茍藝 王培堯 冉胤林

(四川中電啟明星信息技術有限公司 四川成都 610000)

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”這一概念最早于2012 年由通用電氣（GE）提出，隨后工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）由美國五家行業(yè)巨頭聯(lián)手組建，著手大力推廣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這一概念。為切實有效地推進和指導工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設，世界各國都制定了通用的、標準化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構。德國2015 年推出工業(yè)4.0 參考架構（Reference Architectural Model Industrie 4.0，RAMI4.0）、美國2015 年推出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構（Industrial Internet Reference Architecture，IIRA）、日本2016 年推出日本產(chǎn)業(yè)價值鏈參考架構（Industrial Value Chain Reference Architecture，IVRA）。2016 年，我國成立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（Alliance of Industrial Internet，AII）；同年，AII發(fā)布工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構1.0 版本；2020 年，AII 編制并發(fā)布2.0 版本的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)除了需要智能設備和高新技術的應用與突破，更迫切需要跨行業(yè)、跨領域的技術標準體系與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、互聯(lián)互通及互操作性。

新能源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，以能源生產(chǎn)商、設備廠商、運維企業(yè)等場景新能源服務為切入點，著力打造新能源服務多元化應用平臺，以全要素數(shù)據(jù)為核心實現(xiàn)新能源全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的業(yè)務深度融合，打造新能源全產(chǎn)業(yè)鏈的共生共贏創(chuàng)新生態(tài)，建立“橫向協(xié)同、縱向貫通” “全環(huán)節(jié)、全貫通、全覆蓋、全生態(tài)、全場景”的新能源開放服務體系。實現(xiàn)“設備—廠商—電站—業(yè)主”之間的互聯(lián)互通，助力新能源場站實現(xiàn)智能化管理，服務智能制造、智能運維。為有效支撐新能源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“分布式光伏運行服務”在建設過程中場站設備數(shù)據(jù)實時采集傳輸，接入便捷、傳輸安全、存儲靈活、處理專業(yè)、服務多元的業(yè)務需求。新能源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)采用了2.0 版本的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構[1]，架構圖如圖1所示。投入大量資源持續(xù)研究物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術，進行技術迭代、研究物聯(lián)設備安全接入管理技術、優(yōu)化新增功能、提升易用性；研究邊緣計算方案、完善電力和其他能源行業(yè)傳感器協(xié)議；研究全國產(chǎn)化硬件終端物。

圖1 新能源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的參考架構圖

1 分布式光伏運行服務業(yè)務需求分析

分布式光伏運行服務利用新能源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎支撐，以基于云邊的物聯(lián)技術獲取的海量分布式光伏場站與設備的實時數(shù)據(jù)，針對分布式光伏電站的運行服務功能，滿足電網(wǎng)對新能源“可觀、可測”的管理要求，構建能滿足“設備—廠商—電站—業(yè)主—電網(wǎng)—政府”之間業(yè)務互聯(lián)互通的新能源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務平臺，提供分布式光伏運行支撐服務[2]。

1.1 全景展示

基于GIS 地圖服務與場站物聯(lián)設備信息，對區(qū)域內(nèi)分布式光伏電站裝機情況、發(fā)電情況、出力情況、分布式光伏各發(fā)電集團情況、供區(qū)用戶負荷情況、天氣預警、設備接入情況、實時告警情況、通道情況等指標信息的全景展示，實現(xiàn)從宏觀到微觀，總部、網(wǎng)省、地市的三級穿透，輔助電網(wǎng)公司清晰把控經(jīng)營區(qū)內(nèi)分布式光伏發(fā)展情況。

1.2 運行狀態(tài)監(jiān)測

1.2.1 區(qū)域集團層面

對區(qū)域內(nèi)分布式新能源電站進行監(jiān)測，通過對發(fā)電量、出力曲線、利用小時數(shù)等數(shù)據(jù)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果，展示靜態(tài)信息、動態(tài)測量信息、統(tǒng)計信息、重要指標的曲線/柱狀圖等重要運行信息，直觀展示區(qū)域內(nèi)各分布式新能源電站個數(shù)、發(fā)電量、出力特性、利用小時數(shù)等。

1.2.2 場站層面

對分布式新能源電站設備進行監(jiān)測，通過物聯(lián)平臺獲取的實時數(shù)據(jù)，展示設備實時運行情況與環(huán)境數(shù)據(jù)，還有電壓、電流、溫度、輻照等數(shù)據(jù)。

