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(cè)不足、故障不易定位等問題,，筆者設(shè)計(jì)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(jié)果表明：該監(jiān)控系統(tǒng)具備光伏電站運(yùn)行參數(shù)分析、光伏設(shè)備實(shí)時(shí)在線監(jiān)控,、報(bào)警功能,，保障了光伏電站的可靠運(yùn)行和集中管理。
關(guān)鍵詞：光伏電站,；智能監(jiān)控系統(tǒng),；分布式光伏運(yùn)維；實(shí)時(shí)在線
0,、引言
隨著世界能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和人類對(duì)環(huán)境問題的重視,，太陽(yáng)能憑借資源豐富、布局靈活的優(yōu)勢(shì),，成為當(dāng)今新能源發(fā)展的主流,，當(dāng)前越來越多的光伏電站投入運(yùn)營(yíng),。光伏電站的可靠運(yùn)行，需要匯流箱,、逆變器等設(shè)備在正常狀態(tài)下運(yùn)行,，對(duì)光伏設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)十分重要。目前,，光伏電站主要采用人工定期檢查,、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于人力資源有限及傳統(tǒng)光伏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化不足,，這兩種方式都存在光伏陣列監(jiān)測(cè)不足,、遇到故障時(shí)無法快速定位的問題。
在此背景下,，本文對(duì)某企業(yè)屋頂光伏電站的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì),。該監(jiān)控系統(tǒng)為光伏電站匯流箱、逆變器等設(shè)備配備通信模塊,，利用RS485總線與各通信模塊相連,，將運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，并利用組態(tài)軟件在上位機(jī)建立監(jiān)控界面,，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，實(shí)現(xiàn)光伏電站運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，設(shè)備故障時(shí)上位機(jī)通過監(jiān)控界面發(fā)出報(bào)警信號(hào),，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(gè)屋頂被分成A,、B,、C、D四個(gè)光伏發(fā)電區(qū)域,，采用集中式和分布式相結(jié)合的方式發(fā)電,。C區(qū)廠房面積較大且自用電較少，故對(duì)C區(qū)廠房采用集中式結(jié)構(gòu),，根據(jù)工廠屋頂面積配置與之相對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu),，使用組串式逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流后直接并入電網(wǎng),，最后再將四個(gè)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(shè)計(jì)方案
為了能夠在光伏設(shè)備發(fā)生故障時(shí)快速定位故障點(diǎn),，在硬件上選用智能型的匯流箱,、逆變器；使用組態(tài)軟件構(gòu)建一個(gè)界面,，將每個(gè)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(jī)柜串口后，通過光纖與上位機(jī)進(jìn)行連接從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)視功能,。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)控的同時(shí),，可進(jìn)行簡(jiǎn)單、直觀的人機(jī)交互,。其中,，數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析由各種智能元器件來實(shí)現(xiàn),，人機(jī)交互通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn),；在組態(tài)軟件中建立監(jiān)控界面，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中進(jìn)行分析處理,，兩者之間的連接通過建立在C區(qū)的串口機(jī)柜實(shí)現(xiàn),，數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖1所示。
設(shè)備故障時(shí)報(bào)警設(shè)計(jì)方案如下：在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)有報(bào)警裝置,，當(dāng)光伏面板發(fā)電量低于正常值便會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào),。晴天時(shí)，軟件系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)所有的故障告警信號(hào),；陰雨天,，軟件屏蔽逆變器孤島保護(hù)及回流量0A電流輸入的告警，但是響應(yīng)其他的告警,；晚上不響應(yīng)任何故障告警,。
根據(jù)上述設(shè)定，采用一臺(tái)通過GPS校時(shí)的上位機(jī)電腦,，查詢當(dāng)?shù)貧v史平均每個(gè)月或者每10天，日出,、日落的時(shí)間,。超出日出、日落范圍的時(shí)間認(rèn)為是晚上,，不響應(yīng)故障告警,；在該范圍內(nèi)的時(shí)間認(rèn)為是晴天，響應(yīng)所有故障告警,。此外,，由于軟件算法很難計(jì)算陰雨、多云、低光照強(qiáng)度的天氣,，因此,，該工作由值班人員完成。軟件提供功能開關(guān),，值班人員可以在陰雨天氣,，關(guān)閉孤島保護(hù)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(gè)光伏面板的輸出電流,，當(dāng)任意一個(gè)回路發(fā)生電流故障，該模塊提供報(bào)警信號(hào),。另外,，匯流箱要采集保護(hù)斷路器的觸點(diǎn)信號(hào)，了解該斷路器的位置,，在發(fā)生跳閘后需要及時(shí)送出信號(hào),。因此，直流匯流箱選用常熟開關(guān)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(shè)計(jì)要求,，逆變器需提供遠(yuǎn)程控制功能，并且發(fā)生故障時(shí),，能夠及時(shí)輸出報(bào)警信號(hào),。因此選用兩種型號(hào)的逆變器，一種為CS1并網(wǎng)型光伏逆變器,。該型號(hào)逆變器具有較多的通信接口和遠(yuǎn)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(shè)備,。另一種選用SUN2000-60KTL-M0組串式逆變器,。這種型號(hào)的組串式逆變器基于模塊化的設(shè)計(jì)，能夠減少電池組件較佳工作點(diǎn)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(shè)計(jì)該光伏電站的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息,。采集到的元器件數(shù)據(jù)RiyearPowerNet系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存,，建立歷史及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),，利用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)對(duì)故障進(jìn)行分析定位,。
