付蓉

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅蘭州，730000）

隨著國家政策的持續(xù)支持與光伏產(chǎn)業(yè)的擴大發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)進入到了競價、平價項目的發(fā)展階段，在這個階段大家共同關(guān)注的其中一個重要問題就是，如何實現(xiàn)“降本增效”。伴隨著光伏電站的落成和投產(chǎn)，在電站持續(xù)運行的整個生命周期中，“運維”就成為了光伏電站提升效率，獲取收益的主要來源。

1 傳統(tǒng)光伏電站運維

光伏電站運維主要指對光伏電站的各個環(huán)節(jié)進行預(yù)測和檢修，包括光伏陣列、匯流箱、逆變器、變壓器、電纜等多個部分。這每一個環(huán)節(jié)能否正常運行都會直接影響到光伏電站的效率或穩(wěn)定性。

在我國，傳統(tǒng)的光伏電站運維系統(tǒng)可以追溯到2009年以前甚至更早。傳統(tǒng)光伏電站運維主要依靠運維人員值守和設(shè)備巡檢，運維效果的好壞不僅受限于天氣、地形等等自然因素的影響，也受限于運維人員的專業(yè)能力和作業(yè)水平。這種情況導(dǎo)致光伏電站存在出現(xiàn)排查故障時間長而發(fā)電受阻，如果遇到一些隱性設(shè)備故障，運維人員無法預(yù)先或及時得知還會導(dǎo)致事故進一步擴大等現(xiàn)象。這種運維方式不但效率低下，成本也較高，這顯然不符合現(xiàn)階段光伏產(chǎn)業(yè)所追求的“降本增效”要求。

為了解決傳統(tǒng)運維中存在的這些問題，光伏電站運維系統(tǒng)經(jīng)歷了從早期“擦板子，除雜草”的粗放式管理模式到側(cè)重于管理的MIS管理系統(tǒng)，再到后來經(jīng)逐步轉(zhuǎn)變得到側(cè)重于監(jiān)測的遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，在這樣的轉(zhuǎn)變中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏電站運維

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指將各類設(shè)備和系統(tǒng)中的傳感器與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)相互銜接的技術(shù)，在我國也被稱為“傳感網(wǎng)”，早于1999年便開始研究，技術(shù)水平處于世界前列，具有較大優(yōu)勢?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)等其他技術(shù)的結(jié)合開發(fā)光伏電站智慧運維系統(tǒng)是現(xiàn)階段光伏企業(yè)正在研究的課題，并已有了一些應(yīng)用案例。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在光伏電站運維系統(tǒng)中的應(yīng)用大概包括以下幾個方面：

（1）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏電站環(huán)境監(jiān)測

鑒于我國光伏電站尤其是大型光伏電站多建立于偏遠地區(qū)，處于值守人員嚴重缺乏甚至無人值守的狀態(tài)。電站運營和管理人員很難得到持續(xù)和完整的環(huán)境數(shù)據(jù)來對光伏電站的整體運行進行調(diào)度與評估，會對光伏電站的效率產(chǎn)生一定影響。

光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)化率一直以來都是光伏發(fā)電的核心技術(shù)問題，而光伏組件的轉(zhuǎn)化效率會受到溫度、濕度和光照強度等環(huán)境參數(shù)的影響，無法準確獲取全面的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，更是嚴重影響了科研人員對于轉(zhuǎn)化效率的研究工作，制約了光伏技術(shù)的發(fā)展。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)改變了上述局面，它是一種利用Zig-Bee技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的光伏電站環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測系統(tǒng)，可以多點采集光伏電站的溫度、濕度、光照強度等數(shù)據(jù)，并進行遠程實時監(jiān)測。系統(tǒng)由遠程控制中心和無線傳感網(wǎng)絡(luò)兩大部分構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)可以通過傳感節(jié)點采集光伏電站現(xiàn)場的溫度、濕度、光照強度和氣壓信息，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號電路處理后，再通過Zig-Bee模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點;路由節(jié)點的主要作用是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)遠距離通信。系統(tǒng)中傳感節(jié)點和路由節(jié)點的數(shù)量可根據(jù)電站運行和環(huán)境的需求靈活配置。網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，負責(zé)把接收到的數(shù)據(jù)利用串口通信方式發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺。監(jiān)測平臺操作人員在監(jiān)控室利用計算機或通過移動端遠程登錄數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺就可直接監(jiān)測電站現(xiàn)場環(huán)境。

總體來說該系統(tǒng)可以及時的反應(yīng)采集到的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，還能通過終端設(shè)備登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺遠程查看數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)安裝方便，組網(wǎng)靈活，功耗較低，可靠性高，穩(wěn)定性強，能顯著提高光伏電站的運維效率。

