文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）08-076-06中圖分類(lèi)號：TP277

★張澤成，張宗旭，王家坤（國華（乳山）新能源有限公司，山東濟南250002）★卿子龍（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210031）

關(guān)鍵詞：光伏電站；數字化；智能化；智慧型監控管理系統；IEC61850

1　引言

我國碳達峰、碳中和的愿景，把光伏等新能源發(fā)電方式推向了行業(yè)的前臺，成為解決能源安全、環(huán)境污染等問(wèn)題的期望^[1]。自從金太陽(yáng)示范工程后，光伏電站數目不斷快速增加，傳統電網(wǎng)的組織架構不斷變化，新型電力系統的安全穩定運行面臨嚴峻的挑戰^[2-3]。緊隨智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，開(kāi)展光伏電站數字化、智能化的研究，建設高水平的智慧型光伏電站，實(shí)現光伏電源與電網(wǎng)間深度友好融合，對光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的持續發(fā)展和電網(wǎng)的安全穩定運行意義重大。大數據、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，也為“互聯(lián)網(wǎng)＋智慧型光伏電站”的建設提供了技術(shù)支撐^[4]。

本文首先分析了光伏電站綜合自動(dòng)化系統的現狀，隨后在研究新能源場(chǎng)站智能化、智慧化技術(shù)發(fā)展需求的基礎上^[5-10]，基于生產(chǎn)監控和運營(yíng)管理兩個(gè)維度，提出了光伏電站智慧型監控管理一體化系統的設計理念，并對系統的體系架構進(jìn)行了研究，最后以一次設備智能化、二次設備網(wǎng)絡(luò )化、全站信息數字化、信息共享標準化、系統功能一體化、高級應用互動(dòng)化、設備狀態(tài)可視化、運維管理智慧化為建設目標，研究了系統功能的主要技術(shù)特征，期望為光伏電站的數智化、智慧化建設提供可行性技術(shù)方案。

2　光伏電站綜合自動(dòng)化系統的現狀

大型光伏電站具有設備數量多、種類(lèi)繁多、組網(wǎng)復雜等特點(diǎn)，綜合自動(dòng)化系統結構復雜。目前，光伏電站的綜合自動(dòng)化系統按照需求配置了相應的功能子系統，如綜合監控、輔助監控、狀態(tài)在線(xiàn)監測等。但數量眾多的子系統，普遍存在著(zhù)信息不規范、功能不完善等問(wèn)題。數量眾多的功能子系統，缺乏統一的規劃。不同平臺和數據格式的功能子系統，相互獨立，形成了不能互通協(xié)調的信息孤島，主輔設備設施間的互聯(lián)互動(dòng)難以實(shí)施。全站的綜合自動(dòng)化水平比較低，主要存在如下問(wèn)題：

（1）傳統的監控管理模式，無(wú)法適應場(chǎng)景多樣性的要求；

（2）業(yè)務(wù)子系統多，數據類(lèi)型多，子系統間信息共享不足，協(xié)調控制不便；

（3）站內信息量大，但與電網(wǎng)調度間的信息數據共享不足，系統調控功能難；

（4）光伏電站面積大，設備數量多，人工檢測故障難，運維成本高；

（5）電站的數字化、智能化程度低，也缺乏高效的智能化管理策略，全站運維管控難。

3　光伏電站綜合自動(dòng)化系統的發(fā)展方向

隨著(zhù)新能源標桿平價(jià)上網(wǎng)等政策的出臺，光伏發(fā)電行業(yè)的投資壓力加大，企業(yè)越來(lái)越關(guān)注如何提高場(chǎng)站利用小時(shí)數、降低運維成本以及提升全站全生命周期的收益率。從光伏電站的設備（光伏組件、逆變器等）選型、生產(chǎn)監控管理以及發(fā)電數據的積累分析等方面，將先進(jìn)信息技術(shù)和智能化技術(shù)融入各個(gè)階段中，可以減少運維人員的日常巡檢、報表、兩票管理、故障處理等工作量，達到自動(dòng)診斷與修復的目標，降低了運維成本。因此，光伏電站對信息數字化、管理智慧化的需求與日俱增。