4.1軟件結(jié)構(gòu)
智能硬件系統(tǒng)通過Modbus驅(qū)動(dòng)程序與上位機(jī)相連接，人機(jī)界面就可以顯示設(shè)備數(shù)據(jù)的記錄,、數(shù)據(jù)報(bào)警等,，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
4.2軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
首先，添加組態(tài),，選用常熟開關(guān)設(shè)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(kù),；其三，定義中間變量,。在定義數(shù)據(jù)庫(kù)變量之前,，需要先確定設(shè)備類型和設(shè)備模塊，數(shù)據(jù)由Modbus標(biāo)準(zhǔn)命令采集,，存儲(chǔ)在各種寄存器中,，便于軟件讀取數(shù)據(jù)。在設(shè)備配置中根據(jù)相關(guān)要求設(shè)置設(shè)備地址,、串口編號(hào)以及相關(guān)通信參數(shù),。數(shù)據(jù)庫(kù)變量的作用域包括整個(gè)應(yīng)用程序。定義數(shù)據(jù)庫(kù)即定義地址,，將變量與對(duì)應(yīng)的設(shè)備連接起來,。此時(shí)，在進(jìn)行連接時(shí)就可以依靠事先設(shè)定好的地址,，準(zhǔn)確地找到想要的數(shù)據(jù),。
當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障，經(jīng)過軟件判斷需要給予響應(yīng)時(shí),，及時(shí)切換至該設(shè)備的故障界面,，同時(shí)播放報(bào)警聲音。逆變器發(fā)生故障時(shí),，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(bào)警顯示如圖3所示,。
4.3軟件運(yùn)行流程
首先啟動(dòng)軟件,，加載完成軟件基本環(huán)境后，TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連通,，連接完成后初始化各個(gè)串口,，根據(jù)地址向硬件設(shè)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(tái)設(shè)備離線,；如果成功,，在智能設(shè)備接收數(shù)據(jù)信息后，將自身數(shù)據(jù)回饋至上位機(jī),，軟件接收數(shù)據(jù)后存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),，并在人機(jī)界面讀取數(shù)據(jù)。將各個(gè)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(shè)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(shè)備的故障類型,，在界面上顯示報(bào)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(yùn)維云平臺(tái)介紹
5.1概述
AcrelCloud-1200分布式光伏運(yùn)維云平臺(tái)通過監(jiān)測(cè)光伏站點(diǎn)的逆變器設(shè)備，氣象設(shè)備以及攝像頭設(shè)備,、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點(diǎn),。主要功能包括：站點(diǎn)監(jiān)測(cè)，逆變器監(jiān)測(cè),，發(fā)電統(tǒng)計(jì),，逆變器一次圖，操作日志,，告警信息,，環(huán)境監(jiān)測(cè)，設(shè)備檔案,，運(yùn)維管理,，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺(tái),，及時(shí)掌握光伏發(fā)電效率和發(fā)電收益,。
5.2應(yīng)用場(chǎng)所
目前我國(guó)的兩種分布式應(yīng)用場(chǎng)景分別是：廣大農(nóng)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(jié)構(gòu)
在光伏變電站安裝逆變器,、以及多功能電力計(jì)量?jī)x表，通過網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器,，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)管理,。用戶可以通過PC訪問平臺(tái)，及時(shí)獲取分布式光伏電站的運(yùn)行情況以及各逆變器運(yùn)行狀況,。平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖所示,。
5.4系統(tǒng)功能
AcrelCloud-1200分布式光伏運(yùn)維云平臺(tái)軟件采用B/S架構(gòu)，任何具備權(quán)限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據(jù)權(quán)限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內(nèi)各建筑的光伏電站的運(yùn)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(dāng)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(jī)容量,，實(shí)時(shí)發(fā)電功率。
●累計(jì)日,、月,、年發(fā)電量及發(fā)電收益。
●累計(jì)社會(huì)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(dāng)前光伏電站發(fā)電功率,，補(bǔ)貼電價(jià)，峰值功率等基本參數(shù),。
●統(tǒng)計(jì)當(dāng)前光伏電站的日,、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益,。
●攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,，并且接入輻照度、溫濕度,、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù),。
●顯示當(dāng)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(cè)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(jì)
●展示所選電站的時(shí),、日,、月、年發(fā)電量統(tǒng)計(jì)報(bào)表,。
5.4.1.5逆變器發(fā)電統(tǒng)計(jì)
●展示所選逆變器的時(shí),、日,、月、年發(fā)電量統(tǒng)計(jì)報(bào)表
5.4.1.6配電圖
●實(shí)時(shí)展示逆變器交,、直流側(cè)的數(shù)據(jù)。
●展示當(dāng)前逆變器接入組件數(shù)量,。
●展示當(dāng)前輻照度,、溫濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù),。
●展示逆變器型號(hào)及廠商,。
5.4.1.7逆變器曲線分析
●展示交、直流側(cè)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(shí)間、內(nèi)容,、發(fā)送結(jié)果,、回復(fù)等。
●平臺(tái)運(yùn)行日志：查看儀表,、網(wǎng)關(guān)離線狀況,。
