光伏电站远程数据中心系统架构设计

光伏电站远程数据中心系统架构设计黄小鉥，翟长国，郭剑虹，吴福保，姚虹春（国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司，江苏省南京市２１０００３）摘要：介绍了金太阳示范工程中光伏电站远程数据中心系统的基本逻辑结构及功能。

远程数据中心系统负责监视光伏电站的运行情况，并进行数据汇总分析。

在此基础上讨论了通信方式、通信协议的选择，以及数据模型和应用功能的设计。

目前，该数据中心已在国家电网公司试验验证中心投入运行。

关键词：光伏电站；远程监控；数据中心；金太阳示范工程；系统结构收稿日期：２０１０－０８－３１；修回日期：２０１０－１２－２２。

０　引言金太阳示范工程是国家重视太阳能利用、加快国内光伏发电的产业化和规模化的一项战略发展策略。

光伏电站的通信和数据模型还没有统一的标准。

文献［１］设计了光伏电站监控系统的结构；文献［２－３］提出了光伏电站远程监控系统的通信方式；文献［４－５］提出了适用于光伏电站仿真的建模方法；文献［６］提出了基于公共信息模型（ＣＩＭ）的数据处理方法；文献［７］提出了风光储一体的网格界面。

这些分析为光伏电站的数据采集、数据建模和通信方式提出了可行的思路，但未涉及作为数据中心时的通信要求、数据模型和分析应用功能。

目前国内建成的光伏电站当地监控系统，其重点也在于电站内各类设备的信息采集，个别逆变器厂家建设了适用于本公司逆变器产品的远程监视系统，主要用于采集电量等少数几个数据。

随着光伏产业的规模化发展，考虑光伏电站分散分布的特点，有必要建立金太阳远程数据中心，以便综合评估、利用和统计光伏电站的各类数据。

本文分析了现有光伏电站的结构特点，在此基础上对远程数据中心的系统架构、通信模式、数据模型和应用功能进行了设计，并开发了系统软件。

１　系统架构作为金太阳示范工程的远程数据中心，该中心要求光伏电站上送各类运行数据，包括核心设备数据、电量数据、环境资源数据等，汇集后进行数据的监视和分析。

整个系统分为３层：电站层包括了属于金太阳示范工程的所有光伏电站，主要采集的信息包括光伏电站核心设备（逆变器等）和电能表信息、环境数据；通信层通过信道将电站的信息上送；主站层即远程数据中心，所有电站的数据在此汇总分析。

其逻辑结构如图１所示。

图１　金太阳远程数据中心逻辑结构Ｆｉｇ．１　Ｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｏｌｄｅｎ－ｓｕｎ　ｌｏｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅｄａｔａ　ｃｅｎｔｅｒ１．１　电站层每个光伏电站都是一个太阳能光伏并网发电系统，具有包括升压站（变压器）、逆变器、汇流箱、电池阵列、蓄电池、电能表、环境检测设备在内的各类核心设备。

此外，还包括气象数据和逐日系统的数据，站内需要实现对各类数据的采集转发功能。

电站内元件典型接线方式和数据采集见图２。

１．２　通信层１．２．１　电站当地通信条件目前，国内光伏电站对外数据转发尚无统一的标准，因此各个电站的配置也大不相同，当地的对外通信状况大致可分为以下３种：１）配有当地监控系统。

这种电站的容量相对较大，有独立的监控中心，只需在监控中心侧进行扩展即可实现对外通信。

—１６—第３５卷　第７期２０１１年４月１０日Ｖｏｌ．３５　Ｎｏ．７Ａｐｒ．１０，２０１１图２　典型接线和数据采集图Ｆｉｇ．２　Ｔｙｐｉｃａｌ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｄｉａｇｒａｍ２）当地没有监控系统，但逆变器具备转发接口。

这种电站的容量相对较小，各个逆变器的信息可以汇总后转发出来。

３）当地没有监控系统，逆变器也不具备转发接口。

这种电站的容量很小，如需对外转发数据，必须增加通信模块。

金太阳示范工程中的光伏电站要求采用前２种建设模式，留有对外通信端口。

１．２．２　通信方式的选择由于金太阳示范工程遍布全国各个省市，采用无线通信是最合理的方式，同时必须满足：①覆盖范围广；②快速；③安全；④费用省。

金太阳远程数据中心选择电信无线虚拟专用拨号网（ＶＰＤＮ）作为通信通道。

ＶＰＤＮ是中国电信提供的一种基于２Ｇ／３Ｇ网络的无线业务，它利用工业标准的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ第２层隧道协议（Ｌ２ＴＰ）技术为政府、企业客户的无线移动用户构建的与公众互联网完全隔离的虚拟专用网络，能够满足以上要求。