信息數字化、管控智能化、決策智慧化是光伏電站綜合自動(dòng)化的發(fā)展方向，開(kāi)展光伏電站數智化、智慧化的研究，意義重大。大數據、云邊計算、電力物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛廣用，為光伏電站智慧型綜合自動(dòng)化系統的建設奠定了技術(shù)基礎。綜合運用先進(jìn)技術(shù)，光伏電站能有效開(kāi)展以下方面的工作：

（1）分析、挖掘生產(chǎn)運營(yíng)數據，準確分析電量損失，優(yōu)化光功率預測模型，提高發(fā)電量；

（2）針對光伏電站面積大、人工檢測效率低等問(wèn)題，采用無(wú)人機開(kāi)展全站的智能巡檢工作；

（3）構建多參數、多機制融合的設備狀態(tài)監測與故障診斷體系，基于狀態(tài)檢修，縮短停運時(shí)間；

（4）調整全站運行管理模式，實(shí)施全站無(wú)人值守，減少現場(chǎng)運維工作時(shí)日；

（5）以數據為支撐，優(yōu)化生產(chǎn)運維模式，創(chuàng )新光伏電站管理模式，降低運維成本；

（6）基于實(shí)時(shí)與歷史數據，合理評價(jià)運行績(jì)效，提升全站的全生命周期的運營(yíng)水平。

4　智慧型監控管理系統的體系架構

監控管理系統是光伏電站的光伏發(fā)電區和匯集升壓站的設備監控和管理一體化系統。信息數字化、設備智能化是智慧化建設的基礎。智慧化建設以設備狀態(tài)全息感知、機器替代人工巡檢、設備缺陷主動(dòng)預警、設備故障智能診斷、遠程操作一鍵順控、主輔設備智能聯(lián)動(dòng)、運維管控智慧決策、設備資產(chǎn)全生命周期管理為建設目標，按照一體化設計、標準化接口、數字化傳輸、智能化聯(lián)動(dòng)的設計思想，廣泛應用大數據、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能、AR/VR、數字孿生等先進(jìn)技術(shù)，形成了一種具備自適應、自組織、自趨優(yōu)、自恢復的智慧化運維管理系統，可對設備、動(dòng)力、環(huán)境、消防、安全等進(jìn)行全面智能化管控，提升了安全生產(chǎn)的精益化管控水平，大幅減少了日常運維的工作量，實(shí)現了低碳清潔、安全靈活、運維高效的生產(chǎn)目標。

光伏電站智慧型監控管理系統采用分層分布、開(kāi)放靈活的三層兩網(wǎng)式的體系結構，全站分為站控層、間隔層、過(guò)程層。一體化監控管理平臺以標準的通信接口及協(xié)議，統一智能設備、智能子系統的接入，全面整合各子系統的功能，實(shí)現過(guò)程智能設備層、間隔保護控制功能層、電站生產(chǎn)監控以及智慧管理決策層之間的無(wú)縫融合，實(shí)現全站的全景可視化集中管控。

站控層設備包括服務(wù)器、工作站、通信網(wǎng)關(guān)機、網(wǎng)絡(luò )設備等。站控層以IEC61850標準有效整合各個(gè)獨立子系統，包含綜合監控、狀態(tài)在線(xiàn)監測、輔助監控等功能子系統，為全站提供運行、管理、工程配置的界面，記錄站內所有相關(guān)信息。站控層軟件采用一體化設計，功能高度集成，可實(shí)現全站設備的監視、控制、告警及信息交互等功能。它以應用層面的各項功能為基礎，實(shí)現主輔設備智能聯(lián)動(dòng)、遠程控制、遠程預警、遠方故障確認、遠程視頻漫游巡視、遠方智能巡檢、現場(chǎng)人員作業(yè)遠程管控等功能，全站智能化控制，全景化展示，并為高級業(yè)務(wù)應用層提供信息支撐。一體化高級業(yè)務(wù)應用層具有數據統計智能分析、數據挖掘展示以及大數據智慧化決策等功能。

