安科瑞分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)在湖北荊門一馬光彩大市場屋頂光伏發(fā)電項目中應(yīng)用

摘 要：分布式光伏發(fā)電能夠?qū)θ找鎳乐氐沫h(huán)境壓力起到有效緩解作用,在當(dāng)前對環(huán)境保護需求越來越大情況下,發(fā)電行業(yè)在發(fā)展中不但要提升發(fā)電效率,同時也需要降低成本。分布式光伏發(fā)電主要是利用風(fēng)能和太陽能等可再生清潔能源進行發(fā)電,對于空氣質(zhì)量具有顯著改善效果,和傳統(tǒng)發(fā)電方式相比有污染小、噪聲小等優(yōu)勢。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的建構(gòu),主要是利用太陽能資源,能夠有效實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化,減少煤炭消耗量,對于經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有有效促進作用。同時,分布式發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè),對電網(wǎng)系統(tǒng)運行中也能夠起到削峰填谷作用,進一步豐富供電方式,積極開展分布式光伏發(fā)電站及接入發(fā)電研究具有重要意義。同時，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的通信架構(gòu)難以滿足海量光伏終端的實時監(jiān)測與控制需求，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。如何配置并構(gòu)建高效通信管理系統(tǒng)，成為當(dāng)前研究的重點。

關(guān)鍵詞：分布式光伏發(fā)電；通信管理

1.                      概述

湖北荊門一馬光彩大市場屋頂光伏發(fā)電項目（以下簡稱“本項目"）是響應(yīng)國家“優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提供更加清潔、可靠的能源"的號召，投資建設(shè)的分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范項目。

本項目位于湖北荊門一馬光彩大市場旁，利用現(xiàn)有廠房屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電項目，總建設(shè)規(guī)模約為3280kW。光伏發(fā)電組件位于荊門市東寶區(qū)東寶路1號，通過用戶配電站接入公共電網(wǎng)，屬于荊門市供電公司管理范圍。

本研究圍繞光伏電站并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)展開，重點探討了以下核心內(nèi)容：
（1）并網(wǎng)系統(tǒng)接入方案的可行性分析與優(yōu)化設(shè)計；
（2）符合電網(wǎng)調(diào)度要求的自動化系統(tǒng)解決方案； 
（3）滿足電站運行需求的通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。

項目現(xiàn)場

2.                      現(xiàn)有電網(wǎng)情況

220kV 變電站 10kV 630 二回線線路型號為 JKLYJ-240，允許通過電流為 553A，該線路近三年最小負荷平均值為 0.11MW，考慮線路負載率不超過80%，則該線路理論可接入分布式電源容量為9.24MW。目前該變電站已接入和在途分布式電源總?cè)萘?/span>為0.009MW，則剩余可接入分布式電源容量 9.23MW，目滿足本期接入需求

現(xiàn)有供電示意圖如下：

用戶配電站現(xiàn)供電示意

3.                      分布式光伏預(yù)制艙設(shè)計

預(yù)支艙尺寸為（長*寬*高）15000mm*4400mm*3500mm，門檔高2600mm，安全門檔高2200mm，底框采用20#H鋼、14#、10#槽鋼、5#角鋼焊接，外板為2.0mm瓦楞波紋板+中間50mm防火巖棉+內(nèi)板1.0mm鍍鋅板制作，一次室底板為3.0mm鋼板，二次室底板為靜電地板抬高200。

艙體基礎(chǔ)應(yīng)用良好的排水措施，所有進出電纜必須做好防水。進出線電纜溝的位置現(xiàn)場根據(jù)實際確定。電纜出線管的大小、多少、位置由用戶根據(jù)情況而定，預(yù)埋件必須用水平儀找平，否則影響現(xiàn)場拼柜。外部樓梯正對應(yīng)箱體朱門，內(nèi)部爬梯正對箱體人井孔位置。

