趙曉菲
(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 甘肅 蘭州 730060)
泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是一種整合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和先進(jìn)通信技術(shù)的具備狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用、便捷、靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng),是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的主流[1]。目前我國國家電網(wǎng)公司已經(jīng)開始了全面的電力系統(tǒng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)工作部署,計劃到2024年建成泛在電力物聯(lián)網(wǎng),構(gòu)建業(yè)務(wù)協(xié)同、數(shù)據(jù)貫通和統(tǒng)一物聯(lián)管理的公司級智慧能源綜合服務(wù)平臺,全面形成共建共治共享的能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈[2]。
分布式光伏電站作為我國電力能源系統(tǒng)的重要組成部分,在整個電力系統(tǒng)中有著不可替代的作用[3]。隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的全面應(yīng)用和對電力系統(tǒng)的重構(gòu),在分布式光伏電站中也必須具備全息感知的監(jiān)測系統(tǒng),并接入到國家電網(wǎng)的智慧能源綜合服務(wù)平臺,才能有效地融入到國家能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈,發(fā)揮其作用和價值[4]。目前研究工作者針對系統(tǒng)架構(gòu)和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計兩個方面開展理論和應(yīng)用研究,取得了一些成果,如肖振鋒等[5]就從系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)整合上應(yīng)用先進(jìn)的通信架構(gòu)模型來提升分布式光伏發(fā)電站,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;陳麒宇[6]對網(wǎng)絡(luò)的底層技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)在光伏電站監(jiān)測終端運(yùn)行高性能的分布式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型;Liu JC等[7]通過采用AI搜索算法對底層的協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化,提高了路由節(jié)點(diǎn)處理的穩(wěn)定性和速度,但是對設(shè)備的硬件性能要求提高。從這些研究來看,大部分是集中在算法優(yōu)化和系統(tǒng)的改進(jìn)上,很少專門針對電力設(shè)備信息通信傳輸過程中的信息交換服務(wù)模型開展研究。而從并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來看,系統(tǒng)對設(shè)備端狀態(tài)監(jiān)測的有效性和可靠性,直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的決策,而這些通過簡單的算法優(yōu)化和速度優(yōu)化是無法解決的,必須構(gòu)建可靠的適合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的信息模型,從事件信息監(jiān)測、事件記錄有效追蹤、上報機(jī)制等多個維度來進(jìn)行可靠的設(shè)計,是實(shí)現(xiàn)基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集和可靠通信交互的基礎(chǔ),在這方面開展相關(guān)研究工作非常必要,是解決未來光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)對設(shè)備信息可靠、穩(wěn)定監(jiān)控的關(guān)鍵。
在上述背景下,本文以分布式光伏電站設(shè)備狀態(tài)信息可靠監(jiān)測技術(shù)為研究對象,對其中涉及的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的通信交互的可靠性和互操作性開展深入研究。
如圖1所示,基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計上通常采用分層架構(gòu)模式進(jìn)行設(shè)計,從數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)上將系統(tǒng)分為3個層,每個層有對應(yīng)的子系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理相關(guān)的工作,其中第1層是分布式光伏系統(tǒng),負(fù)責(zé)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)上設(shè)備在光伏電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)請求的產(chǎn)生;第2層是接入計算層,負(fù)責(zé)邊緣計算設(shè)備通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和傳輸及計算;第3層是用戶需求層,負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)用戶網(wǎng)絡(luò)需求的產(chǎn)生。
