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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）08-076-06中圖分類號：TP277

★張澤成，張宗旭，王家坤（國華（乳山）新能源有限公司，山東濟南250002）★卿子龍（國網電力科學研究院，江蘇南京210031）

關鍵詞：光伏電站；數字化；智能化；智慧型監控管理系統；IEC61850

1　引言

我國碳達峰、碳中和的愿景，把光伏等新能源發電方式推向了行業的前臺，成為解決能源安全、環境污染等問題的期望^[1]。自從金太陽示范工程后，光伏電站數目不斷快速增加，傳統電網的組織架構不斷變化，新型電力系統的安全穩定運行面臨嚴峻的挑戰^[2-3]。緊隨智能電網的發展需求，開展光伏電站數字化、智能化的研究，建設高水平的智慧型光伏電站，實現光伏電源與電網間深度友好融合，對光伏發電產業的持續發展和電網的安全穩定運行意義重大。大數據、云計算、物聯網、移動互聯、人工智能等先進技術的快速發展，也為“互聯網＋智慧型光伏電站”的建設提供了技術支撐^[4]。

本文首先分析了光伏電站綜合自動化系統的現狀，隨后在研究新能源場站智能化、智慧化技術發展需求的基礎上^[5-10]，基于生產監控和運營管理兩個維度，提出了光伏電站智慧型監控管理一體化系統的設計理念，并對系統的體系架構進行了研究，最后以一次設備智能化、二次設備網絡化、全站信息數字化、信息共享標準化、系統功能一體化、高級應用互動化、設備狀態可視化、運維管理智慧化為建設目標，研究了系統功能的主要技術特征，期望為光伏電站的數智化、智慧化建設提供可行性技術方案。

2　光伏電站綜合自動化系統的現狀

大型光伏電站具有設備數量多、種類繁多、組網復雜等特點，綜合自動化系統結構復雜。目前，光伏電站的綜合自動化系統按照需求配置了相應的功能子系統，如綜合監控、輔助監控、狀態在線監測等。但數量眾多的子系統，普遍存在著信息不規范、功能不完善等問題。數量眾多的功能子系統，缺乏統一的規劃。不同平臺和數據格式的功能子系統，相互獨立，形成了不能互通協調的信息孤島，主輔設備設施間的互聯互動難以實施。全站的綜合自動化水平比較低，主要存在如下問題：

（1）傳統的監控管理模式，無法適應場景多樣性的要求；

（2）業務子系統多，數據類型多，子系統間信息共享不足，協調控制不便；

（3）站內信息量大，但與電網調度間的信息數據共享不足，系統調控功能難；

（4）光伏電站面積大，設備數量多，人工檢測故障難，運維成本高；

（5）電站的數字化、智能化程度低，也缺乏高效的智能化管理策略，全站運維管控難。

3　光伏電站綜合自動化系統的發展方向

隨著新能源標桿平價上網等政策的出臺，光伏發電行業的投資壓力加大，企業越來越關注如何提高場站利用小時數、降低運維成本以及提升全站全生命周期的收益率。從光伏電站的設備（光伏組件、逆變器等）選型、生產監控管理以及發電數據的積累分析等方面，將先進信息技術和智能化技術融入各個階段中，可以減少運維人員的日常巡檢、報表、兩票管理、故障處理等工作量，達到自動診斷與修復的目標，降低了運維成本。因此，光伏電站對信息數字化、管理智慧化的需求與日俱增。

信息數字化、管控智能化、決策智慧化是光伏電站綜合自動化的發展方向，開展光伏電站數智化、智慧化的研究，意義重大。大數據、云邊計算、電力物聯網、移動互聯、人工智能等先進技術的快速發展和廣泛廣用，為光伏電站智慧型綜合自動化系統的建設奠定了技術基礎。綜合運用先進技術，光伏電站能有效開展以下方面的工作：

（1）分析、挖掘生產運營數據，準確分析電量損失，優化光功率預測模型，提高發電量；

（2）針對光伏電站面積大、人工檢測效率低等問題，采用無人機開展全站的智能巡檢工作；

（3）構建多參數、多機制融合的設備狀態監測與故障診斷體系，基于狀態檢修，縮短停運時間；

（4）調整全站運行管理模式，實施全站無人值守，減少現場運維工作時日；

（5）以數據為支撐，優化生產運維模式，創新光伏電站管理模式，降低運維成本；

（6）基于實時與歷史數據，合理評價運行績效，提升全站的全生命周期的運營水平。

4　智慧型監控管理系統的體系架構

監控管理系統是光伏電站的光伏發電區和匯集升壓站的設備監控和管理一體化系統。信息數字化、設備智能化是智慧化建設的基礎。智慧化建設以設備狀態全息感知、機器替代人工巡檢、設備缺陷主動預警、設備故障智能診斷、遠程操作一鍵順控、主輔設備智能聯動、運維管控智慧決策、設備資產全生命周期管理為建設目標，按照一體化設計、標準化接口、數字化傳輸、智能化聯動的設計思想，廣泛應用大數據、云計算、物聯網、移動互聯、人工智能、AR/VR、數字孿生等先進技術，形成了一種具備自適應、自組織、自趨優、自恢復的智慧化運維管理系統，可對設備、動力、環境、消防、安全等進行全面智能化管控，提升了安全生產的精益化管控水平，大幅減少了日常運維的工作量，實現了低碳清潔、安全靈活、運維高效的生產目標。

