北京三維力控科技有限公司 董黎芳

1 方案概述

太陽能光伏電站主要由光伏電池陣列、匯流箱、低壓直流柜、逆變柜、交流低壓柜、升壓變壓器等組成，最后產(chǎn)生的高壓交流并入電網(wǎng)。隨著光伏發(fā)電在中國的持續(xù)建設(shè)和投入，如何提供全站設(shè)備的本地和遠程運行監(jiān)控和管理、視頻監(jiān)控，以及按照規(guī)定的協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，是電站業(yè)主和電網(wǎng)公司所共同關(guān)心的問題。

根據(jù)市場的分析，光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)面臨的主要問題有以下幾個方面：

（1）現(xiàn)場一般采用的是不同廠家的產(chǎn)品，現(xiàn)場設(shè)備種類繁多，通訊協(xié)議不一致，如何實現(xiàn)集中的監(jiān)控和管理？

（2）大型電站的測點數(shù)量級達萬點以上，如何保證數(shù)據(jù)采集的速率和準確性，以及歷史數(shù)據(jù)的海量存儲、分析、查看？

（3）將現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入信息層時，面臨著病毒、惡意軟件的入侵，如何保證整個系統(tǒng)的安全性？

（4）分散的光伏電站各個子系統(tǒng)相互獨立，如何整合成一個統(tǒng)一的平臺以消除信息孤島？

力控科技根據(jù)這些需求和難點，提出了光伏電站SCADA系統(tǒng)綜合解決方案，其SCADA系統(tǒng)作為整個電站對外、對內(nèi)數(shù)據(jù)交換的接口，對上具備解析調(diào)度指令，對下具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄分析、設(shè)備報警、Web發(fā)布等功能。同時可以根據(jù)具體項目的要求，對國網(wǎng)公司地方調(diào)度，或者其它如鑒衡認證中心、北京市節(jié)能環(huán)保中心等職能機構(gòu)按照規(guī)定的協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)對光伏電站完整、統(tǒng)一的本地和遠程運行監(jiān)控、數(shù)據(jù)的集中管理，給電站業(yè)主和電網(wǎng)公司提供了方便的管理。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計的原則

（1）可擴展性—系統(tǒng)的設(shè)計上一方面要全面滿足當前環(huán)境下的需求及未來一段時間的應(yīng)用需求，另一方面要能方便地進行功能擴展，可靈活增添刪減功能模塊。

（2）可集成性—從技術(shù)發(fā)展角度和用戶需求來看，軟件結(jié)構(gòu)本身應(yīng)能與其它應(yīng)用系統(tǒng)集成，做到信息共享和資源共享。

（3）互操作性—支持各種主流實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)接口，并通過標準關(guān)系數(shù)據(jù)庫接口(ODBC，OLE DB)實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。平臺的開放性保證了今后可從生產(chǎn)管理系統(tǒng)的不同數(shù)據(jù)模塊中裁剪不同的功能，以滿足某個特定任務(wù)的需要，實現(xiàn)互操作。

2.2 設(shè)計規(guī)范

下列文件對于本方案的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本方案。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T 12325—2008 電能質(zhì)量 供電電壓偏差

GB/T 12326—2008 電能質(zhì)量 電壓波動和閃變

GB/T 13729—2002 遠動終端設(shè)備

GB/T 13730—2002 地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)

GB/T 14549—1993 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波

GB/T 15543—2008 電能質(zhì)量 三相電壓不平衡

GB/T 15945—2008 電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差

GB/T 19939 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求

GB/Z 19964 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)定

GB/T 20046—2006 光伏(PV)系統(tǒng) 電網(wǎng)接口特性

GB 50217 電力工程電纜設(shè)計規(guī)范

JB/T 5777.2—2002 電力系統(tǒng)二次電路用控制及繼電保護屏（柜、臺）通用技術(shù)條件

DL/T 634.5101 遠動設(shè)備及系統(tǒng) 第5-101部分：傳輸規(guī)約 基本遠動任務(wù)配套標準

DL/T 634.5104 遠動設(shè)備及系統(tǒng) 第5-104部分：傳輸規(guī)約 采用標準傳輸協(xié)議集的IEC 60870-5-101網(wǎng)絡(luò)訪問