光伏預(yù)支艙圖        

4.                      技術(shù)方案

本項目直流側(cè)裝機容量4017kWp，交流側(cè)裝機容量3280kW，共1個并網(wǎng)點，由2個光伏發(fā)電單元構(gòu)成。該項目運營模式為全額上網(wǎng)。利用廠房屋頂建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)鍵設(shè)備光伏組件、逆變器、變壓器等采用國內(nèi)產(chǎn)品。本項目光伏發(fā)電系統(tǒng)所輸出的直流電經(jīng)組串式逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后，就地升壓至10KV，經(jīng)開關(guān)柜通過1回出線接入至廠區(qū)10KV進線母線的用戶側(cè)，實現(xiàn)并網(wǎng)。變電站近三年最小負荷平均-0.15MW，考慮主變 N-1 情況下，另一主變負載不超過 80%，則該變電站可接入的分布式光伏容量為 179.81MW，目前該變電站已接入及在途分布式光伏容量共 115.48MW，因此剩余可接入容量 64.33MW。滿足本期接入需求，同時本項目采用安科瑞電氣Acrel-1000分布式光伏電力監(jiān)控系統(tǒng)作為電站綜合自動化平臺，該系統(tǒng)集保護、控制、通信、測量等功能于一體，實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)及開關(guān)站的智能化綜合管控。系統(tǒng)全面接入逆變器、高低壓設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)信號，構(gòu)建完整的電站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用分層分布式架構(gòu)，通過工業(yè)以太網(wǎng)與就地層設(shè)備互聯(lián)。就地層按功能分區(qū)獨立部署于逆變器區(qū)域及箱變內(nèi)，各子系統(tǒng)具備自治能力，在站控層通信中斷時仍可持續(xù)完成所轄電氣設(shè)備的就地監(jiān)控功能，確保系統(tǒng)可靠性。

4.1.                      升壓變壓器及高低壓配電設(shè)備

本項目配備2臺三相交流2000KVA的干式變壓器。額定電壓10.5±2×2.5%/0.38kV，接線組別為 Dy11。交流頻率為50Hz,可以戶外使用，能效等級滿足國家規(guī)范要求。

4.2.                      繼電保護及安全自動裝置

本光伏電站內(nèi)主要電氣設(shè)備采用微機保護，以滿足信息上送。元件保護按照《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》（GB14285－2006）配置。

1）線路保護

本項目為10kV并網(wǎng)，建議光伏開關(guān)站總出線開關(guān)建議光伏開關(guān)站總出線開關(guān)配置線路方向過流等保護，包括三段可經(jīng)復(fù)壓和方向閉鎖的過流保護，三段零序過流保護、過負荷并具備低周減載功能，以便線路發(fā)生故障時快速切除，避免事故范圍擴大。

2）頻率電壓異常緊急控制裝置

本項目光伏并網(wǎng)點斷路器要求具備失壓跳閘功能，不設(shè)重合閘，可通過逆變器內(nèi)低壓保護與頻率保護實現(xiàn)解列，不配置獨立的安全自動裝置。

3）       防孤島檢測及安全自動裝置

采用具備防孤島能力的逆變器，逆變器必須具備快速監(jiān)測孤島且監(jiān)測到孤島后立即斷開與電網(wǎng)連接能力，其防孤島保護方案應(yīng)與繼電保護配置、頻率電壓異常緊急控制裝置配置和低電壓穿越相配合。

4）       電能質(zhì)量監(jiān)測

在公共連接點裝設(shè)滿足 GB/T 19862《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》標(biāo)準要求的 A 類電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置一套。監(jiān)測電能質(zhì)量參數(shù)，包括電壓、頻率、諧波、功率因數(shù)等，電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)至少保存一年。