光伏電站智慧型監控管理系統采用分層分布、開放靈活的三層兩網式的體系結構，全站分為站控層、間隔層、過程層。一體化監控管理平臺以標準的通信接口及協議，統一智能設備、智能子系統的接入，全面整合各子系統的功能，實現過程智能設備層、間隔保護控制功能層、電站生產監控以及智慧管理決策層之間的無縫融合，實現全站的全景可視化集中管控。

站控層設備包括服務器、工作站、通信網關機、網絡設備等。站控層以IEC61850標準有效整合各個獨立子系統，包含綜合監控、狀態在線監測、輔助監控等功能子系統，為全站提供運行、管理、工程配置的界面，記錄站內所有相關信息。站控層軟件采用一體化設計，功能高度集成，可實現全站設備的監視、控制、告警及信息交互等功能。它以應用層面的各項功能為基礎，實現主輔設備智能聯動、遠程控制、遠程預警、遠方故障確認、遠程視頻漫游巡視、遠方智能巡檢、現場人員作業遠程管控等功能，全站智能化控制，全景化展示，并為高級業務應用層提供信息支撐。一體化高級業務應用層具有數據統計智能分析、數據挖掘展示以及大數據智慧化決策等功能。

間隔層功能設備包括保護、測控、電能計量、安全穩定、故障錄波等網絡化二次設備以及智能化功能子系統。間隔層設備與站控層之間MMS網采用雙重化以太網，單一網絡故障時不損失任何功能。在站控層及站控層網絡失效的情況下，間隔層設備仍能獨立工作。

過程層設備包括變壓器、電流/電壓互感器等設備及其合智單元終端和獨立的智能電子裝置。泛在物聯網集成各類智能傳感器、智能終端等智能化電子裝置，實現主輔設備的監控，為一體化監控平臺提供了基礎運行數據。過程層網絡包括GOOSE網和SV網備：GOOSE網用于間隔層和過程層設備之間的狀態與控制數據交換；SV網用于間隔層和過程層設備之間的遙測采樣值傳輸。保護裝置與本間隔的合智能單元終端之間還可采用點對點的通信方式。

根據光伏電站的業務特點和網絡安全的風險情況，基于自動化系統的網絡安全防御分析，我們將系統分為安全I區、II區、III/IV區。I區是主設備實時監控區，主要是升壓站和光伏發電區的監控；II區是狀態監測與輔助設施監控區，還包括電能量采集、故障錄波及保信收集、光伏功率預測等功能；III區是生產管理區，還有天氣預報、移動辦公等子系統；IV區是智能化運檢視頻區，含檢修管理。安全I、II區之間設置防火墻，安全II、III/IV區之間設置正/反向隔離裝置。安全I區、II區與上級集（調）控中心之間設置縱向加密認證裝置，安全III/IV、上級集（調）控中心區之間設置防火墻。智慧型監控管理系統的體系架構如圖1所示。

圖1 光伏電站智慧型監控管理系統的系統架構

5　智慧型監控管理系統功能的技術特征

光伏電站智能型監控管理系統以一次設備智能化、二次設備網絡化、全站信息數字化、信息共享標準化、系統功能一體化、高級應用互動化、設備狀態可視化、運維管理智慧化為建設目標。智慧化建設的主要內容包括設備狀態的全景監測、現場可視化巡檢、數據智能化分析、故障智能化診斷、控制智能化調節、設備互聯互動、設備及備件智能化管理、現場人員智能化管控、運維智慧化決策等方面。系統集成可靠的智能化設備，統一接入、統一存儲和統一管理設備的運行、狀態等信息。通過系統集成優化和信息共享，可實現運行監視、操作與控制、信息分析與智能告警、運行管理和輔助應用等功能，可支持在線分析、智能評估、智能調節、協同互動等高級功能，實現了設備資產的全生命周期管理，以及設備狀態從單量檢測到多源全息感知、巡檢模式從人工巡檢向無人機器巡檢、設備異常由經驗判斷向智能化診斷、運行工況由人工推送向主動預警、主輔設備監控由站端向遠程等工作模式的轉變。

