郭 琳

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001）

甘肅黑河水電50MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電工程位于張掖市甘州區(qū)西南，距張掖市區(qū)20km，海拔高度1670m。電站場(chǎng)址距張掖330kV變電站10km，距110kV黑開變電站2km。工程區(qū)多年平均太陽總輻射量6129.96MJ/m3，多年平均日照小時(shí)數(shù)3110.5h，最大陣風(fēng)風(fēng)速2.7m/s，沙塵天數(shù)7d/a，年平均氣溫7.3℃，場(chǎng)地開闊、平坦，交通便利。工程裝機(jī)容量為50MWp，工程占地約1.2km3。

本工程光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)由50個(gè)1MWp光伏發(fā)電子系統(tǒng)組成，每個(gè)光伏發(fā)電子系統(tǒng)分別經(jīng)過一臺(tái)0.27kV/0.27kV/35kV升壓變壓器將電壓升至35kV，35kV電纜接至電站110kV升壓變電站35kV配電裝置，經(jīng)總升壓變壓器將電壓升至110kV，以1回110kV架空線路送至電力系統(tǒng)。電站按“無人值班”(少人值守)的原則設(shè)計(jì)，采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控。電站組件的自動(dòng)化元件、SVG系統(tǒng)、光功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)、有功功率系統(tǒng)均滿足計(jì)算機(jī)監(jiān)控的要求。

1 設(shè)計(jì)要求

監(jiān)控系統(tǒng)是系統(tǒng)中主要的人機(jī)接口，是整個(gè)變電站監(jiān)控運(yùn)行的中心。通過通信網(wǎng)獲得全站電氣量、開關(guān)量、保護(hù)信息及各種文件信息，經(jīng)其進(jìn)一步處理，保障整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行，并滿足下列要求。

（1）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理。實(shí)時(shí)采集陣列輸出電壓、電流、環(huán)境參數(shù)(輻照度、溫度、風(fēng)速)、逆變器輸出電壓、電流以及蓄電池端電壓、蓄電池溫度、蓄電池充電電流等數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，并作預(yù)處理，存于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于畫面顯示、控制調(diào)節(jié)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)，操作管理和故障分析定位等。

（2）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，更新畫面，顯示調(diào)用方式、報(bào)表、模擬量趨勢(shì)曲線、報(bào)告接口、歷史數(shù)據(jù)等。

（3）運(yùn)行及故障的監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，在設(shè)備故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)立即發(fā)出警報(bào)，顯示故障的時(shí)間和故障原因。根據(jù)警報(bào)的優(yōu)先級(jí)發(fā)出不同報(bào)警信號(hào),通知工作人員。具有報(bào)警(包括電話語音報(bào)警)，報(bào)警等級(jí)修改，報(bào)警匯總，報(bào)警歷史記錄等功能。

（4）打印功能。用于實(shí)時(shí)打印事件、報(bào)警信號(hào)、報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄等數(shù)據(jù)。

（5）遠(yuǎn)方調(diào)度功能。該系統(tǒng)能保證在無人值班的條件下安全可靠運(yùn)行,應(yīng)具有遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)功能，遙測(cè)、遙信除送地調(diào)監(jiān)控外，還需送往省調(diào)、集控中心，信息通過遠(yuǎn)動(dòng)通道傳送，通信規(guī)約遵循國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

（6）系統(tǒng)自診斷與自恢復(fù)功能。系統(tǒng)設(shè)備有自診斷功能，設(shè)備異常有報(bào)警信號(hào)，設(shè)備本體有LED信號(hào)指示，系統(tǒng)各設(shè)備不僅自檢，還可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備間的互檢，形成系統(tǒng)檢測(cè)報(bào)告。并將系統(tǒng)異常情況及時(shí)報(bào)警通知運(yùn)行人員以及時(shí)處理，且可對(duì)某些異常情況進(jìn)行恢復(fù)或冗余部件切換處理。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1 黑河光伏發(fā)電工程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

黑河50MWp光伏發(fā)電工程監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由站控層、網(wǎng)絡(luò)層及現(xiàn)地控制單元構(gòu)成。站控層主要完成信息的收集和綜合處理，配置操作員站、工程師站、培訓(xùn)站、遠(yuǎn)動(dòng)站等。站控層設(shè)備均布置在相應(yīng)的二次屏室及逆變器室內(nèi)。根據(jù)國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)主席辦公會(huì)5號(hào)令的要求配置計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)方案。

主控機(jī)和現(xiàn)地單元通過以太網(wǎng)連接；現(xiàn)地層主要包括測(cè)控單元、與站控層網(wǎng)絡(luò)的接口以及和繼電保護(hù)通信接口裝置等，通過總線與CPU連接；站控層設(shè)備及現(xiàn)地層設(shè)備均按工程實(shí)際建設(shè)規(guī)模配置。站控層設(shè)備及現(xiàn)地層設(shè)備均布置在相應(yīng)的二次屏室及逆變器室內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)層包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)光/電轉(zhuǎn)換器、光配線架（盒）、接口設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接線、電纜、光纜及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備等；實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率不小于100Mbps，構(gòu)成分布式高速工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)站級(jí)單元的信息共享以及站內(nèi)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理以及站級(jí)聯(lián)鎖控制，設(shè)備組屏布置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖2 保護(hù)配置圖