在上述架構(gòu)下,分布式光伏系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)計算單元主要由3部分組成:物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備目錄,負(fù)責(zé)站內(nèi)范圍的界定和設(shè)備的管理;設(shè)備數(shù)據(jù),所有站內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù);設(shè)備計算過程,包含設(shè)備要有組件與Arduino服務(wù)器相互關(guān)聯(lián),其被部署在整個泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的第二層,為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智慧化服務(wù)及管理平臺提供數(shù)據(jù)接入和通信交互,實(shí)現(xiàn)對光伏電站的集中監(jiān)控和管理。
隨著分布式光伏系統(tǒng)智能化程度的提升,對光伏發(fā)電板組件的監(jiān)測與控制力度不斷加強(qiáng),發(fā)電板組件管理系統(tǒng)(SPMS)隨之應(yīng)運(yùn)而生。在光伏發(fā)電板組件監(jiān)測中,其中發(fā)電板的輸出的電荷狀態(tài)是其中一個重要監(jiān)測數(shù)據(jù),其是整個SPMS監(jiān)測系統(tǒng)在進(jìn)行光伏發(fā)電板組件監(jiān)測中的數(shù)據(jù)處理核心,通過該參數(shù)進(jìn)行估計和計算光伏發(fā)電板的組件壽命,對光伏發(fā)電板組件壽命進(jìn)行預(yù)測,以及時發(fā)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中老化和故障的發(fā)電板組件。在計算中,通常是通過如下理論模型來計算光伏發(fā)電板壽命系數(shù):
上述理論模型,其各個參數(shù)含義如下:VMIN-表示的是光伏發(fā)電板組件輸出的最小電壓,無光照的時候的電壓;VAVE-表示的是光伏發(fā)電板在飽和光照情況下的輸出胡的平均電壓;L-表示的是光伏發(fā)電板組件在并網(wǎng)輸電的過程總的超負(fù)載次數(shù);LMax-表示的是光伏發(fā)電板組件工作的最大超負(fù)載次數(shù);CM-表示的是光伏發(fā)電板組件當(dāng)前輸出電量預(yù)期值;CN-表示的是當(dāng)前光伏發(fā)電板組件在飽和日照的情況下額定輸出電量。
本文提出的光伏發(fā)電板壽命狀態(tài)預(yù)測方法,即在光伏發(fā)電板組件工作的過程中,預(yù)測上述理論模型中的L和CM。
在監(jiān)測的過程中,利用最近5次在光照飽和的情況下工作的過程中,光伏發(fā)電板組件并網(wǎng)接入過程中的輸出的平均電量,和廠商在出廠檢測的過程中對該類型的光伏發(fā)電板組件進(jìn)行測試的過程中,記錄的飽和光照情況下的連續(xù)5次的光伏發(fā)電板的電量,進(jìn)行差值處理,計算得到光伏發(fā)電板的壽命狀態(tài)。
利用最近5次在光照飽和情況下,光伏發(fā)電板的輸出平均電量(光伏發(fā)電板輸出容量值)與該類型出廠時的光伏發(fā)電板光電及輸出電量曲線中,任意連續(xù)5次的光伏發(fā)電板電量求差、平方,再求5次平方和的均方,均方最小的即為所求,從而得出光伏發(fā)電板組件所處的壽命狀態(tài)。
光伏發(fā)電板壽命狀態(tài)預(yù)測算法,使用的數(shù)據(jù)有預(yù)存平均輸出電量C、當(dāng)?shù)厝照粘渥銜r平均電量Q和并網(wǎng)接入過程中的循環(huán)地接入輸電次數(shù)L,三者之間的關(guān)系描述見表1。
表1 預(yù)測光伏發(fā)電板壽命狀態(tài)的數(shù)據(jù)關(guān)系
基于上述數(shù)據(jù)和SPMS客戶端數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的光伏發(fā)電板出廠時的電量輸出的特性數(shù)據(jù),可以通過如下數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行壽命預(yù)測分析和計算:
在上述模型中,各個參數(shù)的含義如下:k-k∈[1,LMAX-5];Yk-光伏發(fā)電板組件命系數(shù)較不同k值對應(yīng)的Yk值;Qn-為發(fā)電板的實(shí)際的輸出電能值。
通過對光伏發(fā)電板壽命狀態(tài)監(jiān)測原理分析,可知在監(jiān)測的過程中,系統(tǒng)需要實(shí)時準(zhǔn)確地上報光伏發(fā)電板壽命狀態(tài)事件,并且要確保事件在上報的過程中的同步。所有的事件必須以嚴(yán)格的時序進(jìn)行上報,這種情況下后臺的監(jiān)控系統(tǒng)才可以正確處理這些事件數(shù)據(jù),并對這些事件數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析和決策。如果事件上報的時序出現(xiàn)問題,將影響后臺監(jiān)控中心對發(fā)電板的壽命的預(yù)測分析,這將直接出現(xiàn)誤報的情況,或者對發(fā)電板壽命狀態(tài)進(jìn)行誤判,輕則增加維護(hù)成本,嚴(yán)重的情況下,這些事件狀態(tài)會導(dǎo)致一些異常失效的發(fā)電板無法被監(jiān)測到,導(dǎo)致整個光伏系統(tǒng)超負(fù)荷異常運(yùn)行,最終出現(xiàn)大面積的設(shè)備燒壞造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,因此需要一個可靠的能夠確保這些事件數(shù)據(jù)以嚴(yán)格的時序,并且在任何的情況下都能夠被追蹤和上報到監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制,以保證整個通信的穩(wěn)定性和可靠性。
基于上述分析,本文將繼續(xù)討論如何在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及通信構(gòu)架基礎(chǔ)上,構(gòu)建可靠的通信事件報告追蹤機(jī)制,以滿足上述通信傳輸需求。