1.3 故障分析處理

針對運行過程中設備故障，排查檢修等事件的需求，以歷史運行狀態(tài)庫、運維事件庫和解決方案庫為基礎，結合智能算法應用生成各類事件的分析處理方案；針對復雜事件，應給予專家?guī)斓脑诰€支持，為用戶提供便捷有效的解決方案，提升故障處理效率。

1.4 運行輔助決策

基于系統(tǒng)匯集的大量運行狀態(tài)、故障信息、氣象信息及設備參數(shù)等各項數(shù)據(jù)，通過模型算法、數(shù)據(jù)分析等應用，完成智能風險識別、場站運維評價、設備選型、設備壽命預測、運維方案建議、各期出力預測等功能建設，為用戶運營決策提供數(shù)據(jù)方案支撐，提升場站管理水平，提高場站運營收益。

2 基于云邊的物聯(lián)技術方案

為滿足新能源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對分布式光伏電站并網(wǎng)點及以下設備數(shù)據(jù)標準、一致、及時、有效、準確等業(yè)務需求，構建含高性能硬件平臺邊緣物聯(lián)edgecore服務、消息組件訪問控制ACL方案、物聯(lián)及組件license方案、庚頓實時數(shù)據(jù)庫、邊緣側(cè)高級App、智能終端在內(nèi)的一套物聯(lián)服務，即基于云邊的物聯(lián)技術，實現(xiàn)新能源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的高效匯集和后續(xù)應用分析，并提供數(shù)據(jù)服務API接口供其他應用調(diào)用?；谠七叺奈锫?lián)技術的路線如圖2所示[3]。

圖2 基于云邊的物聯(lián)技術路線圖

2.1 智能終端研發(fā)

國產(chǎn)化高性能智能終端研制基于國產(chǎn)全志核心板，采用全國產(chǎn)化技術，從硬件設計到操作系統(tǒng)和驅(qū)動修改，研制全新的智能終端產(chǎn)品，擁有相關知識產(chǎn)權和專利，獲得中國電科院的相關測試報告，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全加密接入。硬件終端采用直流供電，電壓輸入范圍DC9～36 V，同時兼容DC12 V和DC24 V輸入。產(chǎn)品功耗小于等于10 VA，工作環(huán)境溫度范圍為-40～70 ℃，相對濕度為10%～100%。另外，其具備標準modbus、64597、64507、376.1、376.2 采集協(xié)議，支持載波和串口通信方式，協(xié)議實現(xiàn)不足，還需要根據(jù)業(yè)務擴展，實現(xiàn)CJT188協(xié)議、ModbusTcp采集協(xié)議，優(yōu)化已有DLT64597協(xié)議服務化改造，快速實現(xiàn)定制化協(xié)議改造，提升邊緣計算接入能力。強化了對用電末端的信息感知、聚合與分析能力，支持配變監(jiān)測、智能抄表、負荷管理、無功補償、三相不平衡治理。以信息融合與電力邊緣計算算法為支撐，實現(xiàn)智能化的動態(tài)分析與故障研判，可有效促進供用電服務能力的提升。

2.2 數(shù)據(jù)接入服務

根據(jù)新能源場站并網(wǎng)管理要求的差異，分為并網(wǎng)非統(tǒng)調(diào)類場站和并網(wǎng)統(tǒng)調(diào)類場站。通過新能源場站的現(xiàn)場調(diào)研、并網(wǎng)管理辦法要求，針對兩種類型的電站制訂了不同的數(shù)據(jù)接入方案，具體見圖3、圖4。

圖3 并網(wǎng)非統(tǒng)調(diào)類場站接入方案

圖4 并網(wǎng)統(tǒng)調(diào)類場站接入方案

2.3 數(shù)據(jù)存儲處理服務

依據(jù)數(shù)據(jù)特征進行針對性設計，研究TDengine 開源時序數(shù)庫技術，保證在長期運行過程中依然保持非常高的實時響應性，同時以時間維度對歷史數(shù)據(jù)建立時間分片，利用高效的索引技術，保障海量歷史數(shù)據(jù)查詢時的快速響應[4]。

通過對接入系統(tǒng)的分布式光伏電站數(shù)據(jù)進行清洗、轉(zhuǎn)換、準確性驗證、完整性驗證、及時性驗證等基礎處理，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足要求，供各項業(yè)務使用。