4.3.                      系統(tǒng)調(diào)度自動化

本項目為10kV電壓等級并網(wǎng)，需通過獨立信息傳輸設(shè)備將光伏電站有功、無功、功率因數(shù)、逆變器數(shù)據(jù)、電量及開關(guān)、刀閘狀態(tài)量、功率調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)和功率預(yù)測數(shù)據(jù)等信息上傳至調(diào)度端，場站應(yīng)配置AGC裝置，具備接收并自動執(zhí)行有功功率控制指令的能力；需要具備一次調(diào)頻能力；10kV發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)上報中期、短和超短期功率預(yù)測數(shù)據(jù)。通過通信管理機或協(xié)議轉(zhuǎn)換器對光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備層的各種設(shè)備（逆變器、防孤島保護、故障解列裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測裝置、直流屏等設(shè)備）信息進行采集和處理，將處理好的數(shù)據(jù)上傳至SCADA系統(tǒng)和遠動裝置。遠動裝置數(shù)據(jù)經(jīng)縱向加密后通過4G/5G無線通信網(wǎng)將上傳至荊門供電公司地調(diào)。

                調(diào)度自動化圖

4.4.                      計量

本項目采用的運營模式為全額上網(wǎng)，并網(wǎng)點共1個，關(guān)口點共1個，均設(shè)置在光伏出線處。本項目計量配置原則如下。

(1)在關(guān)口計量點配置 1 塊三相三線電能表，精確度為 0.5S，具有雙向計量功能，用于計量用戶與電網(wǎng)間的上、下網(wǎng)電量。在關(guān)口計量點配置 GPRS 用電現(xiàn)場管理系統(tǒng)，用于采集數(shù)據(jù)及用戶用電結(jié)算。 

(2)在并網(wǎng)點設(shè)置 C 級電能表和 GPRS 用電現(xiàn)場管理系統(tǒng)，用于發(fā)電量信息采集及營銷系統(tǒng)遠傳。具體設(shè)備配置規(guī)模以現(xiàn)場實際為準。

新建光伏一次圖

一次系統(tǒng)圖

5.                      系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項目光伏電站配置一套綜合自動化系統(tǒng)，采用安科瑞電氣股份有限公司所提供的Acrel-1000分布式光伏電力監(jiān)控系統(tǒng)具有保護、控制、通信、測量等功能，可實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)、開關(guān)站的全功能綜合自動化管理。本項目逆變器、高低壓設(shè)備等狀態(tài)信號都要接入本監(jiān)控系統(tǒng)。

本項目光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)包括兩部分：站控層和就地層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為開放式分層、分布式結(jié)構(gòu)。

監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與就地層相連,就地層按照不同的功能、系統(tǒng)劃分，以相對獨立的方式分散在逆變器區(qū)域或箱變中，在站控層及網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，就地層仍能獨立完成就地各電氣設(shè)備的監(jiān)測。

站控層由計算機網(wǎng)絡(luò)連接的服務(wù)器、操作員站、遠動站等組成，提供站內(nèi)運行的人機界面，實現(xiàn)管理控制就地層設(shè)備等功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并具備與遠方控制中心通信的接口。

就地層設(shè)備由智能測控單元、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊單元、逆變器數(shù)據(jù)采集單元、多功能電能表等構(gòu)成，主要電氣設(shè)備包括微機保護、防孤島保護、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、故障解列裝置、多功能儀表、逆變器、箱變測控等設(shè)備。它直接采集處理現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給站控層監(jiān)控主站，同時接收站控層發(fā)來的控制操作命令，經(jīng)過有效性判斷、閉鎖檢測、同步檢測等，最后對設(shè)備進行操作控制。

每個光伏發(fā)電單元配帶無線發(fā)射功能的數(shù)據(jù)采集裝置，采集每組光伏組件數(shù)據(jù)，逆變器參數(shù)，測控裝置、智能計量表計的數(shù)據(jù)，打包后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)視。

