基于物联网的户用光伏电站监控运维SAAS 系统的
设计与实现
毛银华
（中民智荟（上海）科技有限公司，上海　201611）
摘　要：基于物联网的户用光伏电站监控运维系统是以物联网为基础，融合互联网、大数据等技术，以实现户用光伏电站远程实时监控、自动报警、自动报修，并根据故障情况进行工单生成、派单、接单、处理工单等运维业务信息化，具有较强的可扩展性及可操作性。系统的实现，不仅解决了户用电站分布分散、运行监控困难等问题，而且实现了从业企业运维业务的线上信息化，同时能够快速兼容不同的光伏逆变器设备。
关键词：系统设计；物联网；户用光伏；SAAS
中图分类号：TP319  文献标识码：A  文章编号：1003-9767（2020）10-056-04
Design and Implementation of Remote Medical Diagnosis Video System
Based on Internet of Things
Mao Yinhua
(Zhongmin Zhihui (Shanghai) Technology Co., Ltd., Shanghai 201611, China)
Abstract: Based on the Internet of things, the monitoring and operation system of household photovoltaic power station is based
on the Internet of things, integrating Internet, big data and other technologies to realize remote real-time monitoring, automatic alarm and automatic repair application of household photovoltaic power station, and informatization of operation and maintenance business such as work order generation, dispatching, receiving and processing work order according to the fault conditions, with strong scalability and operability. The realization of the system not only solves the problems such as the distribution of household
power stations and the difficulty of operation monitoring, but also realizes the online informatization of the operation and maintenance
business of the enterprises engaged in the industry, and can quickly compatible with different photovoltaic inverter equipment.
设计网站接单Key words: system design; internet of things; household photovoltaic; SAAS
作者简介：毛银华(1983—)，男，江苏南通人，本科，信息系统项目管理师。研究方向：能源互联网。
０　引言
随着光伏技术的发展和国家的大力支持，户用光伏电站凭借不占土地、能源清洁等优势，在国内得到蓬勃发展，截至2019年底，全国运行中的户用光伏电站超过200万座，直接年发电量超过150亿度，百姓创收超过100亿元，光伏从业企业超过10 000家。同时每年保持年均增加50～80万座[1-5]。屋顶户用光伏市场潜力依然巨大，快速发展会持续多年。
户用光伏电站，采用众独立屋顶作为建站基础，百万级电站单体装机容量小而又分布广泛，给电站后期保养、巡检、运维带来了极大的困难。基于此痛点，设计一种基于物联网且能服务大量光伏企业的集中式远程户用光伏电站监
控运维SAAS 系统具有重要的现实意义，其网络平台实现是将光伏电站逆变器通过物理接口连接定制透传数据采集器（DTU ），数据采集器通过移动通信物联网（GPRS ）连接光伏数据处理中心系统，平台经过数据处理并按照固定的信息格式同运维信息平台进行对接，从而实现设备、数据、平台之间构造出整体的电站监控智能网络[6-10]。同时，系统采用开发式SAAS 架构设计，从业企业通过开放Web 页面注册即可成为SAAS 系统用户，在线上就能开展电站运维业务。