2.4 數(shù)據(jù)接口應用

以接口服務的方式對外提供數(shù)據(jù)應用服務。通過三元組信息重新封裝開發(fā)實現(xiàn)一套接口，后端接口依然采用golang 語言開發(fā)，三元組信息可從平臺界面獲取，通過三元組來調(diào)用產(chǎn)品和設備模塊功能，只提供與上層應用有交互的接口業(yè)務，減少接口數(shù)量，提高接口質(zhì)量。

3 基于云邊的物聯(lián)技術在分布式光伏運行服務中的應用分析

“分布式光伏運行服務”對場站及設備數(shù)據(jù)的時效性和準確性有著極高的要求，需要數(shù)據(jù)高質(zhì)量地實時獲取?；谠七叺奈锫?lián)技術在新能源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用，結合分布式光伏運行服務的實際業(yè)務需求，完成了基于云邊的物聯(lián)技術的分布式光伏運行服務建設。

本文主要從實時數(shù)據(jù)展示、運行輔助決策、線上運維3個方面，圍繞“分布式光伏運行服務”業(yè)務的4個需求，探討基于云邊的物聯(lián)技術在新能源工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用前景。

3.1 數(shù)據(jù)全景展示

現(xiàn)有分布式電站由于規(guī)模較小、地理位置分散、設備數(shù)量多、差異性大、專業(yè)運維人員相對稀缺等原因，傳統(tǒng)的SCADA 系統(tǒng)在提供運行服務時，多為本地部署，需要在本地配置運維人員實時監(jiān)控設備運行情況，無法遠程監(jiān)控。同時，對集團區(qū)域而言，由于場站分散數(shù)據(jù)未能有效互通，難以對場站進行全景管控。另外，本地部署SCADA系統(tǒng)的費用相對較高，大大限制了其推廣應用。綜上所述，本地部署SCADA的方式不滿足為分布式光伏場站業(yè)務服務的需求。

運行狀態(tài)監(jiān)測基于云邊的物聯(lián)技術，通過采用智能終端與數(shù)據(jù)接入服務接入分布式場站實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)場站數(shù)據(jù)云端匯集，再通過數(shù)據(jù)存儲與處理服務與數(shù)據(jù)接口應用，為分布式光伏運行服務提供實時數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)分布式光伏場站與設備運行狀態(tài)進行秒級實時精準展示。

3.2 運行輔助決策

在管理與運維人員進行日常管理、運維工作時，依托物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務接入的各項實時數(shù)據(jù)與積累的歷史運行數(shù)據(jù)，通過相關數(shù)字孿生計算模型對數(shù)據(jù)進行加工處理，針對場站的各項管理任務給予決策指導，包括但不限于清灰決策、設備參數(shù)評價、設備運行評價、設備故障預控等功能詳見圖5。

圖5 設備故障預控

3.3 線上運維服務

運維人員進行日常運維、檢修工作時，依托物聯(lián)與數(shù)據(jù)服務接入的各項實時數(shù)據(jù)與積累的歷史運行數(shù)據(jù)[5]，結合以往檢修運維記錄，設備運維手冊等資料，基于知識圖譜匹配高效的分布式光伏運維方案[6]，同時提供基于強化學習的分布式光伏運維資源動態(tài)調(diào)度服務，詳見圖6。針對疑難問題，可提供專家線上咨詢運維服務，大大提高了運維的效率，詳見圖7。

圖6 運行曲線庫

圖7 專家線上咨詢

4 結語

本文分析了分布式光伏運行服務的業(yè)務需求與基于云邊的物聯(lián)技術的相對優(yōu)勢，實現(xiàn)了分布式光伏服務的應用建設與數(shù)據(jù)支持。依托數(shù)據(jù)采集終端，將逆變器、升壓站等設備的電流、電壓和環(huán)境數(shù)據(jù)匯集，全景掌控場站與設備運行情況及區(qū)域級運營狀態(tài)，同時作為數(shù)據(jù)基座打下基礎，為后續(xù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設與生態(tài)拓展打下堅實的基礎，實現(xiàn)“設備—廠商—電站—業(yè)主”之間的互聯(lián)互通，促進新能源全業(yè)務鏈條海量數(shù)據(jù)匯集和價值共享，服務智能制造、智能運維，促進新能源數(shù)據(jù)服務生態(tài)圈建設。