處理原則：

a檢查匯流箱并進(jìn)行修復(fù)；

b檢查直流柜并進(jìn)行修復(fù)；

c檢查逆變器并進(jìn)行修復(fù)；

d檢查相應(yīng)銅牌搭接并進(jìn)行修復(fù)；

e清掃組件，進(jìn)行組件排查。

推理機(jī)反復(fù)匹配如表2所示規(guī)則。系統(tǒng)一旦發(fā)生告警，可通過(guò)反復(fù)匹配此規(guī)則，輸出系統(tǒng)告警原因及維護(hù)建議。

表2 推理機(jī)規(guī)則

3.3.2 電站運(yùn)維服務(wù)決策模型構(gòu)建

光伏電站綜合運(yùn)維決策系統(tǒng)由故障推理決策、運(yùn)維服務(wù)決策構(gòu)成。其中故障推理決策是光伏電站綜合運(yùn)維決策系統(tǒng)的核心，也是運(yùn)維服務(wù)決策輸出結(jié)果的必要前提條件。

故障推理決策輸出可大致分為三類：第一類，電站設(shè)備的定期巡檢；第二類，設(shè)備異常告警，進(jìn)行設(shè)備維護(hù)；第三類，設(shè)備故障，進(jìn)行停機(jī)檢修。故障推理決策輸出的不同結(jié)果對(duì)運(yùn)維服務(wù)的可執(zhí)行度亦不相同，兩者構(gòu)成階段性的正相關(guān)關(guān)系。

影響運(yùn)維決策的原因也可分為三類：第一類，電站故障推理結(jié)果；第二類，處理該結(jié)果所需維護(hù)成本；第三類，處理該結(jié)果可帶來(lái)的收益。這三者關(guān)系如圖7所示。

圖7 運(yùn)維服務(wù)決策模型

運(yùn)維決策以電站故障推理結(jié)果為前提，以預(yù)期運(yùn)維投資收益比最大為主導(dǎo)要素輸出運(yùn)維可執(zhí)行度，運(yùn)維可執(zhí)行度區(qū)間為[0 1]，用戶可根據(jù)運(yùn)維執(zhí)行度來(lái)決定是否執(zhí)行電站運(yùn)維。

4 結(jié)論與展望

區(qū)域分布型光伏電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)結(jié)合GIS地理信息服務(wù)實(shí)現(xiàn)光伏電站的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，快捷方便，其運(yùn)維決策體系通過(guò)綜合電力領(lǐng)域知識(shí)構(gòu)建完備的故障推理模型和專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)。根據(jù)故障發(fā)生的關(guān)鍵條件，結(jié)合系統(tǒng)的接線方式和運(yùn)行方式、開(kāi)關(guān)變位信息、開(kāi)關(guān)刀閘狀態(tài)、遙測(cè)量等信息，綜合判斷，得出故障的故障類型、相關(guān)信息、故障結(jié)論及處理方式，形成故障推理報(bào)告，反映光伏電站運(yùn)行狀態(tài)，提醒光伏電站值班人員及時(shí)維護(hù)，使得光伏電站收益最大化。該系統(tǒng)推動(dòng)了光伏電站遠(yuǎn)程化、智能化、信息化管理方向的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]牛春霞，宋瑋.IEC 60870-5-104遠(yuǎn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的應(yīng)用與實(shí)施[J].河北電力技術(shù)，2006，25(1)：30-33.

[2]于海龍，鄔倫，劉瑜，等.基于Web Services的GIS與應(yīng)用模型集成研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2006，35(2)：153-159.

[3]王曉輝.基于SOA的電力GIS平臺(tái)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2012.

[4]陳波.分布式遠(yuǎn)程故障診斷專家系統(tǒng)的框架及若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2002.

Operation management system design for regional distribution pattern of photovoltaic power plant

With the development of photovoltaic generation's energy utilization patterns,the management model of PV power plant is changing from one single station to cities,provinces and even cross-border.Theses stations have been distributed in the form of regionalization;the traditional PV plant monitor system has been unable to meet the need of the centralized operator operations management.A kind of regional distribution operations management system of PV power plant was studied,such as its architecture,networking,data monitoring model based on GIS services,the setup of operation and maintenance decision-making method based on expert system.The effect of the system and its application prospect were summarized.

distribution;PV;operation management;expert system

TM 615

A

1002-087 X(2016)06-1251-04

2015-12-12

董永超(1985—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向?yàn)楣夥l(fā)電并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)理論及應(yīng)用。