CN111461567A - 基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统 - Google Patents

基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,包括感知层、网络层、平台层和应用层,以事件、任务和目标为驱动进行感知、网络和应用各个层面的协同工作,系统具备分布式、跨层次、自学习的协同处理能力,提供智能、精确的多元化信息服务,通过将海量信息进行聚合,可以产生出新的有应用价值的信息,引发新的应用和服务模式。本发明使分布式新能源在统一平台管理之下,减少因分布式电源接入造成检修事故。

Description

基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统
技术领域
本发明属于新能源管理技术领域,具体涉及基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统。
背景技术
截至2018年底,全国光伏发电装机达到1.74亿千瓦,较上年新增4426万千瓦,同比增长34%。其中,集中式电站12384万千瓦,较上年新增2330万千瓦,同比增长23%;分布式光伏5061万千瓦,较上年新增2096万千瓦,同比增长71%。随着分布式光伏的这种爆发式增长,给传统电力系统的运行管理带来了诸多冲击与挑战,国家电网公司亟需对海量的分布式发电设备进行统一调控和管理。
分布式数量巨大,对省调及以上系统,分布式光伏无序分布于各地,由于新能源发电设备厂家众多,缺乏统一的标准,数据海量、冗余数据过多,不同的存储、通信方式,又加剧了调度系统对光伏发电信息收集的困难性。目前,分布式新能源监控方案大多是光伏、储能、变流等设备接入通信管理机,通过规约转换将本地信号转发给协调控制器。通信媒介多采用成本和维护成本较高的光纤或者硬电缆铺设。二次设备功能单一,无法实现一体化和智能化,与监控系统互动不够。通信方式比较死板,改造成本较高,结构不够灵活,对于海量的小容量分布式新能源不可能全部采用有线信息采集。
发明内容
本发明的目的是提供基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,对大范围内分布式光伏发电进入有序化监测和管理,协调调度系统平稳运行,有效地促进以光伏发电为代表的分布式发电的应用,使其与大电网运行得到和谐的并行发展。
本发明提供了如下的技术方案:
基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,包括感知层、网络层、平台层和应用层,以事件、任务和目标为驱动进行感知、网络和应用各个层面的协同工作,提供智能、精确的多元化信息服务;
感知层利用传感器与智能终端技术、通过汇聚节点及接入节点实现光伏电站各类信息的全面接入与边缘计算;网络层通过光纤网、电力无线专网,实现数据的安全、高效传输;平台层,构建光伏电站设备物联管理系统,实现数据的高效共享;应用层,利用大数据分析、人工智能等技术,实现光伏电站无人值班和远程运维、发电效率评估、设备智能诊断和预警和经营分析决策,实现光伏发电业务的智能化管理。
优选的,所述边缘计算技术对传感、智能设备、智能终端的多重数据进行就地处理与分析,所述终端通信接入网用到的通信技术包括2G、3G、4G、5G、PLC、WiFi、蓝牙、LoRa、NB-LoT和MESH。
优选的,所述发电效率评估为通过光伏电站智能终端对发电设备的运行状态进行实时监测,在气象仪上获得光照、温湿度等数据,根据建立的仿真模型可对电站效率、系统性能、发电量、等效利用小时数进行评估,给经营分析提供决策依据,电站可通过发电效率评估结果和仿真模型对比的方式给出光伏组件的最佳清洗时间。
优选的,所述设备智能诊断和预警为通过完善光伏电站发电设备监控终端的智能化水平,提供发电设备的历史运行状态、故障记录等信息,在运维云平台建立相应评估模型,通过大数据分析方法对设备主要部件进行故障预测分析,根据实际设备运行时表现出的征兆,分为正常状态和故障状态,同时对设备易发故障点和老化趋势作出评价,自动生成有针对性的预防性维修计划。