圖3 環(huán)境監(jiān)測(cè)器總體結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件

黑河50MWp光伏發(fā)電工程監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要是由上位機(jī)系統(tǒng)、光伏逆變現(xiàn)地單元、保護(hù)裝置及環(huán)境監(jiān)測(cè)儀等部分組成。

3.1 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)、工程師站、遠(yuǎn)動(dòng)通信設(shè)備、智能接口設(shè)備、GPS設(shè)備、各種語音提示設(shè)備及打印機(jī)等構(gòu)成。

主機(jī)兼操作員站，監(jiān)控主機(jī)用作站控層數(shù)據(jù)收集、處理、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)管理的中心。操作員站是站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的主要人機(jī)界面，用于圖形及報(bào)表顯示、事件記錄及報(bào)警狀態(tài)顯示和查詢，設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)的查詢，操作指導(dǎo)，操作控制命令的解釋和下達(dá)等。運(yùn)行人員可通過操作員工作站對(duì)變電站各一次及二次設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)和操作控制。遠(yuǎn)動(dòng)工作站通過遠(yuǎn)動(dòng)通道向調(diào)度端傳送信息。

3.2 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元（LCU）是監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，也是聯(lián)系整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的紐帶。光伏逆變現(xiàn)地單元的測(cè)量及控制是通過逆變器室內(nèi)安裝的數(shù)據(jù)采集柜實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集柜用于采集、處理光伏電站系統(tǒng)中逆變器室內(nèi)電氣設(shè)備、室外箱變及匯流箱數(shù)據(jù)，可與光伏并網(wǎng)逆變器、匯流箱、室外箱變進(jìn)行通訊，既可以對(duì)單臺(tái)逆變器進(jìn)行監(jiān)控，也可以對(duì)數(shù)臺(tái)逆變器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。具有多種數(shù)據(jù)通訊接口，包括RS485標(biāo)準(zhǔn)串口、USB、網(wǎng)絡(luò)通訊等。

每套數(shù)據(jù)采集柜包括1套通信服務(wù)器及1套數(shù)字式綜合測(cè)控裝置。

3.2.1 通信服務(wù)器應(yīng)具有的特點(diǎn)

（1）采用32位高性能單片機(jī)和商用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。

（2）內(nèi)置GPS硬件對(duì)時(shí)插件用于全系統(tǒng)時(shí)鐘同步，應(yīng)滿足與電站主監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)時(shí)要求，時(shí)鐘偏差不大于1ms。

（3）應(yīng)具有高速可靠的網(wǎng)絡(luò)通信接口用于系統(tǒng)擴(kuò)展。

（4）應(yīng)有靈活的在線、離線調(diào)試手段，可靠的程序升級(jí)、下載參數(shù)及數(shù)據(jù)查詢功能，滿足日新月異的網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代要求。

（5）對(duì)監(jiān)控主網(wǎng)采用光纖通信口，對(duì)現(xiàn)地設(shè)備采用異步通信口，并支持同步通信方式。支持 IEC 870-5-101/103、DL 451-1991（國(guó)標(biāo) CDT）、N4F-POLLING等各種標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約，并可根據(jù)用戶要求單獨(dú)進(jìn)行特殊規(guī)約的開發(fā)。

3.2.2 數(shù)字式綜合測(cè)控裝置應(yīng)具有的特點(diǎn)

主要功能包括：開關(guān)量信號(hào)采集、脈沖信號(hào)采集、編碼信號(hào)采集、溫度信號(hào)采集、直流信號(hào)采集、交流量信號(hào)采集、開關(guān)量控制輸出、模擬量信號(hào)輸出/遙調(diào)、遠(yuǎn)方就地操控、以及各種通訊接口等。

配置有GPS硬件對(duì)時(shí)電路，便于全系統(tǒng)時(shí)鐘同步。通信接口配備高速以太網(wǎng)絡(luò)通信（支持電或光接口），同時(shí)支持雙串口通信連接，支持IEC 60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約。

3.3 保護(hù)裝置

與集成電路型模擬式保護(hù)相比，微機(jī)保護(hù)裝置功能齊全、運(yùn)行靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、具備自檢功能、價(jià)格適中、且能方便地與本站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)接口。結(jié)合本站自動(dòng)化水平的要求，本監(jiān)控系統(tǒng)采用微機(jī)型繼電保護(hù)裝置，由線路保護(hù)、母差保護(hù)、故障錄波、主變壓器保護(hù)等構(gòu)成。配置示意圖如下圖2所示。

110kV線路保護(hù)采用四方公司CSC-163AZ1微機(jī)光纖縱差保護(hù)測(cè)控裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)高壓線路的保護(hù)和測(cè)控功能，以微機(jī)光纖縱差保護(hù)為主保護(hù)，以三段式相間距離、三段式接地距離及四段式零序方向電流保護(hù)為后備保護(hù)，獨(dú)立組屏安裝。