DL/T 667 遠動設(shè)備及系統(tǒng) 第5部分：傳輸規(guī)約 第103篇：繼電保護設(shè)備信息接口配套標準

DL/T 5136—2001 火力發(fā)電廠、變電所二次線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程

DL/T 5137—2001 電測量及電能計量裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程

DL/T 5149 220 kV～500 kV變電所計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

本方案中包括三個核心部分，分別是調(diào)度中心、站控和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。力控光伏電站SCADA系統(tǒng)調(diào)度中心完成了對分散的光伏電站子系統(tǒng)的全面數(shù)據(jù)的采集存儲、歷史備份、WEB發(fā)布，實現(xiàn)了光伏電站的遠程運營與維護。站控系統(tǒng)完成的是本地光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，并且為調(diào)度中心提供數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計為數(shù)據(jù)的集中采集以及安全提供了保障。

3.1 光伏發(fā)電SCADA系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)（如圖1所示）

圖1 光伏發(fā)電SCADA系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3.2 光伏發(fā)電SCADA系統(tǒng)特點

整體方案架構(gòu)體系包括五層：現(xiàn)場設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、站控層、調(diào)度層和信息層，整體采用光纖以太網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)。

（1）現(xiàn)場設(shè)備層由逆變器、配電與計量設(shè)備、匯流箱、氣象監(jiān)測儀、電池板組件、變壓器等組成。

（2）站控層由監(jiān)控主機（配組態(tài)軟件ForceControl）、采集網(wǎng)關(guān)pFieldComm組成，提供子站所有設(shè)備的接入、監(jiān)控和管理、視頻監(jiān)控，以及將數(shù)據(jù)上傳到調(diào)度層。

（3）網(wǎng)絡(luò)層由現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)線路等構(gòu)成，提供全站運行和監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)與通信。

（4）調(diào)度中心由實時歷史服務(wù)器（配實時歷史數(shù)據(jù)庫pSpace）、Web服務(wù)器、打印機等組成，實現(xiàn)對分散的光伏電站子系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)的采集、歷史數(shù)據(jù)存儲、WEB發(fā)布等。

（5）信息層由WEB客戶端、手機客戶端、遠程訪問服務(wù)器、安全網(wǎng)關(guān)（pSafetyLink）等組成，使用者可以對自己關(guān)心的數(shù)據(jù)進行遠程訪問和管理，并且能保證調(diào)度層系統(tǒng)的安全性。

4 系統(tǒng)平臺選型

4.1 光伏發(fā)電SCADA系統(tǒng)調(diào)度中心平臺選型

基于方案設(shè)計以及需求分析，光伏發(fā)電SCADA系統(tǒng)調(diào)度中心平臺推薦使用力控企業(yè)級實時歷史數(shù)據(jù)庫pSpace，這是一款高性能、高吞吐能力、可靠性強、跨平臺的實時/歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，同時具備以下特點：

（1）海量的數(shù)據(jù)存儲，單節(jié)點支持百萬級測點，適用測點多的環(huán)境，以及針對電站分布廣的特點做集中管理。

（2）豐富的設(shè)備采集接口，支持主流DCS、PLC、DDC、現(xiàn)場總線、智能儀表等設(shè)備，并提供驅(qū)動定制，適合現(xiàn)場設(shè)備種類多的情況。

（3）支持變量在線組態(tài)，滿足現(xiàn)場隨時增加測點的需求。

（4）開放式架構(gòu)，可任意組建應(yīng)用模式，支持C/S、B/S架構(gòu)，并且提供豐富的客戶端應(yīng)用工具。

（5）具有豐富的數(shù)據(jù)接口Phi，它是一種用來在pSpace實時數(shù)據(jù)庫以及關(guān)系數(shù)據(jù)之間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲的工具，它能夠方便的將pSpace中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并轉(zhuǎn)存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，從而減少了歷史查詢給pSpace性能帶來的壓力，并為上層分析功能應(yīng)用提供了一個新的查詢歷史數(shù)據(jù)入口，經(jīng)過統(tǒng)計后的數(shù)據(jù)能更方便的被上層應(yīng)用所用。

