基于NB-IOT技术的智慧光伏监控管理系统研究

凌平楼 瑜锋 李昌煌 中国铁路上海局集团有限公司浙江铁道发展集团有限公司

随着我国新能源技术的快速发展，作为新能源最为重要的一份子，光伏发电早已不再局限于低电压、小规模，分布式光伏发电技术的突破则进一步允许光伏阵列排列在任何地方。特别是形成规模的光伏发电组，不仅可以自给自足，还可以将余电并入电网，成为分布式电站。而一些新建的高铁车站因为有着广阔的屋面，成为分布式光伏电站的优选之一。因此，打造绿色高铁车站屋面光伏电站，将其作为分布式光伏发电的重要部分受到了广泛的关注。同时，高铁车站建设有庞大的电力参数监控系统，将大大降低额外建设光伏电站电力监控的成本。兼容分布式光伏发电站不仅能够实现电力的自给自足，节能减排，实现碳排放双减，还能够将余电并入电网。但是在实际光伏发电并网的过程中，发电信息及环境参数复杂，需要通过实时的监测来控制并网电压的状态，以保证电网运行的稳定。然而，传统的有线检测系统受限较大，而新兴的5G建设成本又太高，都不利于高铁车站屋面光伏电站各种环境及电力参数的采集。

NB-IoT作为一种500 MHz至1 GHz频段的窄带通信技术，不仅能够实现大连接、深覆盖和低功耗等优点，还可以基于原有的网络进行部署以降低通信基础设施部署成本。由于NB-IOT是基于蜂窝网络的窄带技术，因此可以实现百倍于4G的连接规模。此外，基于蜂窝技术的NB-IOT技术还可以利用2G/3G/4G甚至是5G网络向前/后兼容/演进，具有很强的互操作性。因此，NB-IoT技术利用大连接、深覆盖、低功耗等优势可以对分布式光伏电站的各类参数实现采集、存储和处理，为建立智慧光伏监控管理系统提供支持。

本文基于NB-IOT技术设计了一种应用在高铁车站屋面的智慧光伏监控管理系统，利用NB_IOT无线采集、数据库存储及前端显示技术提供了高度可视化的实时监控及智能运维管理方案，能够实现对屋面光伏阵列和发电并网点的精准监控与感知预警，采集的数据还可用来预测可能的危害，保证电网和光伏阵列运行的稳定。

1 系统方案设计

1.1 系统总体结构设计

总体结构框图设计如图1所示，系统主要由分布式光伏硅片阵列、基于NB-IOT模组的电力采集系统、云平台数据处理中心和车站监控大屏四个部分组成。总体的设计方案也聚焦于这四个部分，分别为光伏阵列环境参数采集，并网点电能质量数据采集、NB-IOT模组进行双向无线通信以及云平台软件进行数据处理和存储显示。

图1 系统总体结构框图

光伏阵列环境参数采集：通过气象数据采集系统对光伏阵列周围环境参数进行实时监测，包括光伏阵列水平光照度、有效光照度、温度和湿度等。然后将采集到的环境参数通过无线透传方式传输给汇流系统。同时，汇流系统实时监测光伏阵列的电流和电压输出值。

并网点电流和电压状态监测：通过智能电表、干扰监测装置、频率检测装置等采集数据并在线监测电场谐波电压、谐波电流、闪变、电压波动等电能质量参数。

无线NB-IOT通信：将并网点的实时检测数据和汇流系统采集到的光伏阵列的相关参数通过NB-IOT模组传输到云平台中，为新能源接入后电网运行管理提供可靠数据支撑。同时，分布式光伏并网点设置有智能投切、保护装置等，根据控制中心站发出的各项决策指令执行相应投切保护动作。

云平台数据处理：在采集到相关输出后，在云平台进行数据处理，根据并网点所测量得到的电能质量参数计算并预测并入电网后的电能质量，自动调整电网点有功功率变化率，无功功率功率因数及并网点的电压，并能计算得到当前分布式光伏电站的最大发电能力。云平台服务器方面，本文以某高铁站屋面光伏智慧管理规范为模型进行系统开发。平台主要通过采集的多种环境参数和光伏阵列的原始功率对光伏阵列发电功率进行预测和对光伏阵列进行故障诊断，从而实现对光伏阵列的智能运维和调控。