（2）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人機自動巡檢

現(xiàn)階段，光伏電站多建設(shè)在戈壁和山地地區(qū)，且規(guī)模較大，常規(guī)的人工巡檢早已不能滿足光伏電站的高效運維需要，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人機自動巡檢應(yīng)運而生。無人機通過搭載可見光成像相機和紅外線成像相機，再結(jié)合飛行不受地形限制、速度快、巡檢范圍廣的優(yōu)勢，可提供高效的表面檢測，還能實現(xiàn)實時監(jiān)測、分析、智能診斷等功能，是光伏電站運維智能化的得力幫手。

光伏電站巡檢工作對于無人機的載荷要求較低，但是對機動性和靈活性要求較高，故多選用小型的多旋翼無人機。在動力系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)設(shè)計方面，采用常規(guī)配置即可實現(xiàn)，設(shè)計的重點通常為位姿控制的設(shè)計，在文獻《光伏電站智能運維無人機技術(shù)研究》中選用串級PID控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)較好的控制效果。無人機除了能夠應(yīng)用在光伏電站運維工作中之外，還能夠勝任光伏電站場址勘測等任務(wù)。在運維過程中，無人機在工作過程中需要地面運維平臺的配合，完善的地面配套設(shè)施和軟件系統(tǒng)，可以幫助無人機更好的服務(wù)于光伏電站運維工作。

在無人機光伏系統(tǒng)自動巡檢中，地面運維平臺通過無人機拍攝電站中所有組件的紅外圖像，可以通過圖像分析技術(shù)找出電站中存在的故障。在無人機采集圖像的過程中，影響無人機自動巡檢效率的主要因素有無人機續(xù)航能力，紅外相機分辨率，高效的巡檢路徑。

上述提出的問題中，無人機的續(xù)航能力和相機分辨率都可以通過硬件升級來進行解決，而無人機巡檢路徑的規(guī)劃則是一個重要技術(shù)問題。在近些年的發(fā)展中，已經(jīng)逐漸擺脫了手動規(guī)劃的局面，發(fā)展為自動規(guī)劃飛行路徑。合適的飛行路徑不僅可以節(jié)省無人機的飛行時間，同時可以減少轉(zhuǎn)彎、加減速等耗電量較高的動作，提高單次飛行巡檢量，減少飛行次數(shù)。

路徑是指的是無人機飛行過程中從起點到終點所有經(jīng)過路徑點的集合，路徑規(guī)劃是按照時間、距離這些性能指標，分析和搜索出一個最合理的結(jié)果。因此，無人機光伏巡檢需要根據(jù)電站組串的布置，抽象得到路徑點，這些路徑點可以覆蓋全部待測目標，并找到一條連接全部路徑點的路線，并根據(jù)無人機飛行性能和轉(zhuǎn)彎特性，對路徑進行下一步分析和比較。

獲得了全部待測目標點后，則要將所有路徑點用一條線路連接在一起。常規(guī)的路徑規(guī)劃只考慮該線路有的長度，希望能取最短長度。但是在無人機實際飛行過程中，由于無人機的轉(zhuǎn)彎過程是一個加速-減速-再加速的過程，該過程比直線飛行更加消耗時間和電能。因此，規(guī)劃無人機巡檢路徑時，不能只考慮路線長度，需要兼顧考慮轉(zhuǎn)彎次數(shù)的多少及轉(zhuǎn)彎所消耗的時間。在不考慮無人機速度的情況下，無人機巡檢路徑規(guī)劃可以簡化為求解最短巡檢時間的問題。

運維平臺基于物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，可以解決無人自動路徑最優(yōu)規(guī)劃的問題，將無人機的起降、飛行和規(guī)劃路徑、躲避障礙功能進行集合，實現(xiàn)“一鍵巡檢”操作。為無人機配置可見光、紅外的雙光攝像頭，讓無人機在巡檢過程對光伏電站進行拍照、發(fā)送，再通過運維平臺中應(yīng)用對照片進行實時處理，就可以實現(xiàn)熱斑、積塵、隱裂等等檢測項目，大大的節(jié)省了人力并提高了效率，無人機巡檢系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的無人機自動巡檢系統(tǒng)框圖

（3）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏電站運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控