（6）具備協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)功能，即可以根據(jù)規(guī)范，如《可再生能源建筑應(yīng)用示范項目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》，將數(shù)據(jù)上傳。

4.2 光伏發(fā)電SCADA系統(tǒng)安全平臺選型

在提供web瀏覽以及數(shù)據(jù)上傳轉(zhuǎn)發(fā)的同時，面臨著病毒、惡意軟件的入侵，為了保障光伏發(fā)電SCADA系統(tǒng)的安全性，使用力控的安全網(wǎng)關(guān)pSafetyLink，其雙獨立主機系統(tǒng)分為控制端和信息端，分別接入過程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和管理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，同時兩主機之間采用PSL專用網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)，在保證數(shù)據(jù)快速交互的同時徹底阻斷了網(wǎng)絡(luò)的連接，保證了站控層過程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全。

4.3 光伏發(fā)電站控系統(tǒng)平臺選型

站控系統(tǒng)可以分為有人值守和無人值守，其共同特點是都需要采集本地的數(shù)據(jù)，并且把數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到調(diào)度中心，不同點在于有人值守需要做本地采集顯示，歷史數(shù)據(jù)的存儲分析等。

4.3.1 有人值守站控系統(tǒng)平臺選型

有人值守站控系統(tǒng)選擇監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl其特點如下：

（1）用戶界面友好，功能模塊化，組態(tài)方便。

（2）可支持IEC101、IEC103、IEC104、ModBus-RTU、ModBus-TCP、CAN2.0 等標準通信規(guī)約，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，并且具備支持其他廠家特殊規(guī)約的開發(fā)能力，例如南瑞、南自等。

（3）數(shù)據(jù)采集通訊控制單元支持接口類型包括RS-232、RS-485、CAN2.0、ModBus-RTU、ModBus-TCP，通過規(guī)約轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)；

（4）系統(tǒng)異常信息實時告警，并提供多種告警方式，同時將報警信息進行存儲；

（5）豐富的報表和曲線展示，軟件支持報表打印、導(dǎo)出等功能；

（6）軟件可支持Web 訪問及發(fā)布功能。

4.3.2 無人值守站控系統(tǒng)平臺選型

無人值守的環(huán)境一般比較偏僻或者惡劣，推薦使用力控的采集網(wǎng)關(guān) pFieldComm。

本裝置可以從通訊協(xié)議級實現(xiàn)串口（包括RS232、RS485、RS422等）、以太網(wǎng)、各種現(xiàn)場總線（包括CAN、LonWorks、Profibus等）通訊網(wǎng)絡(luò)的相互轉(zhuǎn)換。以便與其它設(shè)備或調(diào)度間進行實時的數(shù)據(jù)交換。pFieldComm采集網(wǎng)關(guān)采用高性能嵌入式計算平臺，內(nèi)嵌通信采集規(guī)約庫和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)約，可以實現(xiàn)采集多個不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)集中匯總、分類和預(yù)處理，并對多個上級調(diào)度等平臺系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。它具有以下特點：

（1）硬件采用低功耗，無風(fēng)扇設(shè)計，適合現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，支持無人值守；

（2）硬件具備遠程維護與部署的功能；

（3）具備多種工業(yè)通信協(xié)議驅(qū)動接口選擇，支持多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括GPRS網(wǎng)絡(luò)、VPN、以太網(wǎng)、總線等；

（4）支持斷線緩存和冗余功能。

5 系統(tǒng)軟件功能

5.1 數(shù)據(jù)采集和控制

（1）逆變器監(jiān)控（如圖2所示）

采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：當前總功率、發(fā)電量、二氧化碳減排量、直流電壓、直流電流、直流功率、交流電壓、電流、逆變器機內(nèi)溫度等；