在已有的基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)全息感知的分布式光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)中,對于光伏系統(tǒng)光伏組件設(shè)備的監(jiān)控基本原理,是通過光伏設(shè)備智能終端收集設(shè)備上的數(shù)據(jù)信息,實(shí)時通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦夥O(shè)備集中管理中心和云端[8],通過相關(guān)的監(jiān)控模塊和算法,對設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析,以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)和壽命數(shù)據(jù)的監(jiān)控和預(yù)測。
基于上述分析,本文在設(shè)計中Li SW等[9]提出,基于嚴(yán)格時序和事件驅(qū)動的數(shù)據(jù)同步報告,通信服務(wù)機(jī)制來構(gòu)建整個泛在電力物聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電板組件設(shè)備數(shù)據(jù)的報告機(jī)制,其原理見圖2。
在上述機(jī)制中,其核心需要實(shí)現(xiàn)事件的可靠報告和嚴(yán)格的時序管理,通過事件的可靠報告以確保在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)氖录谌魏吻闆r下不丟失,同時借助于嚴(yán)格時序管理有效地控制事件通信過程中的時序,為監(jiān)控和預(yù)測分析識別每個事件發(fā)生的時序做出可靠預(yù)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[10]。
其中在事件報告設(shè)計中,按照IEC61850中對DER設(shè)備的數(shù)據(jù)報文的規(guī)范和要求,同時兼容本文設(shè)計的事件報告?zhèn)鬏敊C(jī)制,通過設(shè)定事件檢測器來對成員的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時性監(jiān)測,并且負(fù)責(zé)執(zhí)行事件處理邏輯,決定報告的觸發(fā)方式和時間等機(jī)制,報告處理器主要是負(fù)責(zé)根據(jù)配置信息生成事件報告信息,對事件報告中的相關(guān)的字段,包括條目時間(TimeOfEntry)、條目標(biāo)識符(EntryID)等進(jìn)行初始化,并保存到報告中,同時在報告中根據(jù)事件檢測器的決策將數(shù)據(jù)寫入到報告中交由報告控制器進(jìn)行處理;報告控制負(fù)責(zé)控制報告控制塊(RCB,包括BRCB和URCB)屬性配置,控制報告的形成及發(fā)布,同時基于BRCB屬性有DatSet和TrgOps中提供的觸發(fā)選項dchg、qchg、dupd來實(shí)現(xiàn)條件可控的觸發(fā)報告。本文光伏發(fā)電組件壽命狀態(tài)預(yù)測的數(shù)據(jù)同步以dchg作為觸發(fā)選項,光伏發(fā)電組件并網(wǎng)輸電完畢時候的狀態(tài)數(shù)據(jù)。
在嚴(yán)格時序管理上,依據(jù)前文所述的光伏發(fā)電板組件壽命狀態(tài)預(yù)測算法,預(yù)測光伏發(fā)電板組件系統(tǒng)處于光伏發(fā)電板組件壽命的某個階段,需獲取最近5次光伏發(fā)電板組件并網(wǎng)輸電完畢時的Vol、Amp和InBatTmp信息,需要確保這5次數(shù)據(jù)傳輸中按照嚴(yán)格時序排列輸送到監(jiān)控中心。為此,本文從連續(xù)通信時候的時序管理,通信關(guān)聯(lián)、丟失重新恢復(fù)時的時序管理和設(shè)備停機(jī)重啟時的時序同步3個方面進(jìn)行全面考慮設(shè)計,相關(guān)的通信機(jī)制以確保任何情況下都能夠進(jìn)行嚴(yán)格時序同步,對于連續(xù)通信狀態(tài),采用SqNum作為順序報告的標(biāo)識,序列號沒有上限以實(shí)現(xiàn)連續(xù)通信的可靠控制;對于通信關(guān)聯(lián)丟失重新恢復(fù)時的時序管理,本文使用SqNum作為順序報告的標(biāo)志,對光伏發(fā)電板組件的報告事件進(jìn)行順序標(biāo)記,并且在光伏發(fā)電板組件的報文中定義SqNum和TimeOfEntry兩個變量來指示報告順序的標(biāo)志,以確保在該情況下通信的數(shù)據(jù)交互能夠遵循嚴(yán)格時序過程。對于設(shè)備停機(jī)重啟時的時序同步設(shè)計上,本文將BRCB行為狀態(tài)機(jī)置于重新同步狀態(tài),在光伏發(fā)電板組件設(shè)備報文中定義了SetBRCBValues服務(wù),通過該服務(wù)在運(yùn)行的過程中將EntryID設(shè)置為BRCB發(fā)送的最后一個報告的EntryID,進(jìn)而在RBCB上實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時序同步處理。
綜上所述,本文針對基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信過程中的數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)時序錯亂的通行問題,構(gòu)建基于時間驅(qū)動報告和嚴(yán)格時序管理的通信事件追蹤機(jī)制,通過該機(jī)制在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,可以在兼容已有的電力設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)的前提下實(shí)現(xiàn)更加可靠的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸。
隨著我國國家電網(wǎng)全面推進(jìn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,未來必將成為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)重點(diǎn)改造和建設(shè)對象。