CN107124465A - 面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，包括远程数据采集系统的就地采集终端、传输规则和采集服务端的架构步骤；采集服务端IP地址固定，就地采集终端通过配置传输规则与采集服务端进行通信，传输规则采用基于Webservice的传输方法，通过配置传输参数完成正常数据上送、补传数据和对时服务。本发明的方法能够支持超过上千座分布式光伏电站接入，支持上百万个测量点接入，能够全面覆盖一个省/市地区的光伏电站接入，系统传输实时数据时间间隔可根据需要进行设定。该方法所提供的数据采集系统能够为地区电网提供该地区光伏电站所有的实时数据采集服务，为后续的分析、评估数据提供支撑，利于电网全面掌握接入的光伏电站运行特性，优化电网规划设计，提高电网新能源消纳能力。

Description

面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，涉及一种面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法。

背景技术

近年来，我国太阳能光伏发电应用领域取得了迅速的发展，根据公开资料显示，2016年上半年我国新增并网光伏装机容量约为22.5GW，其中仅6月份就新增了约11.3GW。在装机容量迅速增长的同时，集中式光伏电站由于前期爆发式的装机增长，但受制于电网消纳能力限制、土地紧张等因素，其发展空间受到了制约。而分布式光伏因其距离负荷中心近，就地消纳能力好，安装灵活，受土地制约因素小等特点，在“十三五”期间必将取得进一步的发展。

伴随着分布式光伏的快速发展，基于数据分析进行分布式光伏监控、运维、分析等的系统越来越多，进一步指导着分布式光伏更加可靠、经济地运行。分布式光伏受其地域分布广，规模分散，并网点众多等特点的影响，高效、稳定的数据采集系统是分布式光伏系统进行有效数据分析或运维的前提，因此针对数据采集系统的设计尤为重要。

目前，针对大规模、多接入点分布式光伏数据采集主要存在的问题有：分布式光伏电站就地很少安装监控系统、电站运行状况难以获知；电站网络环境较差，外网接入较为困难；光伏电站并网点较多，分布复杂，数据汇集难度大；数据采集传输模型标准性差，解析配置复杂等。因此，针对大规模光伏电站分布式数据接入，数据采集传输系统的高可靠性、容错性、稳定性显得尤为重要。

发明内容

发明目的：

目前现有的光伏电站远程数据采集系统与各个分布式光伏电站之间通信主要采用传统的电力通信规约方式，其数据采集易受到公网连接不稳定的影响，同时还具有数据采集耗费流量大、服务端负载重、设计复杂等缺点，因而由于上述数据采集系统的限制，使得基于数据采集的运维或远程数据中心的数据可靠性、完整性变得较差，影响运维或远程监控系统的正确运行。本发明提出的一种全新的面向大规模接入的远程分布式光伏数据采集系统架构方法，实现高效、可靠地分布式光伏远程数据接入，为光伏电站运行监测、运行评估、资源评估、设备性能评估等功能提供支持，实现大规模分布式接入的光伏电站远程管理，保证数据长期稳定。其主要的特点在于其独特的数据传输模型、配置的灵活性、可扩展性强、数据传输容错能力强、完善的数据缓存补传机制等。

技术方案：

一种面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，其特征在于：

采集服务端IP地址固定，就地采集终端通过配置传输规则与采集服务端进行通信，传输规则采用基于Webservice的传输方法，通过配置传输参数完成正常数据上送、补传数据和对时服务。

就地采集终端将光伏电站内基于“点号+数据”的设备运行信息，转换成为基于JSON的模型数据，模型数据包括电站总体信息模型和发电单元信息模型两个JSON模型。

电站总体信息模型主要描述电站并网点、发电量、环境和发电单元个数数据信息。

发电单元信息模型主要描述发电单元内部变压器、逆变器和汇流箱的数据信息。

通过transactionID的定义来区分不同光伏电站不同就地采集终端传输的模型数据。

就地采集终端通过Internet连接采集服务端传输数据时，当与Internet连接中断时，按照“时间断面点+电站ID+设备ID”的数据标识进行本地存储，待Internet连接恢复后，经外网网络连接后重新传输数据。

就地采集终端正常采集数据时调用正常数据上送服务上传数据；夜晚调用补传数据服务补传白天未能正确传送的数据；正常上送数据的同时，就地采集终端同时调用对时服务使其时间与采集服务端一致。