1.2 基于NB-IOT技术的光伏发电监控系统

基于NB-IOT技术的光伏发电信息监控系统以最终的直观展现的功能需求为目的，采取模块化编程方式，构造明确、简单明了。展示界面采用了IOT大屏大数据Web界面，前端使用Vue框架，后端使用MyBatis，系统界面展示通过云端物联网平台接收到的实时监测各信息传感设备上传的分布式光伏发电数据。

用户可以根据需求查询规定时效内的所有分布式光伏传感设备和环境监测传感设备采集到的实时监测数据，并根据定制化需求实现自动预警。同时，可以使用管理当前的设备功能，包括正在运行的传感器管理、控制器管理和监控管理等。此外丰富的Web系统还为用户提供了数据数图计算，从而实现智能化的运维管理功能。

（1）物联网云平台将采集到的数据发送到数据处理中心进行分析和存储，最后通过前端技术将各个分布式光伏组件的实时状态信息以高度可视化的方式显示在大屏上，主要功能包括实时监控发电信息、电站基础信息采集、事件管理、设备运行记录、运行图表分析、日常统计报表、等功能模块，并与能源管理系统进行行数据交互，提供节能分析。

（2）在终端对大屏显示的参数进行调整时，可以立即反馈到光伏组件，实现精准实时的远程控制。

（3）依据收集的某高铁站屋面资料，构建智慧光伏管理系统大屏模型，制作作业区域范围内光伏板组串、逆变器、升压站、配电房等空间及设备等要素层，用于三维可视化大屏的系统操作的基层服务。

（4）基于web 3D技术和javascript的vue框架技术，开发屋面智慧光伏管理系统平台，实现光伏监视可视化大屏、发电数据统计、碳排数据分析、人员管理、视频监视、告警处理、自然气象等业务管理功能。

（5）基于高铁站屋面资料及光伏系统标准规约做发电数据传输对接，可实现实时录存所有的发电设备数据功能。

（6）实现屋面光伏系统智能运维管理。对运维人员、设备信息进行智能化管理，实现故障报修、设备巡检、状态管理、数据智能分析及统计报表。

1.3 系统功能

1.3.1 数据采集与处理

数据采集范围包括模拟量、开关量、电能量和来自智能装置的记录数据等。模拟量包括环境参数（如日照强度、风速、风向、气温等）、交直流电气参数（如电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等）；开关量包括直流开关、交流断路器、隔离开关、接地开关的位置信号，设备投切状态，低压交直流保护装置和安全装置和安全自动装置动作及报警信号等，电能量包括各种方式采集到的交直流有功电量和交流无功电量数据，通过数据处理实现累加等计算功能。在数据处理的基础上定期存储需保存的历史数据和运行报表数据，实时存储最近发生的事件数据。

1.3.2 预警与事件记录

光伏发电监控系统能对遥测越限、遥信变位、动作故障信号、操作事件等被监控设备信号，以及监控系统本身的软硬件、通信接口和网络故障信号等事件进行有效的报警；同时还能够实现对事件的分类、分层处理，便于按要素查询和检索。

1.3.3 运维与安防监控

运行监控工作站是发电站监控系统与运行人员联系的主要界面，现场设备就地控制是应急情况下的备用界面，运维人员通过监控工作站发出控制操作命令；回看历史数据、修改系统参数及制作报表、确认预警等。

运行监控功能包括，全站实时生产统计数据、环境参数、电气主接线图与参数、设备通讯联络与工况、设备参数、并网点参数、电能质量监测、历史发电趋势分析、发电预测图等。

运行监控可控制操作对象包括:直流开关、交流侧断路器、隔离开关、电动操作接地开关、站用变压器分接头位置、容抗器投退、保护装置软连接片投退、逆变器参数设定、充放电控制装置参数设定等。

