淺談智能化分布式光伏運維監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張心志

安科瑞電氣股份有限公司 

   摘要：為解決光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)光伏陣列監(jiān)測不足、故障不易定位等問題，筆者設計了集數(shù)據(jù)采集和處理的智能化光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)企業(yè)光伏電站布局，提出了光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)方案，完成了該監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選型和軟件開發(fā)。仿真結果表明：該監(jiān)控系統(tǒng)具備光伏電站運行參數(shù)分析、光伏設備實時在線監(jiān)控、報警功能，保障了光伏電站的可靠運行和集中管理。

   關鍵詞：光伏電站；智能監(jiān)控系統(tǒng)；分布式光伏運維；實時在線

0、引言

   隨著世界能源產(chǎn)業(yè)結構的調整和人類對環(huán)境問題的重視，太陽能憑借資源豐富、布局靈活的優(yōu)勢，成為當今新能源發(fā)展的主流，當前越來越多的光伏電站投入運營。光伏電站的可靠運行，需要匯流箱、逆變器等設備在正常狀態(tài)下運行，對光伏設備的狀態(tài)監(jiān)測十分重要。目前，光伏電站主要采用人工定期檢查、網(wǎng)絡化監(jiān)控的方式對設備進行監(jiān)測。由于人力資源有限及傳統(tǒng)光伏監(jiān)測系統(tǒng)智能化不足，這兩種方式都存在光伏陣列監(jiān)測不足、遇到故障時無法快速定位的問題。

   在此背景下，本文對某企業(yè)屋頂光伏電站的監(jiān)測系統(tǒng)進行了智能化設計。該監(jiān)控系統(tǒng)為光伏電站匯流箱、逆變器等設備配備通信模塊，利用RS485總線與各通信模塊相連，將運行數(shù)據(jù)傳輸至上位機，并利用組態(tài)軟件在上位機建立監(jiān)控界面，對運行數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)光伏電站運行狀態(tài)實時動態(tài)監(jiān)測，設備故障時上位機通過監(jiān)控界面發(fā)出報警信號，提高了光伏電站的安全性。

1、光伏電站布局

   企業(yè)廠區(qū)4個屋頂被分成A、B、C、D四個光伏發(fā)電區(qū)域，采用集中式和分布式相結合的方式發(fā)電。C區(qū)廠房面積較大且自用電較少，故對C區(qū)廠房采用集中式結構，根據(jù)工廠屋頂面積配置與之相對應的光伏面板，并以20路為一組接入直流匯流箱，匯流箱的電流輸入到集中式逆變器。A、B、D區(qū)采用分布式結構，使用組串式逆變器將直流轉換為交流后直接并入電網(wǎng)，最后再將四個區(qū)域通過交流電纜將電流輸送至并網(wǎng)柜。

2、智能監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

   為了能夠在光伏設備發(fā)生故障時快速定位故障點，在硬件上選用智能型的匯流箱、逆變器；使用組態(tài)軟件構建一個界面，將每個智能元器件在界面上顯示出來，通過RS485總線將數(shù)據(jù)匯總到機柜串口后，通過光纖與上位機進行連接從而實現(xiàn)監(jiān)視功能。該系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)控的同時，可進行簡單、直觀的人機交互。其中，數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控和簡單的數(shù)據(jù)分析由各種智能元器件來實現(xiàn)，人機交互通過組態(tài)軟件實現(xiàn)；在組態(tài)軟件中建立監(jiān)控界面，將實時數(shù)據(jù)導入其中進行分析處理，兩者之間的連接通過建立在C區(qū)的串口機柜實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖1所示。

   設備故障時報警設計方案如下：在監(jiān)測系統(tǒng)中設有報警裝置，當光伏面板發(fā)電量低于正常值便會發(fā)出報警信號。晴天時，軟件系統(tǒng)及時響應所有的故障告警信號；陰雨天，軟件屏蔽逆變器孤島保護及回流量0A電流輸入的告警，但是響應其他的告警；晚上不響應任何故障告警。

   根據(jù)上述設定，采用一臺通過GPS校時的上位機電腦，查詢當?shù)貧v史平均每個月或者每10天，日出、日落的時間。超出日出、日落范圍的時間認為是晚上，不響應故障告警；在該范圍內的時間認為是晴天，響應所有故障告警。此外，由于軟件算法很難計算陰雨、多云、低光照強度的天氣，因此，該工作由值班人員完成。軟件提供功能開關，值班人員可以在陰雨天氣，關閉孤島保護和0A電流輸入的告警。

3、硬件選型

3.1直流匯流箱

   直流匯流箱需要監(jiān)視各個光伏面板的輸出電流，當任意一個回路發(fā)生電流故障，該模塊提供報警信號。另外，匯流箱要采集保護斷路器的觸點信號，了解該斷路器的位置，在發(fā)生跳閘后需要及時送出信號。因此，直流匯流箱選用常熟開關制造有限公司生產(chǎn)的CXPV-16/Z光伏直流匯流箱。