正常数据上传服务时，就地采集终端响应数据采集终端上传数据的请求，采集服务端校核数据具备完整性时将数据入库，并返回存储成功状态。

补传数据服务时，就地采集终端发送数据补传申请，采集服务端返回对应光伏电站未正确存储数据的时间戳即时间断面，就地采集终端获取补传信息后调用正常数据上传服务上传对应失败时间戳的模型数据。

对时服务用于统一就地采集终端的时间信息：采集服务端响应就地采集终端对时的请求，发送正确的时间信息至就地采集终端，就地采集终端根据返回的时间信息修改本地时间，使时间同步。

发明效果：

本发明提供一种面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法。该架构方法提供的数据采集系统无需与光伏电站进行长连接，只需要在特定的传输时间与数据采集服务端进行连接后传输数据即可，避免长期连接占用带宽。同时基于独特的数据传输机制，可以依靠传输过程中的数据校准和补传机制，保证数据传输的可靠性，并在网络中断的情况下可在其他时段进行数据补传，同时在数据服务端进行负载均衡的模块部署，可保证服务端并发数据响应的要求。在数据传输和存储过程中，均采用基于分布式光伏电站特定层次结构的数据模型，这样可以使在数据传输与存储过程中模型统一，便于整个系统进行扩充和维护，也可便于系统故障排查。

本发明所提供的方法能够支持超过上千座分布式光伏电站接入，支持上百万个测量点接入，能够全面覆盖一个省/市地区的光伏电站接入，系统传输实时数据时间间隔可根据需要进行设定。该方法所提供的数据采集系统能够为地区电网提供该地区光伏电站所有的实时数据采集服务，为后续的分析、评估数据提供支撑，利于电网全面掌握接入的光伏电站运行特性，优化电网规划设计，提高电网新能源消纳能力。

附图说明

图1典型分布式电站拓扑结构图；

图2就地采集终端结构图；

图3数据采集服务端架构图；

图4典型光伏电站拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供的一种面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，主要在光伏电站就地采集终端、数据传输规则和数据采集服务端三方面提出了架构拓扑。

在光伏电站就地采集终端方面，基于嵌入式工控机进行设计，集成3G或4G传输模块，实时采集光伏电站主要设备如环境监测、汇流箱、逆变器、变压器和电表等数据信息，这些信息一般按照“点号加数据”的模式进行采集，针对分布式光伏电站典型的拓扑结构(如图1、图4)，就地采集终端将光伏电站信息组成json数据模型，以特定的层次结构代表光伏电站在某一时间断面内各设备的所有数据。当就地终端与Internet连接中断时，按照“时间断面点+电站ID+设备ID”的数据标识进行本地存储，待Internet连接恢复后，经外网网络连接后重新传输数据。除此之外，就地采集终端根据需要可最长存储两个月对应光伏电站所有的模型数据，模型数据按照数据标识进行存储。按照功能划分，就地采集终端可以分为数据采集模块、数据缓存模块、数据模型生成模块、数据传输模块等四大模块，具体见附图2。

在数据传输规则方面，主要定义了就地采集终端与数据采集服务端之间的数据传输规则。为了保证分布式光伏电站模型数据能够正确地传送至服务端并维持就地采集终端与数据采集服务端之间时间的同步，数据传输规则采用基于SOAP协议的Webservice服务进行设计。传输规则共分为三个部分：正常上传数据服务、补传数据服务和对时服务。正常上传数据服务主要功能为响应数据采集终端上传数据的请求，服务端校核数据的完整性，数据入库，返回存储成功状态等；补传数据服务主要功能为就地终端发送数据补传申请、服务端返回对应光伏电站未正确存储数据的时间戳(时间断面)，就地采集终端获取补传信息之后可调用正常上传数据服务上传对应失败时间戳的模型数据；对时服务主要功能为统一就地采集终端的时间信息：服务端响应数据采集终端对时的请求，发送正确的时间信息至就地采集终端，就地采集终端根据返回的时间信息修改本地时间，保证时间同步，由于数据采集的时间周期一般为分钟级，因此，对时精度为秒级即可，无需采用更加精确的对时方式。

如图3所示，在数据采集服务端，其主要组成部分有：防火墙、VPN服务器、负载均衡服务器、采集服务器(模型解析)、数据库系统等组成。防火墙的主要功能为作为网络安全屏障，防止网络攻击，屏蔽未经许可的服务等。VPN模块主要功能为数据加密(与就地采集终端VPN功能一起保证数据安全)，并可支持就地终端远程调试。

