韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

 

摘要：隨著(zhù)光伏發(fā)電技術(shù)逐步趨于成熟和完善，為了滿(mǎn)足光伏發(fā)電并網(wǎng)需求，需對光伏發(fā)電實(shí)行實(shí)時(shí)監控，當前的分布式光伏發(fā)電監控系統主要采用硬連線(xiàn)的組網(wǎng)方式，存在著(zhù)需挖溝走槽、布線(xiàn)復雜、通信不可靠、時(shí)鐘不同步等問(wèn)題。鑒于此，提供了一種分布式光伏監控系統，旨在解決傳統監控系統存在的上述問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：通信；ZigBee；離散分析；時(shí)鐘同步

 

  在國家的大力倡導下，分布式光伏電站如今開(kāi)始興起，它充分利用了閑置的屋頂、樓頂、廠(chǎng)房頂、農業(yè)大棚等，而且低壓并網(wǎng)安全又可靠，由此看來(lái)，分布式光伏發(fā)電的發(fā)展是大勢所趨。正是在這種趨勢的引導下，很多從事電氣行業(yè)的電氣公司開(kāi)始紛紛轉移到分布式能源上來(lái)，大量的分布式能源建成投產(chǎn)。為實(shí)現對分布式能源的監控，滿(mǎn)足電力接入電網(wǎng)的要求，需對分布式能源的合理調配、集中監控、電網(wǎng)分析、配網(wǎng)自動(dòng)化及日常維護等進(jìn)行統一管理。然而，當前的分布式光伏發(fā)電監控系統主要采用硬連線(xiàn)的組網(wǎng)方式進(jìn)行監控，而硬連線(xiàn)的組網(wǎng)方式存在著(zhù)需挖溝走槽、布線(xiàn)復雜、通信不可靠、時(shí)鐘不同步等問(wèn)題。

 

  本文的主要目的在于提供一種分布式光伏監控系統，旨在解決現有光伏發(fā)電監控系統存在的需挖溝走槽、布線(xiàn)復雜、通信不可靠、時(shí)鐘不同步等問(wèn)題。為實(shí)現上述目的，本文提供了一種分布式光伏監控系統，該系統包括監控中心、通信管理機、匯流箱及逆變器等設備。監控中心用于通過(guò)下行目標信道將數據請求無(wú)線(xiàn)發(fā)送至通信管理機；通信管理機用于接收所述數據請求，并通過(guò)上行目標信道將與所述數據請求對應的設備的運行數據無(wú)線(xiàn)反饋至監控中心，其中，運行數據為通信管理機采集并保存設備的運行數據。監控中心用于通過(guò)上行目標信道接收所述運行數據，并對所述運行數據進(jìn)行監測。

本系統網(wǎng)絡(luò )結構由中心節點(diǎn)子網(wǎng)和分布式子網(wǎng)組成，如圖1所示，通過(guò)對中心節點(diǎn)子網(wǎng)ZigBee數據包和分布式子網(wǎng)ZigBee數據包進(jìn)行解析，得到信號強度指示值，判斷所述信號強度指示值是否滿(mǎn)足預設的信道要求，若滿(mǎn)足所述信道要求，則對所述信號強度指示值進(jìn)行離散率分析，得到離散率值。根據所述離散率值確定所述下行目標信道及所述上行目標信道。

圖1 分布式光伏監控系統網(wǎng)絡(luò )結構圖

  監控中心還用于通過(guò)所述下行目標信道發(fā)送時(shí)鐘同步命令至與所述下行目標信道對應的通信管理機。通信管理機基于所述時(shí)鐘同步命令進(jìn)行時(shí)鐘修正，并通過(guò)所述上行目標信道將修正后的時(shí)鐘返回至監控中心。監控中心與通信管理機采用冗余數據補抄標識，確保數據的安全與完整性。

 

  在本文實(shí)施例中分布式光伏監控系統中包括一個(gè)監控中心、若干通信管理機及若干設備。監控系統與通信管理機之間進(jìn)行信息傳輸的通道稱(chēng)之為信道，分布式光伏監控系統中可以存在多條信道。其中，下行目標信道表示信息傳輸方向由監控系統至通信管理機，且網(wǎng)絡(luò )良好、信道噪聲小、傳輸誤碼率小的信道。通信管理機用于接收數據請求，并通過(guò)上行目標信道將與數據請求對應的設備的運行數據無(wú)線(xiàn)反饋至監控中心，其中運行數據為通信管理機采集并保存的設備的運行數據。