●報(bào)警信息：將報(bào)警分進(jìn)行分級(jí)處理，記錄報(bào)警內(nèi)容,，發(fā)生時(shí)間以及確認(rèn)狀態(tài),。
5.4.3運(yùn)行環(huán)境
●視頻監(jiān)控：通過安裝在現(xiàn)場(chǎng)的視頻攝像頭，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視光伏站運(yùn)行情況,。對(duì)于有硬件條件的攝像頭,，還支持錄像回放以及云臺(tái)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(jī)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(hù)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(duì)于光伏電站的管理者來說，通過云平臺(tái)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(guó)家電網(wǎng)Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)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(diǎn)380V并網(wǎng)，以當(dāng)?shù)仉娏Σ块T的審批意見為準(zhǔn),。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(yīng)明確計(jì)量點(diǎn)，計(jì)量點(diǎn)設(shè)置除應(yīng)考慮產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)外,，還應(yīng)考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處,。每個(gè)計(jì)量點(diǎn)均應(yīng)裝設(shè)雙向電能計(jì)量裝置，其設(shè)備配置和技術(shù)要求符合DL/T448的相關(guān)規(guī)定,，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表,，技術(shù)性能應(yīng)滿足國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于智能電能表的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),。用于結(jié)算和考核的分布式電源計(jì)量裝置，應(yīng)安裝采集設(shè)備,，接入用電信息采集系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)用電信息的遠(yuǎn)程自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自發(fā)自用,，余電上網(wǎng),。在380V并網(wǎng)點(diǎn)前需要安裝計(jì)量電表用于計(jì)量光伏發(fā)電量，同時(shí)在企業(yè)電網(wǎng)和公共電網(wǎng)連接處也需要安裝雙向計(jì)量電表,，用于計(jì)量企業(yè)上網(wǎng)電量,，數(shù)據(jù)均應(yīng)上傳供電部門用電信息采集系統(tǒng)，用于光伏發(fā)電補(bǔ)貼和上網(wǎng)電量結(jié)算,。
部分光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)需要監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)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(dú)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(hù)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(tái)采用光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)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(guó)家能源局關(guān)于2019年風(fēng)電,、光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)通知》（國(guó)發(fā)新能〔2019〕49號(hào)），對(duì)于需要國(guó)家補(bǔ)貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目,，需要滿足單點(diǎn)并網(wǎng)裝機(jī)容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網(wǎng)運(yùn)行安全技術(shù)要求的前提下,，通過內(nèi)部多點(diǎn)接入配電系統(tǒng),。
此類分布式光伏裝機(jī)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(jī)容量較大,，可能對(duì)公共電網(wǎng)造成比較大的干擾，因此供電部門對(duì)于此規(guī)模的分布式光伏電站穩(wěn)控系統(tǒng),、電能質(zhì)量以及和調(diào)度的通信要求都比較高,。
光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)需要監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)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(dú)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置,。
上圖為一個(gè)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(shè)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(jī)容量比較大,，涉及到的保護(hù)和測(cè)控設(shè)備比較多,，主要如下表：
5、結(jié)束語(yǔ)
毋庸置疑,，設(shè)備監(jiān)測(cè)對(duì)光伏電站的安全運(yùn)行,、管理具有重要意義。為了便于電站智能化、精細(xì)化管理,，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了光伏電站智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。該系統(tǒng)對(duì)光伏電站的設(shè)備進(jìn)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(jī),；隨后,，利用RiyearPowerNet軟件把電站的歷史和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)建成數(shù)據(jù)庫(kù)?；诖?，該軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電站的實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè),。光伏設(shè)備發(fā)生故障時(shí),，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)分析，可以快速,、準(zhǔn)確地定位故障位置,。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保障了光伏電站的可靠運(yùn)行和集中管理。
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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版
作者簡(jiǎn)介：
張心志,，男，安科瑞電氣股份有限公司
