韓歡慶

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

   摘要：為解決光伏電站監控系統光伏陣列監測不足、故障不易定位等問(wèn)題，筆者設計了集數據采集和處理的智能化光伏電站監控系統。根據企業(yè)光伏電站布局，提出了光伏電站智能監控系統方案，完成了該監控系統的硬件選型和軟件開(kāi)發(fā)。仿真結果表明：該監控系統具備光伏電站運行參數分析、光伏設備實(shí)時(shí)在線(xiàn)監控、報警功能，保障了光伏電站的可靠運行和集中管理。

   關(guān)鍵詞：光伏電站；智能監控系統；分布式光伏運維；實(shí)時(shí)在線(xiàn)

0、引言

   隨著(zhù)世界能源產(chǎn)業(yè)結構的調整和人類(lèi)對環(huán)境問(wèn)題的重視，太陽(yáng)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(lái)越多的光伏電站投入運營(yíng)。光伏電站的可靠運行，需要匯流箱、逆變器等設備在狀態(tài)下運行，對光伏設備的狀態(tài)監測十分重要。目前，光伏電站主要采用人工定期檢查、網(wǎng)絡(luò )化監控的方式對設備進(jìn)行監測。由于人力資源有限及傳統光伏監測系統智能化不足，這兩種方式都存在光伏陣列監測不足、遇到故障時(shí)無(wú)法快速定位的問(wèn)題。

   在此背景下，本文對某企業(yè)屋頂光伏電站的監測系統進(jìn)行了智能化設計。該監控系統為光伏電站匯流箱、逆變器等設備配備通信模塊，利用RS485總線(xiàn)與各通信模塊相連，將運行數據傳輸位機，并利用組態(tài)軟件在上位機建立監控界面，對運行數據進(jìn)行分析，實(shí)現光伏電站運行狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測，設備故障時(shí)上位機通過(guò)監控界面發(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(chǎng)區4個(gè)屋頂被分成A、B、C、D四個(gè)光伏發(fā)電區域，采用集中式和分布式相結合的方式發(fā)電。C區廠(chǎng)房面積較大且自用電較少，故對C區廠(chǎng)房采用集中式結構，根據工廠(chǎng)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(gè)區域通過(guò)交流電纜將電流輸送至并網(wǎng)柜。

2、智能監控系統設計方案

   為了能夠在光伏設備發(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)軟件構建一個(gè)界面，將每個(gè)智能元器件在界面上顯示出來(lái)，通過(guò)RS485總線(xiàn)將數據匯總到機柜串口后，通過(guò)光纖與上位機進(jìn)行連接從而實(shí)現監視功能。該系統實(shí)現數據采集和狀態(tài)監控的同時(shí)，可進(jìn)行簡(jiǎn)單、直觀(guān)的人機交互。其中，數據采集、狀態(tài)監控和簡(jiǎn)單的數據分析由各種智能元器件來(lái)實(shí)現，人機交互通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)現；在組態(tài)軟件中建立監控界面，將實(shí)時(shí)數據導入其中進(jìn)行分析處理，兩者之間的連接通過(guò)建立在C區的串口機柜實(shí)現，數據傳輸示意圖如圖1所示。

   設備故障時(shí)報警設計方案如下：在監測系統中設有報警裝置，當光伏面板發(fā)電量低于正常值便會(huì )發(fā)出報警信號。晴天時(shí)，軟件系統及時(shí)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。

   根據上述設定，采用一臺通過(guò)GPS校時(shí)的上位機電腦，查詢(xún)當地歷史平均每個(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)間認為是晚上，不響應故障告警；在該范圍內的時(shí)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(kāi)關(guān)，值班人員可以在陰雨天氣，關(guān)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

   直流匯流箱需要監視各個(gè)光伏面板的輸出電流，當任意一個(gè)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(diǎn)信號，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。因此，直流匯流箱選用常熟開(kāi)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

   根據設計要求，逆變器需提供遠程控制功能，并且發(fā)生故障時(shí)，能夠及時(shí)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(diǎn)不匹配逆變器的情況，大幅增加發(fā)電量。

4、軟件開(kāi)發(fā)

   利用Riyear-PowerNet系統設計該光伏電站的工業(yè)現場(chǎng)信息。采集到的元器件數據RiyearPowerNet系統進(jìn)行儲存，建立歷史及實(shí)時(shí)數據庫，在系統發(fā)生故障時(shí)，利用存儲的數據對故障進(jìn)行分析定位。