在此基础上设计的户用光伏电站监控运维系统不仅要将不同品牌、不同设备信号的数据进行识别、解析和判断，而且还要结合不同企业充分了解光伏电站运维业务的特点，让平台企业用户能根据电站的运营状态，在线制作运维工单、
派发运维工单、运维人员通过手机进行接单等，让电站个人用户通过移动端进行自我电站监控、保修、跟单和评价，以实现从监控到运维业务的全面覆盖。
１　系统实现的硬件平台
1.1　网络拓扑结构
户用光伏电站监控运维系统的硬件平台是基于物联网技术而构建的，其包括光伏数据处理中心系统、户用光伏电站监控应用系统、户用光伏电站运维业务系统3大部分，如图1
所示。
图1　户用光伏电站监控运维SAAS 系统网络结构图
1.2　系统架构说明
户用监控运维系统物联网平台可以进行设备认证、设备连接、设备管理及实时数据缓存。数据处理中心负责电站数据解析、电站大数据仓库、数据分析和电站实际工况判断决策；监控业务系统是电站监控业务开展的载体，电站总体运行大屏、电站工况报警、电站管理及监控业务数据存储；运维业务系统是电站运维业务载体，包括电站用户管理和工单管理[11]。整个系统的操作展示采用Web 浏览器、手机APP
2所示。
整个系统可以分成设备层、连接层、数据层、业务层和展示层，以逆变器为数据基本源头，借助物联网技术实现电站、系统、企业和用户的实时连接，借助物联网云对大量设备进行集中管理，借助数据中心的数据分析和处理，最终实现电站监控、运维业务的全面信息化，采用SAAS 通用架构实现注册接入、用户数据分离，提升线上企业整体电站监控运维业务服务水平的同时降低企业部署监控运维线上系统的整体成本，真正做到注册即部署、注册即上线的目标。1.2.1　物联网云平台
运联网云平台含有设备认证、设备管理和连接管理模块，能够实现接入设备授权认证和设备管理。设备认证采用标准的PKI 证书体系，通过后台生成token 证书同时在授权采集器内进行烧录，同时在设备注
册通信时进行证书认证，以保证设备的合法性。物联网云包含连接管理模块，模块包含了使用HTTPS 长连接、MQTT 数据协议栈等机制进行设备连接心跳管理、数据传输，实现设备和云的连接和数据交换。物联网云包含数据缓存库，用于保证设备、云平台和数据中心的数据一致性和完整性，包括数据防丢、断点续传、数据追溯等。
1.2.2　数据处理中心
数据中心承担着电站数据协议转换、数据存储、数据分析及数据处理结果输出的任务，包含了协议解析模块、数据分析模块、数据输出模块、电站工况决策模块及大数据仓库。
协议解析模块系统，负责对不同品牌、不同型号所使用的不同设备数据输出协议进行解析，并对数据进行格式化处理和转化，并安装统一标准存入数据仓库。数据分析和决策模块，负责对数据仓库中的数据，从天气数据、区域内电站对比、时间纵向对比、逆变器运行指标数据等维度进行分析建模，根据模型计算结果判断当前电站是否存在积灰、故障、欠压等问题，并输出电站工况决策结果。数据输出系统负责采用标准的数据协议向业务系统提供数据接口，提供数据推送和拉取的方式提供经过协议转换、数据分析和决策判断后的统一标准格式化电站运行工况信息。1.2.3　整体SAAS 架构
整个架构的业务层采用云技术SAAS 架构，即企业通过注册账号方式直接获得监控运维系统的使用权限。SAAS 系统采用云资源共享、数据隔离、业务分离的方式使系统能同时供线上众多企业同时使用的同时，保证企业数据的安全存储和保密隔离，整个SAAS 系统包含了SAAS 后台、运维业务系统和运维系统，并提供Web 端和手机端。1.2.3.1　SAAS 后台系统
SAAS 后台系统负责保存整个系统的业务数据、SAAS 企业用户管理、企业业务系统配置及企业用户运营。数据保存需要保证数据存储安全的同时，还要保证各企业用户数据间的隔离和灵活的导入、备份、导出、迁移等。本系统采用MySQL 分布式结构+MongDB 相结合的数据存储方式。用户
对注册用户资料进行管理和审核，同时根据企业业务需求，对监控需求、运维业务流程、权限机制、审核流程等进行配置，SAAS业务内置引擎根据不同的配置展示不同的业务信息流程。
1.2.3.2　监控业务应用系统
监控业务系统负责电站的监控录入、电站设备管理和电站监控展示系统。监控录入系统负责电站的系统注册、信息录入、数据激活等功能，是电站登记进入系统的业务入口，一方面提供Web端人工电站注册口，同时提供系统API，接受其他系统以系统对接方式进行电站录入。电站设备管理负责为用户提供Web页面，同时对外提供系统API，允许例如运维系统通过API管理电站设备。电站监控展示系统采用信息化大屏BI方式让监控中心人员了解电站工况，及时通过视觉提示方式进行报警。
1.2.3.3　运维业务应用系统
运维业务系统负责电站运维业务的信息化，包含客户管理（CRM）模块和运维工单管理系统及供应链系统。客户管理（CRM）模块，包括电站用户信息管理、保修记录管理和客服记录管理等。运维工单管理，负责在电站出现运维需求时，由管理人员或者系统自动生成运维工单并进行派发，运维人员在手机端进行工单的查询、接单、处理。供应链管理主要针对电站运维业务中出现的备件申领、出入库、同步电站设备等需求。