优选的,所述智能化管理还包括光伏电站组件清扫和热斑检测系统,光伏组件清洁和维护机器人,定时或按指令清扫光伏板表面的风沙和灰尘,检测光伏板表面的局部遮蔽,通过采用无线通讯技术,采用星型拓扑结构,将无线基站布置在逆变小室内,依靠较强的无线信号实现远距离传输,信号直接覆盖到完整的光伏阵列,从而实现清扫机器人管理和维护系统的基本通讯架构。
优选的,所述智能化管理实现清洁机器人的监测、控制和维护管理,监测数据主要包括光照度、温湿度、速度、位置、自给电源电量和自检信息,控制数据主要是用于操作机器人的控制命令;维护管理数据包括清扫计划、光伏组件表面温度以及扫描数据。
优选的,所述智能化管理还包括光伏电站气象数据服务,光伏电站所采气象信息通过感知层的边缘网关设备上网,为气象部门或其他需要的单位提供当地气象信息。
优选的,系统通过提升发电监控终端的智能化水平,使得电网可对光伏逆变器等关键发电设备实现全息感知和全景监控,光伏电站内设高级边缘控制器,融合AGC、AVC、一次快速调频和安全稳定控制,为电网安全运行提供支撑。
本发明的有益效果是:本发明针对分布式光伏发电状况不一致、分布式光伏调控与运营系统无明确架构、通信协议各异、通信接口不一等问题,从”云、管、端”着手建立统一的大规模分布式光伏物联网架构,统一分布式光伏数据接口,使省一级范围内分布式光伏发电得到充分的监测和发电预测,对大范围内分布式光伏发电进入有序化监测和管理,协调调度系统平稳运行,有效地促进以光伏发电为代表的分布式发电的应用,使其与大电网运行得到和谐的并行发展。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是本发明结构示意图;
图2是本发明分布式发电的物联架构示意图。
具体实施方式
如图1所示,基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,利用电力物联网技术融合通信、信息、传感、自动化等技术,通过将分布于多区域的、利用多种感知技术手段所采用的信息汇聚到业务应用系统,集中进行信息处理与共享,并提供信息应用服务。系统包括感知层、网络层、平台层和应用层,以事件、任务和目标为驱动进行感知、网络和应用各个层面的协同工作,系统具备分布式、跨层次、自学习的协同处理能力,可以提供智能、精确的多元化信息服务,通过将海量信息进行聚合,可以产生出新的有应用价值的信息,引发新的应用和服务模式。集中运行数据中心层,建设在集团总部的集中运行数据中心,是各电站统一生产运营监管中心。该集中运行数据中心,一方面可接收并处理来自旗下各电站上传的所有运行数据,以数据中心方式实现信息总集成,远程实时监测下属所有光伏电站的主要设备运行情况,并对各电站的运行数据进行综合统计分析,为公司以及各电站决策提供数据支持;另一方面可根据用户需求向指定的地方提供数据接口,实现数据无缝对接,减少人工上报数据的工作量,降低误报、错报、漏报概率,提高工作效率。
在软件上,采用电网、电源分层部署方式,在电网侧建设分布式电站监控管理中心,在分布式电站监控管理中心布置云端服务器、数据库、Web服务器和维护服务器,设计调度监控模块(运行监控模块、实时告警模块、统计分析模块)、调度管理模块(功率预测模块、保护管理模块、电量采集模块)、运维管理模块(运行管理模块、检修管理模块、诊断分析模块)。在电源侧建设分布式电站边缘网关协调控制装置,完成分布式电站监控管理系统所需的数据采集和控制策略的执行。
具体的,终端设备是指能够对本体对象状态进行测量、感知,并具有数据处理、通信、人机交互等功能的设备,在系统架构中通常为末端节点。在感知层充分利用传感器与智能终端技术、通过汇聚节点及接入节点实现光伏电站各类信息的全面接入与边缘计算;在网络层通过光纤网、电力无线专网等方式,实现数据的安全、高效传输;在平台层,构建光伏电站设备物联管理系统,实现数据的高效共享。在应用层,充分利用大数据分析、人工智能等技术,实现光伏电站无人值班和远程运维、发电效率评估、设备智能诊断和预警、经营分析决策等功能,实现光伏发电业务的智能化管理。