在大量分布式电站接入之后，由于可能存在同一时间段上传数据的光伏电站数量很多，因此需要部署负载均衡服务器，支持多个采集服务器协同工作，防止单个采集服务器服务端负载过重。在收到就地采集终端的正常上送数据请求之后，采集服务器按照传输规则响应就地终端的请求，并进行数据模型解析，根据上传数据对应电站的标识，经数据存储、数据入库功能可将光伏电站数据存入各种关系型数据库和非关系型数据库以便后期查询、计算和分析之用。

(1)就地采集终端实施

根据图2所示的就地采集终端的结构：

1)首先根据光伏电站并网点、气象监测、厂用电、集电线路、箱变、高压测控、逆变器和汇流箱等厂家提供的通信规约，采集上述设备相关运行参数并存储至数据缓存模块中，数据缓存模块中的数据可按照“点号+数据”的方式组织，如点1代表光伏电站“并网点有功”等。

2)根据图4所示的光伏电站典型拓扑结构和数据缓存模块中的已采集设备运行参数，组织光伏电站JSON数据模型。

以一个具有一个并网点，一个环境监测、两个发电单元，每个发电单元下属一个箱变、一台逆变器、每台逆变器下属一台汇流箱，每个汇流箱下属2个组串电流的分布式光伏电站(10kV电压等级)为例，说明光伏电站JSON数据模型。实际光伏电站的具体设备数量可能会与本例有所出入，但模型结构与本例所述相同。

电站总体信息模型：

{"plant":{"plant_id":"1","plant_name":"example","units":["1","2"],"meteo":{"temp":25,"ctemp":21,"winddir":165,"windsp":1,"hgrad":550,"hdrad":400,"hsrad":150},"conn_pts":[{"pwr":400,"re_pwr":100}],"gen":{"gen_grid":1,"gen_total":1}}

上述电站总体信息模型表征了电站的ID、电站名称、发电单元数量与编号、气象信息(环境温度、电池板温度、风向、风速、总辐射、直接辐射和散射辐射)、并网点信息(有功功率、无功功率)、发电量信息(上网电量、总发电量)。

发电单元信息模型：

上述发电单元信息表征了两个发电单元内变压器数据(有功功率、功率因数)、逆变器(编号、有功功率、直流侧电压、直流侧电流、交流侧功率、功率因数、交流电流、总发电量、运行状态)、汇流箱(编号、直流电压，第0路电流、第1路电流等)。

具体JSON字段的含义如表1所示。

表1 json数据含义

如上所述，采用JSON模型描述光伏电站数据模型时，为了避免光伏电站模型层次过多，造成解析复杂，将光伏电站数据模型分解为电站总体信息模型和发电单元模型两部分，总体信息模型主要描述电站并网点、发电量、环境、发电单元个数等数据信息，而发电单元模型主要描述发电单元内部变压器、逆变器、汇流箱等数据信息，如此设计结构清晰，同时复杂程度大大降低。

(2)传输规则配置

就地采集终端与采集服务端依靠特有的传输规则，保证光伏电站模型数据能够正确地从就地采集终端传送至采集服务端。传输规则基于WebService方式进行实施，可以采用基于SOAP协议进行开发，也可采用其他的开发方式。

传输规则以服务端固定IP地址，就地终端进行数据请求获取响应的方式工作。

服务端提供三个服务：正常上送数据服务、补传数据服务和对时服务。就地终端正常采集数据时调用正常上送数据服务上传数据；夜晚调用补传数据服务补传白天未能够正确传送的数据；伴随着正常上送数据同时，就地终端同时调用对时服务保证其时间与服务端一致。

其主要的实施流程为：

1)确定采集服务端的远方固定IP地址和端口号，以便处于任何地方光伏电站所属的就地采集终端均可以正确寻找到采集服务端；

2)正常上送数据传输规则配置

表2 正常上传数据请求参数含义

表2给出了正常上送数据请求时，就地终端需组装发送的参数，这些参数共同决定了每次光伏电站模型数据上传时所需要的信息，以保证模型数据能够正确地被服务端所解析。

对其中进行部分参数进行解释：

transactionId表示本次上传数据请求时的事务ID，其为一个长度为22的字符串。如“2016072215550000150001”，其0～12个字符表示数据生成的时刻，在这里为2016年7月22日15时55分；13～18个字符表示电站ID，用于该电站的唯一身份标识，此处电站ID为15；19～22个字符表示就地终端ID，此处终端ID为1，因一个电站由于地域跨度广，可能存在多个就地采集终端，就地终端的作用是使服务端能够区分一个电站所属不同就地终端。

msgContent即表示本次上传的数据模型的内容，即json数据的内容。

validateInfo为msgContent的长度，用于校验msgContent。

curentFrames为当前帧数，如前所述，一个光伏电站至少存在电站总体信息模型和发电单元信息模型两个msgContent，也即两帧数据，因此curentFrames表示当前数据上传请求发送的是第几帧数据。