間隔層功能設備包括保護、測控、電能計量、安全穩定、故障錄波等網(wǎng)絡(luò )化二次設備以及智能化功能子系統。間隔層設備與站控層之間MMS網(wǎng)采用雙重化以太網(wǎng)，單一網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)不損失任何功能。在站控層及站控層網(wǎng)絡(luò )失效的情況下，間隔層設備仍能獨立工作。

過(guò)程層設備包括變壓器、電流/電壓互感器等設備及其合智單元終端和獨立的智能電子裝置。泛在物聯(lián)網(wǎng)集成各類(lèi)智能傳感器、智能終端等智能化電子裝置，實(shí)現主輔設備的監控，為一體化監控平臺提供了基礎運行數據。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò )包括GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)備：GOOSE網(wǎng)用于間隔層和過(guò)程層設備之間的狀態(tài)與控制數據交換；SV網(wǎng)用于間隔層和過(guò)程層設備之間的遙測采樣值傳輸。保護裝置與本間隔的合智能單元終端之間還可采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式。

根據光伏電站的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )安全的風(fēng)險情況，基于自動(dòng)化系統的網(wǎng)絡(luò )安全防御分析，我們將系統分為安全I區、II區、III/IV區。I區是主設備實(shí)時(shí)監控區，主要是升壓站和光伏發(fā)電區的監控；II區是狀態(tài)監測與輔助設施監控區，還包括電能量采集、故障錄波及保信收集、光伏功率預測等功能；III區是生產(chǎn)管理區，還有天氣預報、移動(dòng)辦公等子系統；IV區是智能化運檢視頻區，含檢修管理。安全I、II區之間設置防火墻，安全II、III/IV區之間設置正/反向隔離裝置。安全I區、II區與上級集（調）控中心之間設置縱向加密認證裝置，安全III/IV、上級集（調）控中心區之間設置防火墻。智慧型監控管理系統的體系架構如圖1所示。

圖1 光伏電站智慧型監控管理系統的系統架構

5　智慧型監控管理系統功能的技術(shù)特征

光伏電站智能型監控管理系統以一次設備智能化、二次設備網(wǎng)絡(luò )化、全站信息數字化、信息共享標準化、系統功能一體化、高級應用互動(dòng)化、設備狀態(tài)可視化、運維管理智慧化為建設目標。智慧化建設的主要內容包括設備狀態(tài)的全景監測、現場(chǎng)可視化巡檢、數據智能化分析、故障智能化診斷、控制智能化調節、設備互聯(lián)互動(dòng)、設備及備件智能化管理、現場(chǎng)人員智能化管控、運維智慧化決策等方面。系統集成可靠的智能化設備，統一接入、統一存儲和統一管理設備的運行、狀態(tài)等信息。通過(guò)系統集成優(yōu)化和信息共享，可實(shí)現運行監視、操作與控制、信息分析與智能告警、運行管理和輔助應用等功能，可支持在線(xiàn)分析、智能評估、智能調節、協(xié)同互動(dòng)等高級功能，實(shí)現了設備資產(chǎn)的全生命周期管理，以及設備狀態(tài)從單量檢測到多源全息感知、巡檢模式從人工巡檢向無(wú)人機器巡檢、設備異常由經(jīng)驗判斷向智能化診斷、運行工況由人工推送向主動(dòng)預警、主輔設備監控由站端向遠程等工作模式的轉變。