運行狀態(tài)：運行、關(guān)閉、待機；

控制的內(nèi)容：開啟、停止、參數(shù)設(shè)置/調(diào)整。

圖2 逆變器監(jiān)控

（2）匯流箱監(jiān)控（如圖3所示）

采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)： 光伏陣列每路電流或每個光伏陣列電流；

報警數(shù)據(jù)：設(shè)備可提供的所有報警數(shù)據(jù)；

控制內(nèi)容：開啟、停止。

圖3 匯流箱監(jiān)控

（3）光伏陣列監(jiān)控（如圖4所示）

采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有高度角、方位角、運行狀態(tài)、報警數(shù)據(jù)；

控制內(nèi)容：開啟、定位、停止。

圖4 光伏陣列監(jiān)控

（4）氣象監(jiān)測儀監(jiān)控

采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有環(huán)境溫度 、光照強度、風(fēng)速、風(fēng)向等。

5.2 統(tǒng)一的設(shè)備維護管理

力控軟件平臺提供監(jiān)控設(shè)備使用狀況功能，顯示逆變器等設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況、電流和電壓、設(shè)備的故障信息，提供自動報警顯示并存儲，并且對重要儀表統(tǒng)一管理，提示維修人員及時更換備件、及時維護，延長儀表的使用壽命。

5.3 系統(tǒng)報警

當系統(tǒng)任何節(jié)點、任務(wù)模塊出現(xiàn)故障或異常，在處理系統(tǒng)實時的或歷史的數(shù)據(jù)過程中發(fā)現(xiàn)異常、故障時，系統(tǒng)自動給出各種報警提示，包含預(yù)設(shè)的語音報警、報警簡報窗口顯示、報警總表顯示、報警即時打印、報警畫面、圖元變色等。

系統(tǒng)產(chǎn)生的報警信息保存，包括告警時間、站點信息、告警類別、告警描述等。同時可以按時間、地域信息、報警類別、描述等做復(fù)雜的關(guān)鍵字組合查詢和進行復(fù)雜的統(tǒng)計，如圖5所示。

圖5 實時報警報表

5.4 數(shù)據(jù)存儲和顯示

調(diào)度中心負責(zé)實時采集重要參量并進行定期存儲，操作員可查詢歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，并且以報表和曲線、棒圖等形式的展示，同時可以打印數(shù)據(jù)，為技術(shù)員分析系統(tǒng)運行狀況提供科學(xué)的依據(jù)，如圖6所示。

圖6 歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)展示

5.5 用戶管理

系統(tǒng)具備用戶管理、角色管理和權(quán)限管理。管理員能夠添加、修改、刪除系統(tǒng)用戶，能夠定義每個用戶的角色，也能為每個用戶或每種角色分配系統(tǒng)各種功能的使用權(quán)限，如圖7所示。

圖7 用戶管理界面

5.6 數(shù)據(jù)的在線統(tǒng)計

能夠?qū)Πl(fā)電站運行的各種常規(guī)參數(shù)進行統(tǒng)計計算，包括日、月、年、時段的最大、最小值及其出現(xiàn)時間、平均值、越限次數(shù)、越限時間、越限率、合格率等。

5.7 Web發(fā)布

通過力控軟件提供的Web功能，可以使用戶從IE瀏覽器上訪問工程畫面，瀏覽的效果與在力控軟件運行系統(tǒng)中看到的工程畫面完全相同，包含全部動態(tài)數(shù)據(jù)和動畫，方便系統(tǒng)的遠程管理。

5.8 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)

力控軟件提供了《可再生能源建筑應(yīng)用示范項目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》、“用戶側(cè)光伏電站在線監(jiān)測系統(tǒng)認證技術(shù)規(guī)范V7.0”等轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，可以將數(shù)據(jù)傳到住建部以及金太陽中心。