建设时在主站层配置路由器和防火墙，在当地电信开通专用域名，通过专线接入当地电信ＶＰＤＮ平台。

在电站侧配置无线接入终端接入电信无线网络，其结构如图３所示。

图３　通信结构Ｆｉｇ．３　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１．２．３　通信协议的选择目前，光伏电站内的数据采集协议大都基于工业控制器的网络协议ＭＯＤＢＵＳ。

由于电站内部设备分为众多单元，每个单元的数据量较少，因此ＭＯＤＢＵＳ协议更适合于站内使用。

如果用于对外转发，由于每包字节数的限制使其适应性不佳，因此，考虑采用现有已经成熟的电力系统常用的网络传输协议ＩＥＣ　１０４，但必须进行如下扩充：１）用特定的功能码来描述数字量。

所谓数字量即一个整型值，每个数值代表不同的含义，这种数据类型常见于各类设备的状态。

其不同于ＩＥＣ　１０４中所定义的标准数据类型，因此必须加以扩充。

２）增加直接控制模式。

电力系统的控制流程为选点→返校→遥控，在光伏电站内的很多设备采取的是直接遥控方式。

如果需要对电站进行控制，则必须增加直接控制方式的描述。

１．３　主站层主站系统采用双网模式，配置主备历史数据服务器、主备前置服务器、３台应用分析工作站和１台Ｗｅｂ服务器。

核心设备均采用冗余配置，以保证系统正常运行。

硬件结构如图４所示。

图４　主站硬件结构Ｆｉｇ．４　Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｓｔｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ主站层软件由操作系统、支撑平台、数据采集模块和各个应用功能组成。

操作系统选用Ｕｎｉｘ／Ｌｉｎｕｘ混合结构。

支撑平台主要提供系统运行支撑环境，包括网络、实时库、历史库、图形、报表等服务。

数据采集模块负责数据的采集，应用功能实现数据监视、各类数据的统计、光伏组件性能对比等。

２　数据模型由于目前国内尚无光伏电站的数据模型标准，因此借鉴ＩＥＣ　６１９７０ＣＩＭ的建模方式对金太阳示范工程进行建模。

对于电站内的升压站（变压器）的模型可借鉴ＣＩＭ的标准，而逆变器、箱变、汇流箱等其他设备可以根据安装方式的不同分布到不同的单元中。

可将升压站（变压器）低压侧进线的所有设备划分为一个单元，认为是一个间隔；气象数据和逐日系统的数据相对独立，直接隶属于光伏电站，这样整个系统的数据模型见图５。

一个单元中的核心设备一般有如下几种情况：１）有一台箱变，若干台逆变器在此汇集后进行—２６—２０１１，３５（７）　第１次升压；直流侧设备包含若干个汇流箱和若干个电池阵列。

２）一台逆变器连接一台箱变，直流侧设备包含若干个汇流箱和若干个电池阵列。

３）没有箱变，只有一台逆变器，直流侧设备包含若干个汇流箱和若干个电池阵列。

根据以上分析，对一个间隔内的设备可按直流侧和交流侧进行划分，同时在设备模型中需要描述“父节点”，用以表示其上下级连接关系。

图５　数据模型关系Ｆｉｇ．５　Ｄａｔａ　ｍｏｄｅｌ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ为便于后期的统计分析，还需要描述核心设备的各类属性，包括设备型号参数、生产厂家、设备静态参数等，同时按照静态数据和动态数据建立统计模型。