3.2逆變器

   根據(jù)設計要求，逆變器需提供遠程控制功能，并且發(fā)生故障時，能夠及時輸出報警信號。因此選用兩種型號的逆變器，一種為CS1并網(wǎng)型光伏逆變器。該型號逆變器具有較多的通信接口和遠程控制功能，且輸入電壓范圍寬，使其適用于小型組串低壓設備。另一種選用SUN2000-60KTL-M0組串式逆變器。這種型號的組串式逆變器基于模塊化的設計，能夠減少電池組件較佳工作點不匹配逆變器的情況，大幅增加發(fā)電量。

4、軟件開發(fā)

   利用Riyear-PowerNet系統(tǒng)設計該光伏電站的工業(yè)現(xiàn)場信息。采集到的元器件數(shù)據(jù)RiyearPowerNet系統(tǒng)進行儲存，建立歷史及實時數(shù)據(jù)庫，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，利用存儲的數(shù)據(jù)對故障進行分析定位。

4.1軟件結構

   智能硬件系統(tǒng)通過Modbus驅動程序與上位機相連接，人機界面就可以顯示設備數(shù)據(jù)的記錄、數(shù)據(jù)報警等，系統(tǒng)軟件結構如圖2所示。

4.2軟件設計與實現(xiàn)

   首先，添加組態(tài)，選用常熟開關設備制造有限公司的兩種I/O組態(tài)；其次，為了能夠讀取數(shù)據(jù)，需要定義好數(shù)據(jù)庫；其三，定義中間變量。在定義數(shù)據(jù)庫變量之前，需要先確定設備類型和設備模塊，數(shù)據(jù)由Modbus標準命令采集，存儲在各種寄存器中，便于軟件讀取數(shù)據(jù)。在設備配置中根據(jù)相關要求設置設備地址、串口編號以及相關通信參數(shù)。數(shù)據(jù)庫變量的作用域包括整個應用程序。定義數(shù)據(jù)庫即定義地址，將變量與對應的設備連接起來。此時，在進行連接時就可以依靠事先設定好的地址，準確地找到想要的數(shù)據(jù)。

   當設備發(fā)生故障，經(jīng)過軟件判斷需要給予響應時，及時切換至該設備的故障界面，同時播放報警聲音。逆變器發(fā)生故障時，系統(tǒng)主界面顯示區(qū)域閃爍，使值班人員能夠快速定位故障發(fā)生區(qū)域，系統(tǒng)故障報警顯示如圖3所示。

4.3軟件運行流程

   首先啟動軟件，加載完成軟件基本環(huán)境后，TCP/IP進行網(wǎng)絡連通，連接完成后初始化各個串口，根據(jù)地址向硬件設備發(fā)送數(shù)據(jù)。如果發(fā)送失敗，則再連續(xù)嘗試發(fā)送三次，如果仍然未能發(fā)送成功，則判斷該臺設備離線；如果成功，在智能設備接收數(shù)據(jù)信息后，將自身數(shù)據(jù)回饋至上位機，軟件接收數(shù)據(jù)后存入實時數(shù)據(jù)庫，并在人機界面讀取數(shù)據(jù)。將各個串口互相連接通信并將歷史數(shù)據(jù)加載讀取。如果智能設備出現(xiàn)故障，將向系統(tǒng)發(fā)送故障數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)定義好的算法判斷設備的故障類型，在界面上顯示報警區(qū)域，在故障解除之后軟件系統(tǒng)回到正常狀態(tài)。流程圖如圖4所示。

5、安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹

5.1概述

          AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監(jiān)測光伏站點的逆變器設備，氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括：站點監(jiān)測，逆變器監(jiān)測，發(fā)電統(tǒng)計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環(huán)境監(jiān)測，設備檔案，運維管理，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺，及時掌握光伏發(fā)電效率和發(fā)電收益。

5.2應用場所

   目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農村屋頂?shù)膽粲霉夥凸ど虡I(yè)企業(yè)屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發(fā)展迅速。

5.3系統(tǒng)結構

   在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網(wǎng)關將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務器，并將數(shù)據(jù)進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺，及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結構如圖所示。

5.4系統(tǒng)功能

          AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構，任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據(jù)權限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內各建筑的光伏電站的運行狀態(tài)（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態(tài)、發(fā)電功率曲線、是否并網(wǎng)、當前發(fā)電量、總發(fā)電量等信息）。

5.4.1光伏發(fā)電

5.4.1.1綜合看板

●顯示所有光伏電站的數(shù)量，裝機容量，實時發(fā)電功率。

●累計日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發(fā)電量

5.4.1.2電站狀態(tài)

