文献标识码：B文章编号：1003-0492（2024）08-076-06中图分类号：TP277

★张泽成，张宗旭，王家坤（国华（乳山）新能源有限公司，山东济南250002）★卿子龙（国网电力科学研究院，江苏南京210031）

关键词：光伏电站；数字化；智能化；智慧型监控管理系统；IEC61850

1　引言

我国碳达峰、碳中和的愿景，把光伏等新能源发电方式推向了行业的前台，成为解决能源安全、环境污染等问题的期望^[1]。自从金太阳示范工程后，光伏电站数目不断快速增加，传统电网的组织架构不断变化，新型电力系统的安全稳定运行面临严峻的挑战^[2-3]。紧随智能电网的发展需求，开展光伏电站数字化、智能化的研究，建设高水平的智慧型光伏电站，实现光伏电源与电网间深度友好融合，对光伏发电产业的持续发展和电网的安全稳定运行意义重大。大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能等先进技术的快速发展，也为“互联网＋智慧型光伏电站”的建设提供了技术支撑^[4]。

本文首先分析了光伏电站综合自动化系统的现状，随后在研究新能源场站智能化、智慧化技术发展需求的基础上^[5-10]，基于生产监控和运营管理两个维度，提出了光伏电站智慧型监控管理一体化系统的设计理念，并对系统的体系架构进行了研究，最后以一次设备智能化、二次设备网络化、全站信息数字化、信息共享标准化、系统功能一体化、高级应用互动化、设备状态可视化、运维管理智慧化为建设目标，研究了系统功能的主要技术特征，期望为光伏电站的数智化、智慧化建设提供可行性技术方案。

2　光伏电站综合自动化系统的现状

大型光伏电站具有设备数量多、种类繁多、组网复杂等特点，综合自动化系统结构复杂。目前，光伏电站的综合自动化系统按照需求配置了相应的功能子系统，如综合监控、辅助监控、状态在线监测等。但数量众多的子系统，普遍存在着信息不规范、功能不完善等问题。数量众多的功能子系统，缺乏统一的规划。不同平台和数据格式的功能子系统，相互独立，形成了不能互通协调的信息孤岛，主辅设备设施间的互联互动难以实施。全站的综合自动化水平比较低，主要存在如下问题：

（1）传统的监控管理模式，无法适应场景多样性的要求；

（2）业务子系统多，数据类型多，子系统间信息共享不足，协调控制不便；

（3）站内信息量大，但与电网调度间的信息数据共享不足，系统调控功能难；

（4）光伏电站面积大，设备数量多，人工检测故障难，运维成本高；

（5）电站的数字化、智能化程度低，也缺乏高效的智能化管理策略，全站运维管控难。

3　光伏电站综合自动化系统的发展方向

随着新能源标杆平价上网等政策的出台，光伏发电行业的投资压力加大，企业越来越关注如何提高场站利用小时数、降低运维成本以及提升全站全生命周期的收益率。从光伏电站的设备（光伏组件、逆变器等）选型、生产监控管理以及发电数据的积累分析等方面，将先进信息技术和智能化技术融入各个阶段中，可以减少运维人员的日常巡检、报表、两票管理、故障处理等工作量，达到自动诊断与修复的目标，降低了运维成本。因此，光伏电站对信息数字化、管理智慧化的需求与日俱增。

信息数字化、管控智能化、决策智慧化是光伏电站综合自动化的发展方向，开展光伏电站数智化、智慧化的研究，意义重大。大数据、云边计算、电力物联网、移动互联、人工智能等先进技术的快速发展和广泛广用，为光伏电站智慧型综合自动化系统的建设奠定了技术基础。综合运用先进技术，光伏电站能有效开展以下方面的工作：

（1）分析、挖掘生产运营数据，准确分析电量损失，优化光功率预测模型，提高发电量；

（2）针对光伏电站面积大、人工检测效率低等问题，采用无人机开展全站的智能巡检工作；

（3）构建多参数、多机制融合的设备状态监测与故障诊断体系，基于状态检修，缩短停运时间；

（4）调整全站运行管理模式，实施全站无人值守，减少现场运维工作时日；

（5）以数据为支撑，优化生产运维模式，创新光伏电站管理模式，降低运维成本；

（6）基于实时与历史数据，合理评价运行绩效，提升全站的全生命周期的运营水平。

4　智慧型监控管理系统的体系架构

监控管理系统是光伏电站的光伏发电区和汇集升压站的设备监控和管理一体化系统。信息数字化、设备智能化是智慧化建设的基础。智慧化建设以设备状态全息感知、机器替代人工巡检、设备缺陷主动预警、设备故障智能诊断、远程操作一键顺控、主辅设备智能联动、运维管控智慧决策、设备资产全生命周期管理为建设目标，按照一体化设计、标准化接口、数字化传输、智能化联动的设计思想，广泛应用大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能、AR/VR、数字孪生等先进技术，形成了一种具备自适应、自组织、自趋优、自恢复的智慧化运维管理系统，可对设备、动力、环境、消防、安全等进行全面智能化管控，提升了安全生产的精益化管控水平，大幅减少了日常运维的工作量，实现了低碳清洁、安全灵活、运维高效的生产目标。