边缘计算技术对传感、智能设备、智能终端的多重数据进行就地处理与分析,就近提供边缘智能、敏捷联接、实时断决、数据优化、安全保护、提高数据传输与处理效率,以满足电网中设备及用户的快速响应需求,为智能调度、主动配电网、配电物联网等应用提供支撑。边缘计算所部署的硬件载体可分为器件级边缘计算、终端级边缘计算和网关级边缘计算三类:(1)器件级如振动声纹传感器,进行小波分析、快速傅里叶变换、滤波等本地信号处理;(2)终端级如智能AI摄像头,基于轻量级深度学习算法就地实现图像识别/目标检测;(3)网关级如集中器,完成数据汇聚、清洗、分析、加密、上传等,基于虚拟容器可承载多种APP应用。
移动电力物联网终端通信接入网用到的通信技术有:2G/3G/4G(5G)、PLC、WiFi、蓝牙、LoRa、NB-LoT、MESH等,其优缺点如下:电力载波(PLC):通道建设投资相对较低,适合不便于布设光缆、布置无线基站等场合,但传输频带受限,传输容量相对较小,中压电力线路噪声大、线路阻抗变化大、线路衰减大且具有时变性等特点影响通信质量;光纤专网(EPON、工业以太网等):提供双向高带宽、远距离、广覆盖通信网络,具有抗电磁干扰性能好、安全性高等优点,但网络布线成本高;无线公网(GPRS、4G):无线公网建设投资小、应用范围广、网络组建灵活方便,但无线公网是第三方运行维护的公共网络,通讯按照数据流量收费,个别偏远地区尚未开通相关通讯业务;230MHz无线专网:独占资源安全,点对点实时通信,但覆盖范围小,但传播路径中易受高层建筑物的阻挡,节点容量有限;LoRa:节点功耗低,网络结构简单,运行维护成本低。非授权频段470-518MHz,需要大量通讯基站,一般在城市中无线距离范围是1~2公里,在郊区无线距离最高可达20km,通讯质量较高;NB-IoT:节点功耗低,授权频段800-900MHz,NB-IoT室内环境的信号覆盖相对要好,NB-IoT的通信距离一般是15km,通讯质量高;MESH:是一种“多跳(multi-hop)”网络,是解决“最后一公里”问题的关键技术,具有快速部署、易于安装、结构灵活等特点,但存在通信延迟及安全问题。为保证网络设备的业务处理能力具备冗余空间,满足业务高峰期需要,可设计采用移动、联通等双线接入,互为备份;重要网段在网络边界处添加防火墙设备。网络边界处采用入侵检测和防火墙产品监视攻击行为,包括端口扫描、强力攻击、木马后门攻击、IP碎片攻击和网络蠕虫攻击等;当检测到攻击行为时,记录攻击源IP、攻击类型、攻击时间,在发生严重入侵事件时产生报警。
通过本系统可实施:
1、光伏电站发电效率评估和组件清扫预警:通过光伏电站智能终端对发电设备的运行状态进行实时监测,在气象仪上获得光照、温湿度等数据,根据建立的仿真模型可对电站效率、系统性能、发电量、等效利用小时数进行评估,给经营分析提供决策依据。在光伏发电中组件污秽损失可达4%,组件不清洗将造成电量损失,洗过频繁的清洗从经济性上不合算。电站可通过发电效率评估结果和仿真模型对比的方式给出光伏组件的最佳清洗时间;
2、光伏电站发电设备智能诊断和预测:通过完善光伏电站发电设备监控终端的智能化水平,可提供发电设备的历史运行状态、故障记录等信息,在运维云平台建立相应评估模型,通过大数据分析方法对设备主要部件进行故障预测分析,可根据实际设备运行时表现出的征兆,分为正常状态和故障状态。同时对设备易发故障点和老化趋势作出评价,自动生成有针对性的预防性维修计划;
3、光伏电站组件清扫和热斑检测系统:光伏组件清洁和维护机器人,可定时或按指令清扫光伏板表面的风沙和灰尘,提高发电效率,还可以检测光伏板表面的局部遮蔽,避免热斑效应,延长光伏组件的寿命。通过采用成熟可靠的无线通讯技术,采用星型拓扑结构,将无线基站布置在逆变小室内,依靠较强的无线信号实现远距离传输,信号可直接覆盖到完整的光伏阵列,从而实现清扫机器人管理和维护系统的基本通讯架构。
系统可实现清洁机器人的监测、控制和维护管理功能。监测数据主要包括光照度、温湿度、速度、位置、自给电源电量、自检信息等;控制数据主要是用于操作机器人的控制命令;其他一些特定数据如清扫计划、光伏组件表面温度以及扫描数据等;