在光伏電站的運行過程中，可以依靠基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)來檢測孤島現(xiàn)象以及預(yù)防電網(wǎng)沖擊，這是保障光伏電站穩(wěn)定運行的一項重要舉措。除此之外，該系統(tǒng)還能夠提高光伏電站遠程管理效率，降低遠程信息傳輸成本。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)，可以同時監(jiān)控整個光伏電站內(nèi)的設(shè)備運行狀態(tài)、電能質(zhì)量、安全、消防等數(shù)據(jù)和信息，該系統(tǒng)可以分為四層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏電站運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)通過各類變送器和傳感器來采集光伏電站運行的狀態(tài)信息，包括光伏組件、匯流箱、逆變器等設(shè)備運行數(shù)據(jù)，計量和保護裝置數(shù)據(jù)以及安全、消防設(shè)備信息。再通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞綄⒉杉降男畔⒑蛿?shù)據(jù)傳輸至本地監(jiān)控中心并進行后續(xù)處理。

數(shù)據(jù)收集過程中適宜采用Zig-bee無線傳輸技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行簡單處理后傳輸至本地控制中心，能提高傳輸速度和控制中心的處理效率。本地控制中心主要負責(zé)對收集到的數(shù)據(jù)進行處理、分析，這些工作主要由控制中心的軟件完成，該軟件可進行圖形、屬性數(shù)據(jù)的輸入、修改、查詢，自動生成單行表、聯(lián)系人表等圖表，并提供完整的維護功能，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中利用相互獨立的傳感器來對電網(wǎng)設(shè)備和環(huán)境進行實時監(jiān)控，收集系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器共有兩種運行模式：工作模式和睡眠模式。未接收到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集指令時，傳感器處于睡眠工作模式，數(shù)據(jù)采集模塊處于低電流接收狀態(tài)；接收到系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)采集指令后，傳感器進入工作模式，開始采集數(shù)據(jù)并發(fā)出記錄指令。數(shù)據(jù)采集之后的下一步是資料處理階段，該階段是負責(zé)數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)處理的階段。系統(tǒng)處理器接收到各傳感器發(fā)送并被數(shù)字化處理過的信號后，對這些數(shù)據(jù)進行初步分析。這一階段的數(shù)據(jù)分析可以分為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析和向量數(shù)據(jù)分析兩大類，網(wǎng)格數(shù)據(jù)分析是指對數(shù)據(jù)的疊加分析，統(tǒng)計分析，記錄分析，濾波分析，區(qū)域操作和擴展域操作。向量數(shù)據(jù)分析主要指圖像的邊界整合，多邊形重新分類，點線重疊，空間數(shù)據(jù)查詢等。系統(tǒng)中的信號都是經(jīng)輸入設(shè)備數(shù)字化處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)，再發(fā)送至主機做進一步處理的。數(shù)字處理就是把掃描后的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點、線、面積、拓撲關(guān)系等形式，再利用向數(shù)據(jù)識別地圖，從而實現(xiàn)地圖的數(shù)字化。將處理后的數(shù)據(jù)存儲起來，并與預(yù)設(shè)的報警數(shù)據(jù)進行比較。當輸出的數(shù)據(jù)量超過設(shè)定值時，報警系統(tǒng)啟動報警裝置，并將報警信息發(fā)送到相關(guān)維修單位，緊急處理事故，消除安全隱患，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果都通過輸出設(shè)備輸出到相關(guān)用戶。

該系統(tǒng)最終可以實現(xiàn)光伏電站運行監(jiān)測、分析診斷、故障報警、統(tǒng)計報表、系統(tǒng)查詢、系統(tǒng)管理、設(shè)備管理的功能。通過互聯(lián)網(wǎng)可以將本地控制中心接收和處理過的信號發(fā)送至遠程控制中心。遠程控制中心借助于與本地控制中心的信息交互，就可以實現(xiàn)跨地域的個光伏電站集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理，接收到的信號和處理過的數(shù)據(jù)可以分門別類的進行保存，提供給技術(shù)人員和管理人員進行數(shù)據(jù)分析和比對。。

在光伏電站運維中引入上述系統(tǒng)，除了能夠助力當前光伏電站實現(xiàn)“降本增效”外，還可以實現(xiàn)多個光伏電站跨地域的統(tǒng)一運營，無論對于電站的運營者還是光伏產(chǎn)業(yè)本身，都能幫助其實現(xiàn)長遠發(fā)展。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在光伏電站運維系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

相對于傳統(tǒng)光伏電站運維模式，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏電站運維系統(tǒng)無論是在提升效率還是在降低成本方面，都展示出了很強的優(yōu)越性。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前已經(jīng)日趨成熟，并且伴隨著硬件設(shè)備與通信技術(shù)的革新正在發(fā)生日新月異的變化，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于光伏電站運維系統(tǒng)中也必將使得光伏電站的運維工作效率進一步提升，進而使得光伏產(chǎn)業(yè)在未來的社會高質(zhì)量發(fā)展浪潮中展示出更加耀眼的風(fēng)采。