光伏电站智慧型监控管理系统采用分层分布、开放灵活的三层两网式的体系结构，全站分为站控层、间隔层、过程层。一体化监控管理平台以标准的通信接口及协议，统一智能设备、智能子系统的接入，全面整合各子系统的功能，实现过程智能设备层、间隔保护控制功能层、电站生产监控以及智慧管理决策层之间的无缝融合，实现全站的全景可视化集中管控。

站控层设备包括服务器、工作站、通信网关机、网络设备等。站控层以IEC61850标准有效整合各个独立子系统，包含综合监控、状态在线监测、辅助监控等功能子系统，为全站提供运行、管理、工程配置的界面，记录站内所有相关信息。站控层软件采用一体化设计，功能高度集成，可实现全站设备的监视、控制、告警及信息交互等功能。它以应用层面的各项功能为基础，实现主辅设备智能联动、远程控制、远程预警、远方故障确认、远程视频漫游巡视、远方智能巡检、现场人员作业远程管控等功能，全站智能化控制，全景化展示，并为高级业务应用层提供信息支撑。一体化高级业务应用层具有数据统计智能分析、数据挖掘展示以及大数据智慧化决策等功能。

间隔层功能设备包括保护、测控、电能计量、安全稳定、故障录波等网络化二次设备以及智能化功能子系统。间隔层设备与站控层之间MMS网采用双重化以太网，单一网络故障时不损失任何功能。在站控层及站控层网络失效的情况下，间隔层设备仍能独立工作。

过程层设备包括变压器、电流/电压互感器等设备及其合智单元终端和独立的智能电子装置。泛在物联网集成各类智能传感器、智能终端等智能化电子装置，实现主辅设备的监控，为一体化监控平台提供了基础运行数据。过程层网络包括GOOSE网和SV网备：GOOSE网用于间隔层和过程层设备之间的状态与控制数据交换；SV网用于间隔层和过程层设备之间的遥测采样值传输。保护装置与本间隔的合智能单元终端之间还可采用点对点的通信方式。

根据光伏电站的业务特点和网络安全的风险情况，基于自动化系统的网络安全防御分析，我们将系统分为安全I区、II区、III/IV区。I区是主设备实时监控区，主要是升压站和光伏发电区的监控；II区是状态监测与辅助设施监控区，还包括电能量采集、故障录波及保信收集、光伏功率预测等功能；III区是生产管理区，还有天气预报、移动办公等子系统；IV区是智能化运检视频区，含检修管理。安全I、II区之间设置防火墙，安全II、III/IV区之间设置正/反向隔离装置。安全I区、II区与上级集（调）控中心之间设置纵向加密认证装置，安全III/IV、上级集（调）控中心区之间设置防火墙。智慧型监控管理系统的体系架构如图1所示。

图1 光伏电站智慧型监控管理系统的系统架构

5　智慧型监控管理系统功能的技术特征

光伏电站智能型监控管理系统以一次设备智能化、二次设备网络化、全站信息数字化、信息共享标准化、系统功能一体化、高级应用互动化、设备状态可视化、运维管理智慧化为建设目标。智慧化建设的主要内容包括设备状态的全景监测、现场可视化巡检、数据智能化分析、故障智能化诊断、控制智能化调节、设备互联互动、设备及备件智能化管理、现场人员智能化管控、运维智慧化决策等方面。系统集成可靠的智能化设备，统一接入、统一存储和统一管理设备的运行、状态等信息。通过系统集成优化和信息共享，可实现运行监视、操作与控制、信息分析与智能告警、运行管理和辅助应用等功能，可支持在线分析、智能评估、智能调节、协同互动等高级功能，实现了设备资产的全生命周期管理，以及设备状态从单量检测到多源全息感知、巡检模式从人工巡检向无人机器巡检、设备异常由经验判断向智能化诊断、运行工况由人工推送向主动预警、主辅设备监控由站端向远程等工作模式的转变。