系统整体类关系见附录Ａ图Ａ１。

３　应用功能作为金太阳示范工程的远程数据中心，其主要职能是对金太阳工程的现场数据进行监视，并提供后期的数据分析。

因此主要包括以下应用功能：１）数据监视。

按全国→省份→光伏电站的层次结构组织数据监视画面，监视信息包括升压站（变压器）数据、逆变器交直流侧数据、箱变数据、电站拓扑结构、通信结构等。

２）数据统计。

按不同的统计区域（全国、各省、电站、单元）进行数据统计，统计量包括电量、功率、元件个数、电站运行率等。

３）数据对比。

按照不同的方式（电站、组件型号、设备厂商等）折算到统一单位面积进行数据对比。

包括发电量、发电效率、发电变化趋势等，给出优劣排序。

４）环境数据分析。

根据不同的环境条件，对光伏电站进行数据对比，给出不同环境条件下的发电效率优劣排序等。

４　结语金太阳远程数据中心是金太阳示范工程的远程监视中心，通过该数据中心，可以监视金太阳示范工程中光伏电站的各类信息并进行数据分析对比。

目前金太阳远程数据中心系统已在国家电网公司试验验证中心投入运行（详见附录Ａ图Ａ２、图Ａ３），为光伏电站标准化的研究提供了参考。

附录见本刊网络版（ｈｔｔｐ：／／ａｅｐｓ．ｓｇｅｐｒｉ．ｓｇｃｃ．ｃｏｍ．ｃｎ／ａｅｐｓ／ｃｈ／ｉｎｄｅｘ．ａｓｐｘ）。

参考文献［１］李立伟，王英，包书哲．光伏电站智能监控系统的研制［Ｊ］．电源技术，２００７，３１（１）：７６－７９．ＬＩ　Ｌｉｗｅｉ，ＷＡＮＧ　Ｙｉｎｇ，ＢＡＯ　Ｓｈｕｚｈｅ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ＰＶ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００７，３１（１）：７６－７９．［２］刘福才，高秀伟，牛海涛，等．太阳能光伏电站远程监控系统的设计［Ｊ］．仪器仪表学报，２００２，２３（增刊１）：１８４．ＬＩＵ　Ｆｕｃａｉ，ＧＡＯ　Ｘｉｕｗｅｉ，ＮＩＵ　Ｈａｉｔａｏ，ｅｔ　ａｌ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅｓｏｌａｒ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｌａｎｔ’ｓ　ｄｉｓｔａｎｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００２，２３（Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ１）：１８４．［３］刘福才，张海良，王冬云．基于ＧＰＲＳ的光伏电站远程监控系统的设计［Ｊ］．自动化与仪表，２００６，２１（５）：２９－３１．ＬＩＵ　Ｆｕｃａｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｈａｉｌｉａｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｄｏｎｇｙｕｎ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｌａｎｔ’ｓ　ｄｉｓｔａｎｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＧＰＲＳ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，２００６，２１（５）：２９－３１．［４］丁明，张征凯，毕锐．面向分布式发电系统的ＣＩＭ扩展［Ｊ］．电力系统自动化，２００８，３２（２０）：８３－８７．ＤＩＮＧ　Ｍｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｅｎｇｋａｉ，ＢＩ　Ｒｕｉ．Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ＣＩＭ　ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００８，３２（２０）：８３－８７．［５］李晶，许洪华，赵海翔，等．并网光伏电站动态建模及仿真分析［Ｊ］．电力系统自动化，２００８，３２（２４）：８３－８７．ＬＩ　Ｊｉｎｇ，ＸＵ　Ｈｏｎｇｈｕａ，ＺＨＡＯ　Ｈａｉｘｉａｎｇ，ｅｔ　ａｌ．Ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ＰＶ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００８，３２（２４）：８３－８７．［６］梁才浩，段献忠．分布式发电及其对电力系统的影响［Ｊ］．电力系统自动化，２００１，２５（１２）：５３－５６．ＬＩＡＮＧ　Ｃａｉｈａｏ，ＤＵＡＮ　Ｘｉａｎｚｈｏｎｇ．Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄｉｔｓ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００１，２５（１２）：５３－５６．［７］ＮＡＩＫ　Ｒ，ＭＯＨＡＮ　Ｎ，ＲＯＧＥＲＳ　Ｍ，ｅｔ　ａｌ．Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｇｒｉｄｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｆｏｒ　ｕｔｉｌｉｔｙ－ｓｃａｌｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ，ｗｉｎｄ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ，ａｎｄ　ｆｕｅｌ－ｃｅｌｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　ＰｏｗｅｒＤｅｌｉｖｅｒｙ，１９９５，１０（４）：１９２０－１９２６．黄小鉥（１９８０—），男，通信作者，工程师，主要研究方向：电力调度、监控系统。