5.1　設備智能化功能更加完善

設備智能化要求一次設備本身測量數字化、狀態可視化和通信網絡化，并集保護測控、狀態監測、標準信息接口于一體，功能更集成、結構更合理，設備具有自我檢測、就地評估能力。融合了狀態在線檢測、故障智能診斷功能的一次設備，能及時準確地判斷故障情況，使設備故障早預警，并給出準確的修復策略。智能化光伏逆變器集電力變換、數據采集、在線分析、遠程控制等功能為一體，模塊化、體積小、功能全，能適應風沙、鹽霧、低溫高濕等各種復雜環境。

5.2　輔助監控的綜合智能化

輔助設備設施的數字化、智能化是實現智慧化運行的基礎。輔助綜合監控系統有效集成了火災消防控制、環境監測、空調環境、照明燈光、箱門鎖具、安全防范等智能化子系統，可進行高度數據融合。該系統基于IEC61850標準，統一配置多個子系統，統一收集和對外發布子系統的信息，為智慧化聯動、集控運維提供了基礎支撐。

（1）主輔設備的智能聯動：主輔設備設施全面監控與智能聯動是智慧化建設的核心之一。智能聯動功能涉及的子系統較多，聯動控制策略也比較復雜，如火災消防子系統具有對不同類型火災的探測、滅火以及遠程報警功能，其與視頻監控、照明、安防等智能化子系統聯動，可提高工作效率。

（2）智能化安全鎖控：電子鑰匙和鎖具替代了傳統機械鑰匙和鎖具，實現一匙開啟。鎖控器具有開鎖權限遠程化控制、開鎖流程信息化管理等功能。由一二次設備管控、輔助設備管控、接地線管理等綜合組成的智能安全防誤，可實現遠程操作授權許可、遠程安全管控等智能化功能，保障了防誤操作業務全覆蓋、過程全管控，大幅提升了安全作業管控水平和運維效率。依托實物ID與RFID感知技術，可快速識別設備，實現鎖控設備信息互聯共享、鎖控操作與防誤操作智能聯動。

（3）智能化警衛監控：光伏電站面積大，存在著非法入侵、防控壓力大等問題。設置安全防護終端及安全警衛平臺，綜合運用紅外對射探測器、電子圍欄、門禁設備等安全防范技術設備，可實現防入侵、防盜竊、防破壞等功能。基于Wi-Fi、視頻監控的全覆蓋，可實現人員的全過程、全方位、全角度的安全管控。監控主機開展設備（外觀異常、故障類型等）、環境（異物入侵、煙火識別等）、人員（違規進入非工作區）的圖像識別，進行智能分析、診斷，可及時發現異常或違規的作業行為，并告警提示、矯正。安全管理與視頻監控等子系統的功能綜合，可從全景的視角出發，發現潛在的風險，及時制止違規行為，有效提升了安全防護的管控水平。

5.3　智能化的聯合巡視巡檢

針對光伏電站設備數量多、故障定位難等特點，使用機器人、無人機等智能設備，實現電站日常及特殊巡檢的智能化。智能機器人代替人工，完成巡視、檢查等任務，減少了運維人員的工作量。利用圖像識別等技術，可及時發現設備的故障缺陷及安全隱患。無人機搭載多光譜相機，對光伏組件進行紅外測溫成像，可快速對組件的熱斑、破碎、隱裂等缺陷進行檢測，并可對紅外圖像數據進行對比分析，精準查找出光伏組件的缺陷，對缺陷類型進行快速判別；根據相機POS數據和相機模型，解算缺陷的坐標，實現缺陷定位。智能無人機的全面排查、定位、跟蹤、記錄功能，大幅提升了光伏組件的巡檢及故障診斷效率。無人機還可對全站的外景進行高清視頻拍攝。遠程智能巡檢降低了安全風險。

聯合巡檢系統運用無人機巡視、可視化視頻、大數據分析、人工智能診斷等技術，結合以場景和應用為基礎的“云-管-邊-端”技術架構，建立智慧化運檢管控一體化。整合多源數據，通過圖像識別、音頻分析、人工智能技術，實現故障隱患的主動發現、主動預警；通過三維可視化技術結合實時音視頻及設備狀態信息，實現虛實結合、立體可視的全景展示。