●電站狀態(tài)展示當前光伏電站發(fā)電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數(shù)。

●統(tǒng)計當前光伏電站的日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●攝像頭實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數(shù)。

●顯示當前光伏電站逆變器接入數(shù)量及基本參數(shù)。

5.4.1.3逆變器狀態(tài)

●逆變器基本參數(shù)顯示。

●日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環(huán)境輻照度曲線。

●直流側電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)查詢。

5.4.1.4電站發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選電站的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表。

5.4.1.5逆變器發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表

5.4.1.6配電圖

●實時展示逆變器交、直流側的數(shù)據(jù)。

●展示當前逆變器接入組件數(shù)量。

●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數(shù)。

●展示逆變器型號及廠商。

5.4.1.7逆變器曲線分析

●展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

5.4.2事件記錄

●操作日志：用戶登錄情況查詢。

●短信日志：查詢短信推送時間、內容、發(fā)送結果、回復等。

●平臺運行日志：查看儀表、網(wǎng)關離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內容，發(fā)生時間以及確認狀態(tài)。

5.4.3運行環(huán)境

●視頻監(jiān)控：通過安裝在現(xiàn)場的視頻攝像頭，可以實時監(jiān)視光伏站運行情況。對于有硬件條件的攝像頭，還支持錄像回放以及云臺控制功能。

5.5系統(tǒng)硬件配置

5.5.1交流220V并網(wǎng)

   交流220V并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多用于居民屋頂光伏發(fā)電，裝機功率在8kW左右。

   部分小型光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能。光伏電站規(guī)模較小，而且比較分散，對于光伏電站的管理者來說，通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

5.5.2交流380V并網(wǎng)

   根據(jù)國家電網(wǎng)Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網(wǎng)技術規(guī)定》，8kW~400kW可380V并網(wǎng)，超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點380V并網(wǎng)，以當?shù)仉娏Σ块T的審批意見為準。這類分布式光伏多為工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。分布式光伏接入配電網(wǎng)前，應明確計量點，計量點設置除應考慮產(chǎn)權分界點外，還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術要求符合DL/T448的相關規(guī)定，以及相關標準、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足國家電網(wǎng)公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置，應安裝采集設備，接入用電信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)用電信息的遠程自動采集。

   光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過匯流箱接入逆變器，然后接入企業(yè)380V電網(wǎng)，實現(xiàn)自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。在380V并網(wǎng)點前需要安裝計量電表用于計量光伏發(fā)電量，同時在企業(yè)電網(wǎng)和公共電網(wǎng)連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業(yè)上網(wǎng)電量，數(shù)據(jù)均應上傳供電部門用電信息采集系統(tǒng)，用于光伏發(fā)電補貼和上網(wǎng)電量結算。

   部分光伏電站并網(wǎng)點需要監(jiān)測并網(wǎng)點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監(jiān)測裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能，系統(tǒng)圖如下。

   這種并網(wǎng)模式單體光伏電站規(guī)模適中，可通過云平臺采用光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和儲能系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

5.5.310kV或35kV并網(wǎng)

   根據(jù)《國家能源局關于2019年風電、光伏發(fā)電項目建設有關事項通知》（國發(fā)新能〔2019〕49號），對于需要國家補貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目，需要滿足單點并網(wǎng)裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網(wǎng)運行安全技術要求的前提下，通過內部多點接入配電系統(tǒng)。

   此類分布式光伏裝機容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓后接入電網(wǎng)。由于裝機容量較大，可能對公共電網(wǎng)造成比較大的干擾，因此供電部門對于此規(guī)模的分布式光伏電站穩(wěn)控系統(tǒng)、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。

   光伏電站并網(wǎng)點需要監(jiān)測并網(wǎng)點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監(jiān)測裝置。

   上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖，光伏陣列接入光伏匯流箱，經(jīng)過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據(jù)情況可不設置)，最后經(jīng)過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網(wǎng)。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設備比較多，主要如下表：

5、結束語

   毋庸置疑，設備監(jiān)測對光伏電站的安全運行、管理具有重要意義。為了便于電站智能化、精細化管理，本文設計并開發(fā)了光伏電站智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對光伏電站的設備進行數(shù)據(jù)采集，然后利用RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸至上位機；隨后，利用RiyearPowerNet軟件把電站的歷史和實時運行數(shù)據(jù)建成數(shù)據(jù)庫?；诖?，該軟件實現(xiàn)對電站的實時、在線監(jiān)測。光伏設備發(fā)生故障時，監(jiān)測系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析，可以快速、準確地定位故障位置。該監(jiān)測系統(tǒng)保障了光伏電站的可靠運行和集中管理。

【參考文獻】

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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版

作者簡介：

張心志，男，安科瑞電氣股份有限公司