其余参数含义可见表2所示。

服务端每次收到上传数据请求之后，经处理，便会返回包含表3的信息。

表3 上传数据返回参数含义

上传数据返回参数主要对上传数据请求处理结果的反馈，表3给出了相关返回参数的含义。

3)补传数据传输规则配置

由于网络等原因，当网络中断时，就地终端将数据保存在本地，在夜晚光伏不发电或网络较为顺畅时，向服务端请求补传数据，首先就地终端应向服务端发送补传请求，请求参数如表4所示。

表4 补传数据请求参数表

其中，补传数据请求参数含义在表中已经明确给出，days参数的含义在此进行解释。days表示申请补传距目前为止的days天数中未正确传送模型数据。如days为3的情况下，即申请补传距当日三日内未能够正确传送的模型数据。

补传请求的返回参数如表5所示。

表5 补传数据返回参数表

解释如下：

当服务端正确处理补传请求时，响应码statusCode为200，其他情况表明服务端处理出现错误，需人工干预。

supplementCount表示days时间内，服务端未正确收到的模型数据事务数量。

supplementList为一个数组，表示days时间内，表示days时间内未正确收到的所有模型数据事务。其中该数组中的每一项为一个长度为22的字符，如“2016072215550000150001”，与正常上送数据时的参数transactionId的含义一样。

就地终端根据supplementList中的每一个数组项，重新调用上传数据请求，将数据重新传送至服务端。

4)对时传输规则配置

为保证就地采集终端与服务端之间时间同步，保证上传数据请求中参数transactionId的时间与采集光伏电站数据的时间一致，需要提供对时的传输接口，其请求与相应分别由表6和表7所示。

表6 对时请求参数表

表7 对时请求响应参数表

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，其特征在于：

采集服务端IP地址固定，就地采集终端通过配置传输规则与采集服务端进行通信，传输规则采用基于Webservice的传输方法，通过配置传输参数完成正常数据上送、补传数据和对时服务。

2.如权利要求1所述的面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，其特征在于：就地采集终端将光伏电站内基于“点号+数据”的设备运行信息，转换成为基于JSON的模型数据，模型数据包括电站总体信息模型和发电单元信息模型两个JSON模型。

3.如权利要求2所述的面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，其特征在于：电站总体信息模型主要描述电站并网点、发电量、环境和发电单元个数数据信息。

4.如权利要求2所述的面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，其特征在于：发电单元信息模型主要描述发电单元内部变压器、逆变器和汇流箱的数据信息。

5.如权利要求1所述的面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，其特征在于：通过transactionID的定义来区分不同光伏电站不同就地采集终端传输的模型数据。

6.如权利要求1所述的面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，其特征在于：就地采集终端通过Internet连接采集服务端传输数据时，当与Internet连接中断时，按照“时间断面点+电站ID+设备ID”的数据标识进行本地存储，待Internet连接恢复后，经外网网络连接后重新传输数据。

7.如权利要求1所述的面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，其特征在于：就地采集终端正常采集数据时调用正常数据上送服务上传数据；夜晚调用补传数据服务补传白天未能正确传送的数据；正常上送数据的同时，就地采集终端同时调用对时服务使其时间与采集服务端一致。

8.如权利要求1所述的面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，其特征在于：正常数据上传服务时，就地采集终端响应数据采集终端上传数据的请求，采集服务端校核数据具备完整性时将数据入库，并返回存储成功状态。

9.如权利要求1所述的面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，其特征在于：补传数据服务时，就地采集终端发送数据补传申请，采集服务端返回对应光伏电站未正确存储数据的时间戳即时间断面，就地采集终端获取补传信息后调用正常数据上传服务上传对应失败时间戳的模型数据。

10.如权利要求1所述的面向大规模接入的分布式光伏远程数据采集系统架构方法，其特征在于：对时服务用于统一就地采集终端的时间信息：采集服务端响应就地采集终端对时的请求，发送正确的时间信息至就地采集终端，就地采集终端根据返回的时间信息修改本地时间，使时间同步。