4、光伏电站气象数据服务:光伏电站通常所处位置偏僻,气象部门很可能未采集当地气象信息。光伏电站所采气象信息可以通过边缘网关设备上网,为气象部门或其他需要的单位提供当地气象信息;
5、保障电网安全和促进光伏发电消纳:通过提升发电监控终端的智能化水平,使得电网可对光伏逆变器等关键发电设备实现全息感知和全景监控。光伏电站内设高级边缘控制器,融合AGC、AVC、一次快速调频、安全稳定控制等高级功能,即满足电网并网友好型要求,也为电网安全运行提供支撑。通过提高环境气象监测终端、关键发电的智能化管控水平,不断提高光伏发电功率预测的前瞻度和准确度,促进光伏发电最大限度消纳,提升发电企业的投资利益,同时为将来电力市场改革做好技术准备。使分布式新能源在统一平台管理之下,减少因分布式电源接入造成检修事故,并形成标准,为需要接入平台系统分布式电源提供接入标准。
如图2所示,在分布式发电中,分布式发电终端通过4G/5G方式采集区域内分布式发电组件信息(组件污秽程度、组件损坏情况等)、逆变器状态(逆变器的告警信息、输出功率等)以及当地天气预报信息等,并就地采集接入点的电压、电流电气量,实现分布式发电系统的智能运维。终端将收集的信息融合裁剪,避免大量冗余信息对控制网络产生影响,并能减轻上层系统的通信负担。并同调度系统、接入变电站监控系统、相邻分布式光伏终端以及区域范围内的继电保护装置信息共享,实现快速准确的切除非计划性孤岛,并能有效抑制分布式发电接入对地区电网继电保护的影响,实现清洁能源毫秒级控制,并积极参与电网故障恢复和集群控制,实现虚拟电厂、远程运维、线下线上协同服务管理控制等功能,充分提高清洁能源接纳能力,形成集全景监控、智能调度、网络化保护于一体的分布式发电感知系统。
具体的,为了保证电网的安全稳定运行,分布式光伏电站的并网点按要求需要加装继电保护及安全自动化装置、规约转换装置、测控终端、计量终端、调度通道设备、远动装置等设备,用户投资较大。随着电子技术、无线通讯技术、电力物联技术的进步,现阶段已经具备将上述终端设备进行功能上的集成。通过高集成度、模块化设计从而达到降低设备制造成本,设计出低成本的采集装置。随着无线通讯技术及网络安防技术的发展,在保证电网信息、数据安全的前提下,目前已经具备使用电力无线专网代替传统光纤通讯网络的可能,从而打造出低成本的通讯方案。通过研究和使用高集成模块化低成本采集与通讯技术,设计出用户低压分布式光伏并网的智能一体化并网箱,将断路器、采集终端、传输终端、测控单元、规约转换模块、继保设备及安全自动化设备集成为一个终端,甚至将电网关心的数据从采集到传输集成到模块级、芯片级,预制到分布式光伏能量转换的核心设备中,从而达到降低用户资金成本,增强推广性。
本发明可根据多级优化控制与调度需求,建立分布式光伏并网数据清洗与挖掘体系。分布式光伏并网数据清洗与挖掘体系具备实用性、直观性、可靠性和可维护性四大特性。基于分布式光伏并网数据清洗与挖掘体系,对海量分布式光伏并网数据进行统计、分析计算,确保系统具备足够的灵活性与扩展能力,能够根据应用需求,方便地扩展设备容量和提升设备性能,具备支持多种组件模块、多种接口的能力,具备技术升级、设备更新的灵活性,具备支持业务功能的扩展与重构的灵活性。继而开展大数据综合分析算法设计、基于并行框架的统计及挖掘算法等关键技术研究。最后数据统计数据挖掘结果,并可视化展示。
本发明新能源分布式监控系统平台,通过基于容器的弹性伸缩垂直扩展的微服务集群架构,把需求变化的影响面控制在很小的范围内,使业务变更所带来的影响最小,抽象业务服务,以微服务形式提供,实现服务热拔插,热部署,实现弹性伸缩垂直扩展的微服务集群架构的设计目的。通过此技术可以有效解决大型平台系统构架复杂,系统扩展难,硬件设备需要一次性布置等问题。在实时通讯采集细粒度发电数据的基础上,深入挖掘数据价值,以实现海量分布式新能源发电行为在线分析和融合应用为总目标,研究海量分布式新能源分析和数据融合技术,实现发电规律分析、发电预测、电源分类和聚类、大数据辅助决策等高级应用。