4.1軟件結構

   智能硬件系統通過(guò)Modbus驅動(dòng)程序與上位機相連接，人機界面就可以顯示設備數據的記錄、數據報警等，系統軟件結構如圖2所示。

4.2軟件設計與實(shí)現

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

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

4.3軟件運行流程

   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，根據地址向硬件設備發(fā)送數據。如果發(fā)送失敗，則再連續嘗試發(fā)送三次，如果仍然未能發(fā)送成功，則判斷該臺設備離線(xiàn)；如果成功，在智能設備接收數據信息后，將自身數據回饋位機，軟件接收數據后存入實(shí)時(shí)數據庫，并在人機界面讀取數據。將各個(gè)串口互相連接通信并將歷史數據加載讀取。如果智能設備出現故障，將向系統發(fā)送故障數據，系統根據定義好的算法判斷設備的故障類(lèi)型，在界面上顯示報警區域，在故障解除之后軟件系統回到正常狀態(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(guò)監測光伏站點(diǎn)的逆變器設備，氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶(hù)管理分散在各地的光伏站點(diǎn)。主要功能包括：站點(diǎn)監測，逆變器監測，發(fā)電統計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環(huán)境監測，設備檔案，運維管理，角色管理。用戶(hù)可通過(guò)WEB端以及APP端訪(fǎng)問(wèn)平臺，及時(shí)掌握光伏發(fā)電效率和發(fā)電收益。

5.2應用場(chǎng)所

   目前我國的兩種分布式應用場(chǎng)景分別是：廣大農村屋頂的戶(hù)用光伏和工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏，這兩類(lèi)分布式光伏電站今年都發(fā)展迅速。

5.3系統結構

   在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量?jì)x表，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將采集的數據上傳至服務(wù)器，并將數據進(jìn)行集中存儲管理。用戶(hù)可以通過(guò)PC訪(fǎng)問(wèn)平臺，及時(shí)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(hù)都可以通過(guò)WEB瀏覽器根據權限范圍監視分布在區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(xiàn)、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量，裝機容量，實(shí)時(shí)發(fā)電功率。

●累計日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●累計社會(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)展示當前光伏電站發(fā)電功率，補貼電價(jià)，峰值功率等基本參數。

●統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(shí)時(shí)監測現場(chǎng)環(huán)境，并且接入輻照度、溫濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數。

●顯示當前光伏電站逆變器接入數量及基本參數。

5.4.1.3逆變器狀態(tài)

●逆變器基本參數顯示。

●日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益顯示。

●通過(guò)曲線(xiàn)圖顯示逆變器功率、環(huán)境輻照度曲線(xiàn)。

●直流側電壓電流查詢(xún)。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數查詢(xún)。

5.4.1.4電站發(fā)電統計

●展示所選電站的時(shí)、日、月、年發(fā)電量統計報表。

5.4.1.5逆變器發(fā)電統計

●展示所選逆變器的時(shí)、日、月、年發(fā)電量統計報表

5.4.1.6配電圖

●實(shí)時(shí)展示逆變器交、直流側的數據。

●展示當前逆變器接入組件數量。

●展示當前輻照度、溫濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數。

●展示逆變器型號及廠(chǎng)商。

5.4.1.7逆變器曲線(xiàn)分析

●展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線(xiàn)。

5.4.2事件記錄

●操作日志：用戶(hù)登錄情況查詢(xún)。

●短信日志：查詢(xún)短信推送時(shí)間、內容、發(fā)送結果、回復等。

●平臺運行日志：查看儀表、網(wǎng)關(guān)離線(xiàn)狀況。

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

5.4.3運行環(huán)境

●視頻監控：通過(guò)安裝在現場(chǎng)的視頻攝像頭，可以實(shí)時(shí)監視光伏站運行情況。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(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：

5.5.2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)，超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點(diǎn)380V并網(wǎng)，以當地電力部門(mén)的審批意見(jiàn)為準。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/T448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，系統圖如下。

   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：

5.5.310kV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)，最后經(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：

5、結束語(yǔ)

   毋庸置疑，設備監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(kāi)發(fā)了光伏電站智能監測系統。該系統對光伏電站的設備進(jìn)行數據采集，然后利用RS485總線(xiàn)將數據傳輸位機；隨后，利用RiyearPowerNet軟件把電站的歷史和實(shí)時(shí)運行數據建成數據庫?；诖?，該軟件實(shí)現對電站的實(shí)時(shí)、在線(xiàn)監測。光伏設備發(fā)生故障時(shí)，監測系統通過(guò)對數據庫數據分析，可以快速、準確地定位故障位置。該監測系統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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[2]丁坤，陳富東，翁帥等．基于I-V特性灰色關(guān)聯(lián)分析的光伏陣列健康狀態(tài)評估[J].電網(wǎng)技術(shù)，2021，45（8）:3087-3095

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版

作者簡(jiǎn)介：

韓歡慶，女，本科，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要從事智能電網(wǎng)供配電相關(guān)的研究和應用