在本文實(shí)施例中，上行目標信道及下行目標信道表示相匹配的信道，可以是同一信道也可以是不同的信道，上行目標信道及下行目標信道中的上行與下行僅表示信息傳輸方向，不具有其他限定含義。

  在本文實(shí)施例中，每一臺通信管理機通過(guò)串口線(xiàn)實(shí)時(shí)獲取與自身連接的設備的運行數據，并將獲取到的運行數據保存在該通信管理機內，通信管理機在接收到數據請求后，通過(guò)上行目標信道將與該數據請求對應的設備的運行數據無(wú)線(xiàn)反饋至監控中心。監控中心通過(guò)上行目標信道接收運行數據，并對運行數據進(jìn)行監測。

監控中心還通過(guò)下行目標信道將數據請求無(wú)線(xiàn)發(fā)送至通信管理機，通信管理機用于接收數據請求，并通過(guò)上行目標信道將與數據請求對應的設備的運行數據無(wú)線(xiàn)反饋至監控中心。與現有技術(shù)相比，本文實(shí)施例中監控中心基于無(wú)線(xiàn)通信的冗余離散分析算法，提高了分布式光伏監控系統通信的可靠性，大大降低了項目的投資成本。

  在分布式光伏監控系統中，每一個(gè)信道中的ZigBee數據包的獲取過(guò)程都是相同的，針對某一信道，預先設置時(shí)間段，并將該時(shí)間段分成n個(gè)采集周期，在預設時(shí)間段內，每隔一個(gè)采集周期從信道中的中心節點(diǎn)子網(wǎng)的ZigBee設備上采集到1個(gè)ZigBee數據包，可以采集n個(gè)ZigBee數據包。若一個(gè)信道中的分布式子網(wǎng)由k個(gè)ZigBee設備構成，在預設時(shí)間段內，每隔一個(gè)采集周期從信道中的分布式子網(wǎng)中的k個(gè)ZigBee設備上采集到k個(gè)ZigBee數據包，一共可以采集k×n個(gè)ZigBee數據包。通過(guò)對中心節點(diǎn)子網(wǎng)的ZigBee數據包和分布式子網(wǎng)ZigBee數據包進(jìn)行解析，可以得到不同的信號強度指示值。然后對信號強度指示值進(jìn)行離散率分析，根據得到離散率值就可以判斷，滿(mǎn)足預設的信道要求表示該信道所處的網(wǎng)絡(luò )性能良好，信道噪聲比??；不滿(mǎn)足預設的信道要求表示該信道所處的網(wǎng)絡(luò )性能較差，信道噪聲比大。針對不滿(mǎn)足預設的信道要求的，可以通過(guò)調整ZigBee設備的位置，頻段的匹配調整或增加中繼，來(lái)提高系統的通信效果及通信的可靠性。

 

  由于中心節點(diǎn)子網(wǎng)與分布式子網(wǎng)之前是無(wú)線(xiàn)傳輸的，所以監控中心和通信管理機之間信息傳輸會(huì )存在延遲，并且串口線(xiàn)之間進(jìn)行信息傳輸也需要傳輸時(shí)間。例如，在某一時(shí)刻，監控中心獲取當地時(shí)間為T(mén)，監控中心進(jìn)行信息打包處理時(shí)間為ΔT1，監控中心將打包處理后的信息傳輸給通信管理機的時(shí)間為ΔTc，通信管理機接收到打包處理后的信息后進(jìn)行解包處理，解包處理時(shí)間為ΔT2，通信管理機如果將T作為當前時(shí)間修正本地時(shí)鐘，則這次修正是不正確的，因為通信管理機修改本地時(shí)鐘的那一時(shí)刻，標準時(shí)間應該是T+ΔT1+ΔTc+ΔT2，因此，若監控中心在T時(shí)刻，將T+ΔT1+ΔTc+ΔT2作為標準時(shí)間發(fā)送至通信管理機，時(shí)鐘修正才是準確的。

