趙曉賓,邱美艷,張 垚

(1.西門子歌美颯可再生能源科技(中國)有限公司,天津 300384;2.天津中德應用技術大學,天津 300350)

0 引言

太陽能作為一種新型、綠色的可再生能源,取之不竭、用之不盡,越來越受到人們的關注,發(fā)電過程中,綠色環(huán)保,也沒有地域的限制[1]。隨著可持續(xù)發(fā)展觀念不斷深入人心,全球太陽能開發(fā)利用都有著良好的發(fā)展前景,許多國家將太陽能作為重要的新興產(chǎn)業(yè)。光伏蓄電池的維護和保養(yǎng)是光伏電站中運維工作的一個重要環(huán)節(jié),調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,含有蓄電池的供電系統(tǒng)中,70%的故障原因是由蓄電池的相關故障引發(fā)的。因此,構建光伏蓄電池運行狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng),是光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠運行的有力支撐[2]。面向實際應用工程,研究對蓄電池充放電的有效監(jiān)控,對光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有深遠意義[3]。

1 光伏蓄電池云平臺設計的必要性

長期以來,由于技術限制,光伏蓄電池的在線性能檢測,只能停留在對電池組黑盒管理的水平上。因成本原因,人們對蓄電池的檢測,無論在對象范圍、數(shù)據(jù)采集量,還是匯總和共享分析等方面,都無法做到全面掌握,只能通過技術手段來建模分析。這一方面,國外(以美國、德國、日本為代表)具有一定的技術優(yōu)勢,并能夠將部分成果應用于運維的優(yōu)化環(huán)節(jié),產(chǎn)生了局部的經(jīng)濟效益。而國內(nèi)則根據(jù)行業(yè)的不同要求,以各個使用單位為主體,也有類似的研究和應用,但由于格局和構架的限制也只是有針對性的運用。因此,目前光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)中,用戶對于蓄電池部分的數(shù)據(jù)獲取和優(yōu)化管理還相當薄弱。

目前,蓄電池“電池云”的概念和構架已經(jīng)日趨成熟,一些具有該方面技術實力的公司,已經(jīng)部分展開實驗,力爭早日取得驗證結果。通過“電池云”的物聯(lián)構架和智能平臺,企業(yè)用戶可以建立面向企業(yè)的電池運維服務。最終期望將不同用戶的蓄電池物聯(lián)為統(tǒng)一的“電池云”,大數(shù)據(jù)監(jiān)測的計算結果,用戶之間可以共享。OpenStack是一種開源云計算平臺,可以為私有云和公有云提高可擴展的彈性云計算服務,具有操作簡單、可拓展性強、標準統(tǒng)一等優(yōu)點[4],已經(jīng)被IT行業(yè)廣泛運用于云計算平臺開發(fā)過程。相對于其他平臺,OpenStack具有基礎條件要求不高、部署簡單以及方便管理等優(yōu)勢,主要由計算、網(wǎng)絡、驗證、鏡像、塊存儲、界面等核心服務構成[5-6]。因此構建基于OpenStack的光伏蓄電池管理“電池云”智能平臺,對蓄電池進行全面的綜合評價,對于光伏企業(yè)非常有意義。

本文通過OpenStack,搭建了監(jiān)測光伏蓄電池運行狀況的云平臺,實現(xiàn)了蓄電池狀態(tài)實時監(jiān)測和故障報警,將以往的按組評價管理的蓄電池,提升到更為精準的按電池單元來評價管理,形成“電池云”。系統(tǒng)可建立蓄電池的全生命周期的評價環(huán)境,進一步實現(xiàn)光伏電站中蓄電池的供電保障化、管理科學化、安全可視化、測試網(wǎng)絡化、維護在線化、壽命延長化和節(jié)約全面化。

2 光伏蓄電池云平臺的設計與實現(xiàn)

2.1 云平臺系統(tǒng)架構設計

本文基于OpenStack平臺構建的光伏蓄電池智能管理系統(tǒng),包含應用層、網(wǎng)絡層、感知層和電池層,如圖1所示。感知層通過光伏電站(基站)的傳感器與通信設施采集電池層中蓄電池組件的參數(shù)(如電流、電壓、溫度等)信息,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡層;網(wǎng)絡層中通過網(wǎng)絡設備對蓄電池電壓、電流、溫度等參數(shù)進行采集和存儲,經(jīng)服務器傳輸?shù)皆贫?最終在應用層中顯示光伏蓄電池的參數(shù)以及狀態(tài)信息。

圖1 蓄電池云平臺管理系統(tǒng)

本文針對光伏電站蓄電池運維設計的物聯(lián)網(wǎng)電池層數(shù)據(jù)的采集硬件,采用高性能的多元通用接口,對光伏電站中使用的各種種類的蓄電池以及新型電池等均具有廣泛的通用性。