光伏电站应配置视频监控和安防系统，在光伏阵列场地周边根据场地大小应配置带云台控制摄像头，在设备室应配置个固定摄像头，在主控室和设备室呈现烟感等安防设备实时状态；在主控室配置视频监控工作站。

1.3.4 数据分析与预测

光伏发电监控系统能够实时监测输入电网或向交流负载提供的交流电能的质量，当电压偏差、频率、谐波和功率因数等出现偏离标准的越限情况时，系统能自动预警。

（1）能量管理与预测

通过表格和趋势曲线，光伏发电监控系统能够按日、月和年来对比分析历史与当前发电情况。监控系统能根据系统日照强度、发电效率、负荷趋势,实时预测特定时段的发电功率总和。

（2）在线统计与制表

光伏发电监控系统可以对运行的各种常规参数进行统计计算,还能够对发电站主要设备的运行状况进行统计计算，包括断路器正常操作及事故跳闸次数、容抗器投退次数等。

（3）系统维护

光伏发电监控系统能对数据库进行在线维护，增加、删除和修改各数据项，并能离线对数据库进行独立维护，重新生成数据库并具备合理的初始化值。

2 系统测试与实现

本文是在某高铁车站已有的BAS系统基础上集成设计了一个基于NB-IOT技术的分布式光伏监控管理系统，其中云端物联网服务平台采用B/S架构，提供气象站温湿度、光照强度等信息监控，分布式光伏阵列的相关参数以及并网点的电能质量检测。为了满足这样的客户需求，适应铁路内部应用，本文在进行软件开发时所采用的技术栈如表1所示。

表1 软件技术栈列表

所采集到的环境参数信息和电网状态可以实时显示在监控页面上，让客户可以快速准确地应对光伏发电并入电网所带来的电能质量变化。

系统工作界面如图2所示，监控系统提供基于建筑信息模型BIM的选择画面功能，并对光伏阵列现场环境采集到的数据进行实时可视化显示，如室外温度值、湿度百分比、光照度及阵列表面温度值等。而进入不同的功能界面将会细化各项可视化数据，主要有汇流界面，环境界面，逆变器界面和事件界面。

图2 系统工作主界面图

（1）汇流监测系统画面

如图3（a）所示，汇流监测子系统可分区域实时监测各光伏阵列的充电电压及电流、蓄电池电压及温度等信息，并对故障点进行异常显示与报警提示。

图3 各模块可视化界面图

（2）环境监测系统画面

如图3（b）所示，环境检测子系统可以对光伏发电现场环境进行实时监测，如实时视频环境、辐照、风向、电池板温度、大气压力、温度、风速和碳排放CO2等。同时对实时监测的参数进行量化并显示。

（3）逆变器监测画面

如图3（c）所示，逆变器检测子系统可绘制显示逆变器电压一时间曲线、功率一时间曲线等，直流侧输入电流实时曲线、交流侧逆变输出电流曲线，并采集与显示日发电量等电参量。

（4）事件记录监测画面

如图3（d）所示，事件记录子系统可针对光伏发电现场的各种事件进行记录，如:通讯采集异常、开关变位、操作记录等，时间记录支持按类型查询，并可对越限报警进行更改设置。

（5）曲线、棒图分析

另外，监控系统还提供对光伏发电的发电量统计功能，可形成月棒图及年度棒图显示，并折算成二氧化碳、二氧化硫减排量值；并可查看太阳辐射强度趋势曲线、风速变化趋势曲线显示。

3 结束语

综上所述，分布式光伏发电不仅可以满足本地的需求，还能余电上网，这给高铁车站实现绿色可持续发展提供了可能。而智慧化、高度可视化的监控系统则保障了智慧光伏和并网点的稳定运行，本文基于NB-IOT技术实现的智慧光伏监控管理系统提供了精准智能的可视化环境和完备的预警运维方案，大大提高了高铁车站与屋面光伏阵列的运行效率，在实际应用中取得了成效。