  其中，ΔT1+ΔTc+ΔT2的確定方法是通過(guò)測延遲報文來(lái)實(shí)現，測延遲報文通常是在初始化時(shí)和通信鏈接中斷后又恢復時(shí)進(jìn)行的，測延遲報文的具體流程為：在T+ΔT1+ΔTc+ΔT2時(shí)刻，通信管理機收到時(shí)鐘同步命令后，通信管理機同時(shí)發(fā)送確認命令，確認命令的長(cháng)度與收到的時(shí)鐘同步命令的長(cháng)度相同，彎曲部位易受到管壁的摩擦和機械損傷從而導致110 kV高壓電纜產(chǎn)生扭曲，管壁和電纜線(xiàn)之間發(fā)生摩擦損傷。如果在設計階段沒(méi)有充分考慮施工時(shí)對電纜的影響，尤其是當電纜路徑的轉彎半徑不足或轉彎處的側壓力過(guò)大時(shí)，管道中的殘渣將對電纜的外護套造成致命損傷，并且可能會(huì )導致金屬護套變形、主絕緣變形，這將給后面的電纜附件制作造成難題，也給后期的運行維護埋下安全隱患。

 

4.1 交流220V并網(wǎng)

  交流220V并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統多用于居民屋頂光伏發(fā)電，裝機功率在8kW左右。戶(hù)用光伏電站今年發(fā)展非常迅猛，根據國家能源局網(wǎng)站提供的數據，截至2021年6月底，全國累計納入2021年國家財政補貼規模戶(hù)用光伏項目裝機容量為586.14萬(wàn)千瓦，這相當于6個(gè)月在居民屋頂建造了四分之一個(gè)三峽水電站。

 

  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(lèi)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。光伏電站規模較小，而且比較分散，對于光伏電站的管理者來(lái)說(shuō)，通過(guò)云平臺來(lái)管理此類(lèi)光伏電站非常有必要，安科瑞在這類(lèi)光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

4.2 交流380V并網(wǎng)

  根據國家電網(wǎng)Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規定》，8kW~400kW可380V并網(wǎng)，這類(lèi)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(diǎn)，計量點(diǎn)設置除應考慮產(chǎn)權分界點(diǎn)外，還應考慮分布式電源出口與用戶(hù)自用電線(xiàn)路處。每個(gè)計量點(diǎn)均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術(shù)要求符合DL/T 448的相關(guān)規定，以及相關(guān)標準、規程要求。電能表采用智能電能表，技術(shù)性能應滿(mǎn)足國家電網(wǎng)公司關(guān)于智能電能表的相關(guān)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，實(shí)現用電信息的遠程自動(dòng)采集。

 

  光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過(guò)匯流箱接入逆變器，然后接入企業(yè)380V電網(wǎng)，實(shí)現自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。在380V并網(wǎng)點(diǎn)前需要安裝計量電表用于計量光伏發(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量電表，用于計量企業(yè)上網(wǎng)電量，數據均應上傳供電部門(mén)用電信息采集系統，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(diǎn)需要監測并網(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，需要安裝單獨的電能質(zhì)量監測裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類(lèi)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。

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

 

4.3 10kV或35kV并網(wǎng)

  根據《國家能源局關(guān)于2019年風(fēng)電、光伏發(fā)電項目建設有關(guān)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(mǎn)足單點(diǎn)并網(wǎng)裝機容量小于6兆瓦且為非戶(hù)用的要求，支持在符合電網(wǎng)運行安全技術(shù)要求的前提下，通過(guò)內部多點(diǎn)接入配電系統。

  此類(lèi)分布式光伏裝機容量一般比較大，需要通過(guò)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(mén)對于此規模的分布式光伏電站穩控系統、電能質(zhì)量以及和調度的通信要求都比較高。

光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)需要監測并網(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，需要安裝單獨的電能質(zhì)量監測裝置。

  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(guò)直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據情況可不設置)，經(jīng)過(guò)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：

      

         

          

 

 

  本文所提供的分布式光伏監控系統，已經(jīng)應用于屋頂分布式光伏發(fā)電、漁光互補發(fā)電、農光互補發(fā)電等多種場(chǎng)景，運行穩定，通信可靠，大大節省了項目的投資成本，用戶(hù)反應良好

 

[1]李鐘實(shí).分布式光伏電站設計施工與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[2]李小秋.分布式光伏監控系統的應用開(kāi)發(fā).

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版.

 

韓歡慶，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無(wú)線(xiàn)測溫系統的研發(fā)與應用