5.1　設備智能化功能更加完善

設備智能化要求一次設備本身測量數字化、狀態(tài)可視化和通信網(wǎng)絡(luò )化，并集保護測控、狀態(tài)監測、標準信息接口于一體，功能更集成、結構更合理，設備具有自我檢測、就地評估能力。融合了狀態(tài)在線(xiàn)檢測、故障智能診斷功能的一次設備，能及時(shí)準確地判斷故障情況，使設備故障早預警，并給出準確的修復策略。智能化光伏逆變器集電力變換、數據采集、在線(xiàn)分析、遠程控制等功能為一體，模塊化、體積小、功能全，能適應風(fēng)沙、鹽霧、低溫高濕等各種復雜環(huán)境。

5.2　輔助監控的綜合智能化

輔助設備設施的數字化、智能化是實(shí)現智慧化運行的基礎。輔助綜合監控系統有效集成了火災消防控制、環(huán)境監測、空調環(huán)境、照明燈光、箱門(mén)鎖具、安全防范等智能化子系統，可進(jìn)行高度數據融合。該系統基于IEC61850標準，統一配置多個(gè)子系統，統一收集和對外發(fā)布子系統的信息，為智慧化聯(lián)動(dòng)、集控運維提供了基礎支撐。

（1）主輔設備的智能聯(lián)動(dòng)：主輔設備設施全面監控與智能聯(lián)動(dòng)是智慧化建設的核心之一。智能聯(lián)動(dòng)功能涉及的子系統較多，聯(lián)動(dòng)控制策略也比較復雜，如火災消防子系統具有對不同類(lèi)型火災的探測、滅火以及遠程報警功能，其與視頻監控、照明、安防等智能化子系統聯(lián)動(dòng)，可提高工作效率。

（2）智能化安全鎖控：電子鑰匙和鎖具替代了傳統機械鑰匙和鎖具，實(shí)現一匙開(kāi)啟。鎖控器具有開(kāi)鎖權限遠程化控制、開(kāi)鎖流程信息化管理等功能。由一二次設備管控、輔助設備管控、接地線(xiàn)管理等綜合組成的智能安全防誤，可實(shí)現遠程操作授權許可、遠程安全管控等智能化功能，保障了防誤操作業(yè)務(wù)全覆蓋、過(guò)程全管控，大幅提升了安全作業(yè)管控水平和運維效率。依托實(shí)物ID與RFID感知技術(shù)，可快速識別設備，實(shí)現鎖控設備信息互聯(lián)共享、鎖控操作與防誤操作智能聯(lián)動(dòng)。

（3）智能化警衛監控：光伏電站面積大，存在著(zhù)非法入侵、防控壓力大等問(wèn)題。設置安全防護終端及安全警衛平臺，綜合運用紅外對射探測器、電子圍欄、門(mén)禁設備等安全防范技術(shù)設備，可實(shí)現防入侵、防盜竊、防破壞等功能?；赪i-Fi、視頻監控的全覆蓋，可實(shí)現人員的全過(guò)程、全方位、全角度的安全管控。監控主機開(kāi)展設備（外觀(guān)異常、故障類(lèi)型等）、環(huán)境（異物入侵、煙火識別等）、人員（違規進(jìn)入非工作區）的圖像識別，進(jìn)行智能分析、診斷，可及時(shí)發(fā)現異?；蜻`規的作業(yè)行為，并告警提示、矯正。安全管理與視頻監控等子系統的功能綜合，可從全景的視角出發(fā)，發(fā)現潛在的風(fēng)險，及時(shí)制止違規行為，有效提升了安全防護的管控水平。

5.3　智能化的聯(lián)合巡視巡檢

針對光伏電站設備數量多、故障定位難等特點(diǎn)，使用機器人、無(wú)人機等智能設備，實(shí)現電站日常及特殊巡檢的智能化。智能機器人代替人工，完成巡視、檢查等任務(wù)，減少了運維人員的工作量。利用圖像識別等技術(shù)，可及時(shí)發(fā)現設備的故障缺陷及安全隱患。無(wú)人機搭載多光譜相機，對光伏組件進(jìn)行紅外測溫成像，可快速對組件的熱斑、破碎、隱裂等缺陷進(jìn)行檢測，并可對紅外圖像數據進(jìn)行對比分析，精準查找出光伏組件的缺陷，對缺陷類(lèi)型進(jìn)行快速判別；根據相機POS數據和相機模型，解算缺陷的坐標，實(shí)現缺陷定位。智能無(wú)人機的全面排查、定位、跟蹤、記錄功能，大幅提升了光伏組件的巡檢及故障診斷效率。無(wú)人機還可對全站的外景進(jìn)行高清視頻拍攝。遠程智能巡檢降低了安全風(fēng)險。