5.1　设备智能化功能更加完善

设备智能化要求一次设备本身测量数字化、状态可视化和通信网络化，并集保护测控、状态监测、标准信息接口于一体，功能更集成、结构更合理，设备具有自我检测、就地评估能力。融合了状态在线检测、故障智能诊断功能的一次设备，能及时准确地判断故障情况，使设备故障早预警，并给出准确的修复策略。智能化光伏逆变器集电力变换、数据采集、在线分析、远程控制等功能为一体，模块化、体积小、功能全，能适应风沙、盐雾、低温高湿等各种复杂环境。

5.2　辅助监控的综合智能化

辅助设备设施的数字化、智能化是实现智慧化运行的基础。辅助综合监控系统有效集成了火灾消防控制、环境监测、空调环境、照明灯光、箱门锁具、安全防范等智能化子系统，可进行高度数据融合。该系统基于IEC61850标准，统一配置多个子系统，统一收集和对外发布子系统的信息，为智慧化联动、集控运维提供了基础支撑。

（1）主辅设备的智能联动：主辅设备设施全面监控与智能联动是智慧化建设的核心之一。智能联动功能涉及的子系统较多，联动控制策略也比较复杂，如火灾消防子系统具有对不同类型火灾的探测、灭火以及远程报警功能，其与视频监控、照明、安防等智能化子系统联动，可提高工作效率。

（2）智能化安全锁控：电子钥匙和锁具替代了传统机械钥匙和锁具，实现一匙开启。锁控器具有开锁权限远程化控制、开锁流程信息化管理等功能。由一二次设备管控、辅助设备管控、接地线管理等综合组成的智能安全防误，可实现远程操作授权许可、远程安全管控等智能化功能，保障了防误操作业务全覆盖、过程全管控，大幅提升了安全作业管控水平和运维效率。依托实物ID与RFID感知技术，可快速识别设备，实现锁控设备信息互联共享、锁控操作与防误操作智能联动。

（3）智能化警卫监控：光伏电站面积大，存在着非法入侵、防控压力大等问题。设置安全防护终端及安全警卫平台，综合运用红外对射探测器、电子围栏、门禁设备等安全防范技术设备，可实现防入侵、防盗窃、防破坏等功能。基于Wi-Fi、视频监控的全覆盖，可实现人员的全过程、全方位、全角度的安全管控。监控主机开展设备（外观异常、故障类型等）、环境（异物入侵、烟火识别等）、人员（违规进入非工作区）的图像识别，进行智能分析、诊断，可及时发现异常或违规的作业行为，并告警提示、矫正。安全管理与视频监控等子系统的功能综合，可从全景的视角出发，发现潜在的风险，及时制止违规行为，有效提升了安全防护的管控水平。

5.3　智能化的联合巡视巡检

针对光伏电站设备数量多、故障定位难等特点，使用机器人、无人机等智能设备，实现电站日常及特殊巡检的智能化。智能机器人代替人工，完成巡视、检查等任务，减少了运维人员的工作量。利用图像识别等技术，可及时发现设备的故障缺陷及安全隐患。无人机搭载多光谱相机，对光伏组件进行红外测温成像，可快速对组件的热斑、破碎、隐裂等缺陷进行检测，并可对红外图像数据进行对比分析，精准查找出光伏组件的缺陷，对缺陷类型进行快速判别；根据相机POS数据和相机模型，解算缺陷的坐标，实现缺陷定位。智能无人机的全面排查、定位、跟踪、记录功能，大幅提升了光伏组件的巡检及故障诊断效率。无人机还可对全站的外景进行高清视频拍摄。远程智能巡检降低了安全风险。

联合巡检系统运用无人机巡视、可视化视频、大数据分析、人工智能诊断等技术，结合以场景和应用为基础的“云-管-边-端”技术架构，建立智慧化运检管控一体化。整合多源数据，通过图像识别、音频分析、人工智能技术，实现故障隐患的主动发现、主动预警；通过三维可视化技术结合实时音视频及设备状态信息，实现虚实结合、立体可视的全景展示。