5.4　基于全景數據的故障診斷

狀態實時監測是光伏電站運維的基礎，它從海量的設備運行數據中篩選出關鍵的運行數據，進行可靠性分析與性能評估，主動發現光伏組串、匯流箱、逆變器的不良運行狀態；動態監視關鍵設備的性能變化，通過對有效發電小時數、光伏陣列功率、逆變器發電效率等關鍵指標運行分析和評價，開展基于大數據的設備遠程優化、故障診斷預警；探索故障預測和事前維護機制，引導運維管理從依靠經驗判斷向基于數據分析轉變。多維度的設備運行狀態數據是性能分析與健康評估的基礎，多源信息融合包括多源信息的檢測估計、關聯組合。基于信息融合的專家預測系統，能提高狀態評估的準確性。將智能傳感器、物聯網、大數據分析等技術融入光伏電站的運維管理，對關鍵一次設備和重要保護控制二次設備的運行狀態進行實時監測及智能化評估分析，并通過大屏幕顯示、移動終端等設備向運行人員展示設備的運行狀況；可視化智能管理及時給出預警信息和診斷結果，便于運維人員快速定位異常設備，提升了運行、維護、檢修的效率。構建智能化、標準化、多機制融合的多參數監測系統，是光伏電站在線監測技術的發展趨勢。基于全景數據的故障診斷實現了被動運維方式向智能化主動預防的狀態運維策略跨越，3D可視化技術還可實現升壓站的全景監視。

5.5　高級應用功能的智能化

光伏電站的有功無功智能協調控制確保在有功調控時不會導致電壓異常，避免過度調節以及調節震蕩；光功率預測及時預警升壓站的電壓情況，并進行電站內的電壓預控，提前調整無功控制裝置，維持電站電壓的穩定；升壓站與調度主站的雙向互動，提高了電站并網的友好程度。

智能化一鍵順控功能，在監控后臺的一鍵執行，就能根據設定的邏輯實現光伏電站的一系列操作。智能化綜合控制對因變壓器抽頭調整、無功源投切等工況引起的無功電壓的波動進行實時跟蹤；根據全站無功電壓的調節要求，綜合考慮變壓器運行方式和SVC的控制策略；將變壓器與電容器組、SVC進行協同優化控制。基于SCADA實時數據的變壓器經濟運行方式，將經濟負荷率引入綜合尋優控制之中，智能地給出優化控制策略，實現平抑電壓無功波動，提升了供電質量，保證了升壓站的經濟運行。

5.6　生產運維管理的智慧化決策

生產運維管理是光伏電站智慧化建設的核心之一，安全運維是全生命周期管理的核心。將信息技術嵌入生產管理系統，生產運行和運維管理的電子化、移動化，減少了運維人員的報表管理、故障處理等工作量。運行管理主要是運行日志管理，通過定制的運行日志功能模板，實現運行日志的填報、送審、查詢，通過檢索與缺陷處理信息關聯，并添加相應的缺陷處理信息；生產指標管理包括發電量、上網電量、利用小時數、棄光電量、設備可利用率、故障消缺比率等；缺陷管理有發現與消除并對相關缺陷信息進行統計分析的能力；設備臺賬管理支持添加、編輯、刪除設備信息，支持查看設備的操作日志、缺陷記錄。運營App支持通過智能手持App，實現運營的全流程跟蹤。運維App能實時展示電站的運行狀態數據及運維信息，加快了故障處理響應度。管理人員可以通過智能手持App查看電站的生產情況，了解電站的總體運營狀況。

6　結語

我們將先進的傳感測量、數字信息、物聯網、云計算、大數據挖掘等技術與光伏電站技術深度融合，開展光伏電站數智化、智慧化的技術研究，探索設備智能化、信息一體化以及大數據增值服務等方面的應用，全面建設智慧型光伏電站，實施電站的精益化運維管理，降低了生產運維成本，實現了光伏電源與電網間的友好互動，提高了資源利用效率。

借助數字化、智能化光伏電站平臺，智慧化解決方案提供了面向全流程的運行、維護和管理的一體化手段。智慧化建設是一個系統、長期、動態的過程，在建設實踐中要遵守循序漸進、技術成熟、安全可靠的思想，關鍵是要積極探索大數據、云計算、物聯網、移動互聯、人工智能、智能穿戴、無人機器等新型技術的應用研究，使光伏電站的監控管理從經驗分析型逐步向智能智慧型轉變，并以精準控制、精細維護、高效運維為目標，為光伏電站的監控及運營維護提供技術支持和服務保障，也為現場無人值守的智慧化遠程集控運維管理模式打下堅實的基礎。

作者簡介：

張澤成（1984-），男，山東淄博人，工程師，學士，現就職于國華（乳山）新能源有限公司，研究方向為電氣工程及其自動化。

張宗旭（1988-），男，山東濟南人，工程師，學士，現就職于國華（乳山）新能源有限公司，研究方向為電氣工程及其自動化。

王家坤（1986-），男，山東濟南人，工程師，學士，現就職于國華（乳山）新能源有限公司，研究方向為新能源數字化、智能化。

卿子龍（1965-），男，湖南邵陽人，高級工程師，碩士，現就職于國網電力科學研究院，研究方向為電力系統保護、控制、自動化系統和發電過程自動化系統。

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摘自《自動化博覽》2024年8月刊