聯(lián)合巡檢系統運用無(wú)人機巡視、可視化視頻、大數據分析、人工智能診斷等技術(shù)，結合以場(chǎng)景和應用為基礎的“云-管-邊-端”技術(shù)架構，建立智慧化運檢管控一體化。整合多源數據，通過(guò)圖像識別、音頻分析、人工智能技術(shù)，實(shí)現故障隱患的主動(dòng)發(fā)現、主動(dòng)預警；通過(guò)三維可視化技術(shù)結合實(shí)時(shí)音視頻及設備狀態(tài)信息，實(shí)現虛實(shí)結合、立體可視的全景展示。

5.4　基于全景數據的故障診斷

狀態(tài)實(shí)時(shí)監測是光伏電站運維的基礎，它從海量的設備運行數據中篩選出關(guān)鍵的運行數據，進(jìn)行可靠性分析與性能評估，主動(dòng)發(fā)現光伏組串、匯流箱、逆變器的不良運行狀態(tài)；動(dòng)態(tài)監視關(guān)鍵設備的性能變化，通過(guò)對有效發(fā)電小時(shí)數、光伏陣列功率、逆變器發(fā)電效率等關(guān)鍵指標運行分析和評價(jià)，開(kāi)展基于大數據的設備遠程優(yōu)化、故障診斷預警；探索故障預測和事前維護機制，引導運維管理從依靠經(jīng)驗判斷向基于數據分析轉變。多維度的設備運行狀態(tài)數據是性能分析與健康評估的基礎，多源信息融合包括多源信息的檢測估計、關(guān)聯(lián)組合?；谛畔⑷诤系膶?zhuān)家預測系統，能提高狀態(tài)評估的準確性。將智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數據分析等技術(shù)融入光伏電站的運維管理，對關(guān)鍵一次設備和重要保護控制二次設備的運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測及智能化評估分析，并通過(guò)大屏幕顯示、移動(dòng)終端等設備向運行人員展示設備的運行狀況；可視化智能管理及時(shí)給出預警信息和診斷結果，便于運維人員快速定位異常設備，提升了運行、維護、檢修的效率。構建智能化、標準化、多機制融合的多參數監測系統，是光伏電站在線(xiàn)監測技術(shù)的發(fā)展趨勢?；谌皵祿墓收显\斷實(shí)現了被動(dòng)運維方式向智能化主動(dòng)預防的狀態(tài)運維策略跨越，3D可視化技術(shù)還可實(shí)現升壓站的全景監視。

5.5　高級應用功能的智能化

光伏電站的有功無(wú)功智能協(xié)調控制確保在有功調控時(shí)不會(huì )導致電壓異常，避免過(guò)度調節以及調節震蕩；光功率預測及時(shí)預警升壓站的電壓情況，并進(jìn)行電站內的電壓預控，提前調整無(wú)功控制裝置，維持電站電壓的穩定；升壓站與調度主站的雙向互動(dòng)，提高了電站并網(wǎng)的友好程度。

智能化一鍵順控功能，在監控后臺的一鍵執行，就能根據設定的邏輯實(shí)現光伏電站的一系列操作。智能化綜合控制對因變壓器抽頭調整、無(wú)功源投切等工況引起的無(wú)功電壓的波動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤；根據全站無(wú)功電壓的調節要求，綜合考慮變壓器運行方式和SVC的控制策略；將變壓器與電容器組、SVC進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化控制?；赟CADA實(shí)時(shí)數據的變壓器經(jīng)濟運行方式，將經(jīng)濟負荷率引入綜合尋優(yōu)控制之中，智能地給出優(yōu)化控制策略，實(shí)現平抑電壓無(wú)功波動(dòng)，提升了供電質(zhì)量，保證了升壓站的經(jīng)濟運行。