5.4　基于全景数据的故障诊断

状态实时监测是光伏电站运维的基础，它从海量的设备运行数据中筛选出关键的运行数据，进行可靠性分析与性能评估，主动发现光伏组串、汇流箱、逆变器的不良运行状态；动态监视关键设备的性能变化，通过对有效发电小时数、光伏阵列功率、逆变器发电效率等关键指标运行分析和评价，开展基于大数据的设备远程优化、故障诊断预警；探索故障预测和事前维护机制，引导运维管理从依靠经验判断向基于数据分析转变。多维度的设备运行状态数据是性能分析与健康评估的基础，多源信息融合包括多源信息的检测估计、关联组合。基于信息融合的专家预测系统，能提高状态评估的准确性。将智能传感器、物联网、大数据分析等技术融入光伏电站的运维管理，对关键一次设备和重要保护控制二次设备的运行状态进行实时监测及智能化评估分析，并通过大屏幕显示、移动终端等设备向运行人员展示设备的运行状况；可视化智能管理及时给出预警信息和诊断结果，便于运维人员快速定位异常设备，提升了运行、维护、检修的效率。构建智能化、标准化、多机制融合的多参数监测系统，是光伏电站在线监测技术的发展趋势。基于全景数据的故障诊断实现了被动运维方式向智能化主动预防的状态运维策略跨越，3D可视化技术还可实现升压站的全景监视。

5.5　高级应用功能的智能化

光伏电站的有功无功智能协调控制确保在有功调控时不会导致电压异常，避免过度调节以及调节震荡；光功率预测及时预警升压站的电压情况，并进行电站内的电压预控，提前调整无功控制装置，维持电站电压的稳定；升压站与调度主站的双向互动，提高了电站并网的友好程度。

智能化一键顺控功能，在监控后台的一键执行，就能根据设定的逻辑实现光伏电站的一系列操作。智能化综合控制对因变压器抽头调整、无功源投切等工况引起的无功电压的波动进行实时跟踪；根据全站无功电压的调节要求，综合考虑变压器运行方式和SVC的控制策略；将变压器与电容器组、SVC进行协同优化控制。基于SCADA实时数据的变压器经济运行方式，将经济负荷率引入综合寻优控制之中，智能地给出优化控制策略，实现平抑电压无功波动，提升了供电质量，保证了升压站的经济运行。

5.6　生产运维管理的智慧化决策

生产运维管理是光伏电站智慧化建设的核心之一，安全运维是全生命周期管理的核心。将信息技术嵌入生产管理系统，生产运行和运维管理的电子化、移动化，减少了运维人员的报表管理、故障处理等工作量。运行管理主要是运行日志管理，通过定制的运行日志功能模板，实现运行日志的填报、送审、查询，通过检索与缺陷处理信息关联，并添加相应的缺陷处理信息；生产指标管理包括发电量、上网电量、利用小时数、弃光电量、设备可利用率、故障消缺比率等；缺陷管理有发现与消除并对相关缺陷信息进行统计分析的能力；设备台账管理支持添加、编辑、删除设备信息，支持查看设备的操作日志、缺陷记录。运营App支持通过智能手持App，实现运营的全流程跟踪。运维App能实时展示电站的运行状态数据及运维信息，加快了故障处理响应度。管理人员可以通过智能手持App查看电站的生产情况，了解电站的总体运营状况。

6　结语

我们将先进的传感测量、数字信息、物联网、云计算、大数据挖掘等技术与光伏电站技术深度融合，开展光伏电站数智化、智慧化的技术研究，探索设备智能化、信息一体化以及大数据增值服务等方面的应用，全面建设智慧型光伏电站，实施电站的精益化运维管理，降低了生产运维成本，实现了光伏电源与电网间的友好互动，提高了资源利用效率。

借助数字化、智能化光伏电站平台，智慧化解决方案提供了面向全流程的运行、维护和管理的一体化手段。智慧化建设是一个系统、长期、动态的过程，在建设实践中要遵守循序渐进、技术成熟、安全可靠的思想，关键是要积极探索大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能、智能穿戴、无人机器等新型技术的应用研究，使光伏电站的监控管理从经验分析型逐步向智能智慧型转变，并以精准控制、精细维护、高效运维为目标，为光伏电站的监控及运营维护提供技术支持和服务保障，也为现场无人值守的智慧化远程集控运维管理模式打下坚实的基础。

作者简介：

张泽成（1984-），男，山东淄博人，工程师，学士，现就职于国华（乳山）新能源有限公司，研究方向为电气工程及其自动化。

张宗旭（1988-），男，山东济南人，工程师，学士，现就职于国华（乳山）新能源有限公司，研究方向为电气工程及其自动化。

王家坤（1986-），男，山东济南人，工程师，学士，现就职于国华（乳山）新能源有限公司，研究方向为新能源数字化、智能化。

卿子龙（1965-），男，湖南邵阳人，高级工程师，硕士，现就职于国网电力科学研究院，研究方向为电力系统保护、控制、自动化系统和发电过程自动化系统。

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摘自《自动化博览》2024年8月刊