2.2 光伏蓄電池狀態(tài)在線監(jiān)測

通過智能管理云平臺,系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時獲取物聯(lián)網(wǎng)中任意一個電池組及電池單元的電壓、電流、環(huán)境溫度等參數(shù),可以通過數(shù)據(jù)列表及實時動畫顯示來查看,如圖2所示。系統(tǒng)可實現(xiàn)云平臺數(shù)據(jù)的備份與保存,將在線采集蓄電池數(shù)據(jù)入庫,并進行狀態(tài)劃分。

圖2 蓄電池在線狀態(tài)監(jiān)測

2.3 光伏蓄電池故障報警

系統(tǒng)通過云平臺數(shù)據(jù)的分析,從界面上可以顯示蓄電池出現(xiàn)的故障報警情況,如圖3所示,當蓄電池發(fā)生充放電以及其他方面的運行故障時,故障點會在界面上清晰地顯示出來。同時系統(tǒng)可以將各光伏蓄電池組的報警情況,在GIS地圖上及時反映出來,如圖4所示。報警信息反映直觀且及時,便于運維人員和管理人員掌握情況,方便用戶及時進行消缺或保養(yǎng)。同時,系統(tǒng)還可以根據(jù)客戶需求,進一步擴展為自動派單消缺系統(tǒng)。

圖3 蓄電池的報警日志

圖4 實時GIS報警

2.4 建立蓄電池歷史趨勢分析

系統(tǒng)可以采集蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)并進行歷史趨勢數(shù)據(jù)的分析,如圖5所示,通過歷史趨勢分析,用戶可以精確地找到潛藏的隱性故障(如接入線阻過大、漏電等),從而提前消除隱患。當監(jiān)測系統(tǒng)運行足夠長時間,并采集到足夠多的數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)還可以依據(jù)云平臺強大的計算功能,進一步將運維的方案智能優(yōu)化,包括依據(jù)性能設定可變更參數(shù)來提高電池壽命,或將舊電池優(yōu)化重組來提高性能和服役期。

圖5 蓄電池的歷史趨勢分析

3 經(jīng)濟收益估算

3.1 提高使用壽命

光伏蓄電池的理論壽命一般為10～15年,實際使用中的目標為8～10年,目前由于環(huán)境溫度、使用維護等原因,熱帶地區(qū)蓄電池的平均壽命僅為2～3年。若采用本智能管理系統(tǒng)后,蓄電池的使用壽命將會提高到5～6年,如果增加在線養(yǎng)護模塊,預期使用壽命可達7～9年。

3.2 降低運維成本

光伏蓄電池云平臺系統(tǒng)不但可節(jié)省整組替換或精確排查的費用,而且還可通過電池塊性能的監(jiān)測來預防此類現(xiàn)象發(fā)生,保障服務品質(zhì),節(jié)約運維成本。以某光伏電站為例,現(xiàn)有蓄電池總數(shù)約6 000組(室內(nèi)站3 600組,室外站2 400組),參考相關行業(yè)實際情況,依據(jù)報廢電池實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,在出質(zhì)保期到報廢年限的周期內(nèi),由于少量電池單元的劣化使整組電池性能低下,報廢率約為2.9%。原來采取整組電池更換的方法成本較高,在使用電池塊精準運維后,經(jīng)計算用戶節(jié)約電池采購成本約490萬元。

3.3 減少電池備件

目前光伏蓄電池組的管理模式中,電池備件庫按組來統(tǒng)計采購,蓄電池云平臺可量化管理電池云中每一個電池塊的健康度及使用壽命,用戶可以依據(jù)云計算平臺的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計,精準地確定每年需要補充的電池備件數(shù)目。蓄電池備件數(shù)會隨著電池管理精度的提高而減少,降低了采購費、人員管理費以及場地租用等相關費用。

4 結語

光伏電站中蓄電池的運行和維護是光伏電站運維的主要環(huán)節(jié),本文介紹了基于OpenStack的光伏蓄電池云管理平臺的搭建與應用。依據(jù)云平臺的主要功能,系統(tǒng)對蓄電池的電流、電壓以及溫度等參數(shù)進行了實時監(jiān)測和顯示,形成故障的實時報警以及蓄電池的歷史趨勢數(shù)據(jù)分析,將以往的按組評價管理的蓄電池,提升到更為精準的按電池單元來評價管理。隨著數(shù)據(jù)的不斷積累,蓄電池的評測將越來越精準,未來會形成更加先進的故障預測系統(tǒng)(包括壽命、健康度、放電能力等參數(shù)),蓄電池運行的可靠度將進一步提高。在準確評估蓄電池長期性能的基礎上,企業(yè)用戶可以做到充分發(fā)揮蓄電池能力,保障系統(tǒng)安全供電,提高電池使用壽命,從而降低光伏電站的系統(tǒng)運維成本以及采購成本。