1.2.4　手机APP
手机APP供电站用户和运维企业使用，对于电站用户，通过对接监控系统展示电站运行工况，统计电站发电收益；通过对接运维系统，提供用户线上报修、工单查询、售后反馈等服务；对于运维企业，一方面实现移动端的电站监控，同时为运维人员提供移动办公平台。
２　平台设计原则
将物联网技术、互联网技术和户用光伏业务相结合的电站监控运维系统，以移动通信网络及互联网通信为基础，使用逆变器传感器、数据采集器、IOT数据通信、大数据分析技术、数据仓库等各种智能技术，实现户用电站的监控运维业务的信息化、智能化，并采用SAAS系统的架构服务众多的监控运维企业。
该系统架构设计注重各子系统的弱耦合设计，数据采集平台、数据处理平台、业务平台均具备充分的独立性，各自可以成为独立产品应用在其他行业系统中。例如，物联网云平台可以对接非光伏产业，其他的物联网设备、数据处理平台可以兼容各种物联网信息数据，监控系统可以对接其他的数据来源，并进行展示。
系统设计总体上遵循以下原则。第一，物联网云要适应整体物联网技术发展趋势，具备一定的先进性和预见性，体现在：接入设备的泛化处理，即适应各种设备；强大的并发能力，可以接入海量的设备同时工作；绝对的可扩展性，从架构上可以支撑做容量、计算力的持续扩充。第二，整个系统数据传输注重
数据的可靠性和安全性，包括设备注册的证书机制、数据传输加密、系统间接入的白名单机制、token机制，保证系统的安全性。第三，充分考虑实际业务的发展需要，应用系统需要具备高可配置和可扩展性，通过可视化配置，适应不同企业对于运维工作的不同管理方式，通过分布式架构设计保证系统运行在不受干扰的情况下进行持续升级。
３　系统设计的技术实现
基于物联网的户用光伏电站监控运维系统的设计目标，是满足广大光伏运维从业企业对于针对各类户用电站进行监控和运维业务开发的需要。系统设计需要充分考虑兼容性、可靠性、可扩展性。整体上各个子系统相互独立，并单独设计开发，以降低系统耦合，提升效能。
数据采集器采用数据透传模式，即数据采集器只负责物联网云平台同数据采集器之间的数据通路及采集器同逆变器设备间的数据通路，扮演着物联网云平台同同逆变器之间的数据管道作用，所有物联网平台发来的数据均直接透传给逆变器，同时逆变器返回数据不进行处理直接传给物联网云，采集器同物联网平台使用HTTPS+MQTT协议进行数据交换。透传模式最大限度兼容各类设备数据协议，物联网云对于需要接入平台的采集器通过标准PKI标准生成PKCS10数字证书，并烧录到采集器芯片内，采集器介入平台时，需要经过签到和数字证书验证。
物联网云采用Linux系统作为主操作系统，MySQL数据库用来保存设备注册信息和数字证书信息，采用J
ava作为开发语言，将tomcat+Spring boot作为整体开发框架，使用nginx技术负载均衡支撑分布式架构保证接入并发量的扩展，采用B/S模式提供Web端设备管理、证书管理操作页面。数据处理中心采用linux+tomcat+Spring boot开发框架，同样采用MySQL作为业务数据库，使用非关系型数据库产品MongDB组建数据仓库，为兼容不同逆变器数据协议，将数据解析器作为单独模块进行开发，采用Java接口多态技术，做到不同设备驱动使用java jar包方式进行动态扩展，实现驱动的组件式即插即用。
SAAS系统层整体采用B/S架构，同样采用linux+ tomcat+Spring boot作为主框架，使用微服务技术将SAAS后台、监控中心、监控业务中心、运维中心、运维供应链等作为独立微服务进行部署，保证后期系统更新迭代的热部署，保证系统的长期稳定运行，使用VUE框架作为前端开发框架，保证开发过程的前后端完全分离，后端专注于业务流程和业务数据管理，前端开发专注页面交互、视觉展示。手机APP基于Android和IOS系统，采用弱原生重后台的方式进行开发实现，即在APP中大量采用H5页面方式进行交互和
展示，减少因为不同的操作系统、不同的开发环境带来的重复开发量。
４　结　语
基于物联网的户用光伏电站监控运维SAAS系统，是在深入理解当前户用光伏电站运行机制和光伏电站从业企业运维业务开展模式的基础上，以满足市场绝大多数企业实现监控自动化、运维互联网化、客户
管理线上化的需求为目标，以企业产品部署成本低、产品体验好、长期可迭代为原则，结合了当下先进的物联网技术，采用主流的分布式微服务技术、以SAAS（软件即服务）的方式为企业提供低成本、快部署、优交互的解决方案。
鉴于当前户用光伏市场的蓬勃发展，从业企业的数量不断增加，该系统解决方案具有较高的市场价值和经济效益。当然，系统需要改进和维护的地方还很多，需要在今后的实践摸索中不断积累经验，总结失误，为推动户用光伏产业的发展做贡献。
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