本发明通过分布式新能源发电技术与最新的电力物联网技术的研究与融合,从”云、边、端、管”着手,构建统一的海量分布式光伏物联网,统一分布式光伏数据接口,利用数据挖掘和图形分析工具,结合专业的分析策略,规范新能源的并网和运行,研究出一种适用于低压并网分布式光伏电站极低成本电网监管方案,使省、市级供电公司管辖范围内分布式光伏发电得到全面的监管和实用的调控。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,其特征在于,包括感知层、网络层、平台层和应用层,以事件、任务和目标为驱动进行感知、网络和应用各个层面的协同工作,提供智能、精确的多元化信息服务;
感知层利用传感器与智能终端技术、通过汇聚节点及接入节点实现光伏电站各类信息的全面接入与边缘计算;网络层通过光纤网、电力无线专网,实现数据的安全、高效传输;平台层,构建光伏电站设备物联管理系统,实现数据的高效共享;应用层,利用大数据分析、人工智能等技术,实现光伏电站无人值班和远程运维、发电效率评估、设备智能诊断和预警和经营分析决策,实现光伏发电业务的智能化管理。
2.根据权利要求1所述的基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,其特征在于,所述边缘计算技术对传感、智能设备、智能终端的多重数据进行就地处理与分析,所述终端通信接入网用到的通信技术包括2G、3G、4G、5G、PLC、WiFi、蓝牙、LoRa、NB-LoT和MESH。
3.根据权利要求1所述的基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,其特征在于,所述发电效率评估为通过光伏电站智能终端对发电设备的运行状态进行实时监测,在气象仪上获得光照、温湿度等数据,根据建立的仿真模型可对电站效率、系统性能、发电量、等效利用小时数进行评估,给经营分析提供决策依据,电站可通过发电效率评估结果和仿真模型对比的方式给出光伏组件的最佳清洗时间。
4.根据权利要求1所述的基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,其特征在于,所述设备智能诊断和预警为通过完善光伏电站发电设备监控终端的智能化水平,提供发电设备的历史运行状态、故障记录等信息,在运维云平台建立相应评估模型,通过大数据分析方法对设备主要部件进行故障预测分析,根据实际设备运行时表现出的征兆,分为正常状态和故障状态,同时对设备易发故障点和老化趋势作出评价,自动生成有针对性的预防性维修计划。
5.根据权利要求1所述的基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,其特征在于,所述智能化管理还包括光伏电站组件清扫和热斑检测系统,光伏组件清洁和维护机器人,定时或按指令清扫光伏板表面的风沙和灰尘,检测光伏板表面的局部遮蔽,通过采用无线通讯技术,采用星型拓扑结构,将无线基站布置在逆变小室内,依靠较强的无线信号实现远距离传输,信号直接覆盖到完整的光伏阵列,从而实现清扫机器人管理和维护系统的基本通讯架构。
6.根据权利要求5所述的基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,其特征在于,所述智能化管理实现清洁机器人的监测、控制和维护管理,监测数据主要包括光照度、温湿度、速度、位置、自给电源电量和自检信息,控制数据主要是用于操作机器人的控制命令;维护管理数据包括清扫计划、光伏组件表面温度以及扫描数据。
7.根据权利要求1所述的基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,其特征在于,所述智能化管理还包括光伏电站气象数据服务,光伏电站所采气象信息通过感知层的边缘网关设备上网,为气象部门或其他需要的单位提供当地气象信息。
8.根据权利要求1所述的基于移动物联网的海量分布式新能源低成本管理系统,其特征在于,系统通过提升发电监控终端的智能化水平,使得电网可对光伏逆变器等关键发电设备实现全息感知和全景监控,光伏电站内设高级边缘控制器,融合AGC、AVC、一次快速调频和安全稳定控制,为电网安全运行提供支撑。
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