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

項目配置設(shè)備清單如下表所示：

表 方案設(shè)備列表

6.                      系統(tǒng)功能

6.1.                      通信功能

（1）       采集配置

本項目的監(jiān)控系統(tǒng)采用Modbus TCP協(xié)議作為數(shù)據(jù)通信的底層機制，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設(shè)備的全面遙測、遙信、遙控及遙設(shè)功能。具體而言，系統(tǒng)通過Modbus TCP網(wǎng)絡(luò)，實時采集并監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備的模擬量（遙測）與狀態(tài)量（遙信），并根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯或操作指令，執(zhí)行遠程控制操作（遙控）以及參數(shù)整定（遙設(shè)），從而構(gòu)建了一個具備遠程監(jiān)測、控制與參數(shù)配置能力的分布式自動化系統(tǒng)。

采集界面

（2）報文解析

監(jiān)控系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備通信情況進行報文監(jiān)視和數(shù)據(jù)實時監(jiān)測?？砂搭愋秃Y選報文顯示內(nèi)容，對錯誤報文進行明顯提升，報文支持導(dǎo)出。

系統(tǒng)通信

6.2.                      人機界面

能通過顯示器對主要電氣設(shè)備運行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)視，畫面支持雙屏顯示，畫面操作支持無級縮放，可以平滑漫游，具有導(dǎo)游圖功能。具有網(wǎng)絡(luò)拓撲分析功能，能對設(shè)備進行動態(tài)著色，確定帶電設(shè)備的顏色。主要顯示畫面包括：

（1）運行監(jiān)視圖，包括顯示設(shè)備運行狀態(tài)、各主要電氣量(電流、電壓、頻率、有功、無功)、環(huán)境數(shù)據(jù)(氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、日照強度等)等的實時值；

（2）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視圖，用圖形方式及顏色變化顯示出計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備配置、連接狀態(tài)；

（3）發(fā)電量實時監(jiān)視圖，通過柱狀圖及數(shù)據(jù)表直觀的查看和對比每臺逆變器實時發(fā)電量信息，同時可以通過鏈接查看和對比發(fā)電量曲線；

（4）發(fā)電單元監(jiān)控圖，顯示每個發(fā)電單元詳細信息，允許手動控制、和調(diào)節(jié)每個發(fā)電單元運行工況；

（5）各種保護信息及報表

（6）二次保護配置圖，反映各套保護投切情況、整定值等

（7）控制操作過程記錄及報表

（8）事故追憶記錄報告或曲線、事故順序記錄報表

（9）趨勢曲線圖、棒狀圖

（10）各種統(tǒng)計及功能報表等。

人機界面一次圖

7.                      結(jié)語

綜上所述，在開展智能變電站二次系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時，需要兼顧當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢與未來演進方向。具體而言，應(yīng)重點圍繞智能化技術(shù)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)處理能力提升、系統(tǒng)架構(gòu)靈活性增強以及安全防護體系建設(shè)等關(guān)鍵維度展開深入研究。特別是在新能源高比例并網(wǎng)和電力市場改革深化的新形勢下，二次系統(tǒng)作為電力自動化領(lǐng)域的核心支撐，其戰(zhàn)略地位日益凸顯。因此，在制定優(yōu)化方案時，既要立足現(xiàn)有技術(shù)條件，又要著眼長遠發(fā)展需求，確保設(shè)計方案具備適度的技術(shù)前瞻性和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/span>

參考文獻

[1] 張華.50MW分布式光伏發(fā)電站和接入電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計[D].西安科技大學(xué),2021.

[2] 楊麗娜.分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響[J].科技資訊,2024,22(11).

[3] 丁堅.基于深度學(xué)習(xí)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化與性能分析[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟,2024,(07):308-310.

[4] 李經(jīng)緯. HT公司光伏發(fā)電項目經(jīng)濟效益分析[D]. 北方工業(yè)大學(xué), 2024.

[5] 張曉玉. 鐵塔基站屋頂分布式光伏發(fā)電可行性研究[D]. 安徽理工大學(xué), 2024.