5.6　生產(chǎn)運維管理的智慧化決策

生產(chǎn)運維管理是光伏電站智慧化建設的核心之一，安全運維是全生命周期管理的核心。將信息技術(shù)嵌入生產(chǎn)管理系統，生產(chǎn)運行和運維管理的電子化、移動(dòng)化，減少了運維人員的報表管理、故障處理等工作量。運行管理主要是運行日志管理，通過(guò)定制的運行日志功能模板，實(shí)現運行日志的填報、送審、查詢(xún)，通過(guò)檢索與缺陷處理信息關(guān)聯(lián)，并添加相應的缺陷處理信息；生產(chǎn)指標管理包括發(fā)電量、上網(wǎng)電量、利用小時(shí)數、棄光電量、設備可利用率、故障消缺比率等；缺陷管理有發(fā)現與消除并對相關(guān)缺陷信息進(jìn)行統計分析的能力；設備臺賬管理支持添加、編輯、刪除設備信息，支持查看設備的操作日志、缺陷記錄。運營(yíng)App支持通過(guò)智能手持App，實(shí)現運營(yíng)的全流程跟蹤。運維App能實(shí)時(shí)展示電站的運行狀態(tài)數據及運維信息，加快了故障處理響應度。管理人員可以通過(guò)智能手持App查看電站的生產(chǎn)情況，了解電站的總體運營(yíng)狀況。

6　結語(yǔ)

我們將先進(jìn)的傳感測量、數字信息、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據挖掘等技術(shù)與光伏電站技術(shù)深度融合，開(kāi)展光伏電站數智化、智慧化的技術(shù)研究，探索設備智能化、信息一體化以及大數據增值服務(wù)等方面的應用，全面建設智慧型光伏電站，實(shí)施電站的精益化運維管理，降低了生產(chǎn)運維成本，實(shí)現了光伏電源與電網(wǎng)間的友好互動(dòng)，提高了資源利用效率。

借助數字化、智能化光伏電站平臺，智慧化解決方案提供了面向全流程的運行、維護和管理的一體化手段。智慧化建設是一個(gè)系統、長(cháng)期、動(dòng)態(tài)的過(guò)程，在建設實(shí)踐中要遵守循序漸進(jìn)、技術(shù)成熟、安全可靠的思想，關(guān)鍵是要積極探索大數據、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能、智能穿戴、無(wú)人機器等新型技術(shù)的應用研究，使光伏電站的監控管理從經(jīng)驗分析型逐步向智能智慧型轉變，并以精準控制、精細維護、高效運維為目標，為光伏電站的監控及運營(yíng)維護提供技術(shù)支持和服務(wù)保障，也為現場(chǎng)無(wú)人值守的智慧化遠程集控運維管理模式打下堅實(shí)的基礎。

作者簡(jiǎn)介：

張澤成（1984-），男，山東淄博人，工程師，學(xué)士，現就職于國華（乳山）新能源有限公司，研究方向為電氣工程及其自動(dòng)化。

張宗旭（1988-），男，山東濟南人，工程師，學(xué)士，現就職于國華（乳山）新能源有限公司，研究方向為電氣工程及其自動(dòng)化。

王家坤（1986-），男，山東濟南人，工程師，學(xué)士，現就職于國華（乳山）新能源有限公司，研究方向為新能源數字化、智能化。

卿子龍（1965-），男，湖南邵陽(yáng)人，高級工程師，碩士，現就職于國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，研究方向為電力系統保護、控制、自動(dòng)化系統和發(fā)電過(guò)程自動(dòng)化系統。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年8月刊