110kV母線及35kV母線采用南瑞繼保公司RCS-915AB母差保護(hù)，用于單母線接線，含斷路器失靈及失靈啟動(dòng)功能。

主變壓器保護(hù)由南瑞繼保公司RCS-9671CS-2TP型微機(jī)變壓器主保護(hù)、RCS-9661CS-2TP型微機(jī)變壓器非電量保護(hù)、RCS-9681CS-2TP型微機(jī)變壓器高低壓測(cè)后備保護(hù)裝置構(gòu)成，采用“啟動(dòng)+出口”方式。保護(hù)出口采用跳閘矩陣方式，可靈活整定。差動(dòng)保護(hù)是對(duì)變壓器繞組和引出線上發(fā)生故障時(shí)，其保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，跳開各側(cè)電源斷路器；瓦斯保護(hù)反應(yīng)于油箱內(nèi)部所產(chǎn)生的氣體或油流而動(dòng)作，其中輕瓦斯動(dòng)作于信號(hào)，重瓦斯動(dòng)作于跳開變壓器各側(cè)電源斷路器?？蓪?shí)現(xiàn)15路非電量保護(hù)，其中8路非電量保護(hù)可以通過CPU延時(shí)發(fā)信號(hào)或跳閘。

35kV線路及10kV線路保護(hù)采用RCS-9611CS系列微機(jī)線路保護(hù)測(cè)控裝置，該微機(jī)線路保護(hù)測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)中低壓線路的保護(hù)和測(cè)控功能，配置三段電流電壓方向保護(hù)。保護(hù)測(cè)控裝置在開關(guān)柜就地安裝。

3.4 環(huán)境監(jiān)測(cè)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量密度低、隨機(jī)性強(qiáng)，所以構(gòu)成的分布式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有明顯的區(qū)別。光伏發(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境因素影響較大，通過分析不同環(huán)境參數(shù)及電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的影響，不僅可以對(duì)電站性能進(jìn)行評(píng)估，還對(duì)研究光伏電站運(yùn)行特性，進(jìn)行光伏電站優(yōu)化設(shè)計(jì)，起著重要的作用。環(huán)境監(jiān)測(cè)器主要監(jiān)控系統(tǒng)工作環(huán)境，包括組件溫度、環(huán)境溫度、太陽輻照度、風(fēng)速、風(fēng)向等，環(huán)境監(jiān)測(cè)器總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。本站應(yīng)用Pcs9700系列光伏預(yù)測(cè)系統(tǒng)化，并采用MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)庫(kù)支撐平臺(tái)，存儲(chǔ)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、歷史氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史電氣量數(shù)據(jù)、歷史功率數(shù)據(jù)、短期超短期功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)要對(duì)上述實(shí)時(shí)氣象、發(fā)電量數(shù)據(jù)的采集、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的接入、以及未來光伏電站發(fā)電量的預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，并將上述分析結(jié)果提供給計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合環(huán)境參數(shù)對(duì)電站的發(fā)電量進(jìn)行測(cè)算，并通過實(shí)際發(fā)電量對(duì)整個(gè)電站的綜合轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行計(jì)算，為電網(wǎng)調(diào)度方合理安排發(fā)電計(jì)劃提供參考。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件管理整個(gè)系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、被測(cè)量的實(shí)時(shí)顯示、系統(tǒng)診斷、參數(shù)計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能，應(yīng)與系統(tǒng)的硬件資源相適應(yīng)。除系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件外，還應(yīng)配置在線故障診斷軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)考慮具有在線修改運(yùn)行參數(shù)、在線修改屏幕顯示畫面等功能。

黑河50MWp光伏發(fā)電工程監(jiān)控系統(tǒng)軟件基于WindowsNT4.0以上系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮姆椒ê湍K化及向上兼容的設(shè)計(jì)原則。嚴(yán)格滿足可靠性和實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)在系統(tǒng)的組態(tài)靈活性、擴(kuò)展性、可用性、維護(hù)性以及操作性等方面有了新的突破。該監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式的工作平臺(tái)，為多窗口多任務(wù)系統(tǒng)，人機(jī)交互界面友好，畫面美觀簡(jiǎn)潔。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

該軟件功能包括：（1）具有基本的應(yīng)用功能，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠運(yùn)行必需的服務(wù)功能；（2）管理命令功能，登錄時(shí)需要用戶名和密碼，登錄系統(tǒng)后直接進(jìn)入系統(tǒng)主控界面；為保證控制安全，系統(tǒng)根據(jù)權(quán)限不同開放不同界面，最高權(quán)限，系統(tǒng)完全開放；（3）報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，能夠產(chǎn)生與發(fā)布報(bào)警(包括電話語音報(bào)警)，并將數(shù)據(jù)記錄和匯總，報(bào)警等級(jí)可以根據(jù)需要進(jìn)行修改；（4）操作員監(jiān)控功能，操作員可以設(shè)標(biāo)志操作，通過人工設(shè)置確定操作權(quán)限及報(bào)警狀態(tài)，也可以改變報(bào)警限值，同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行人工控制及設(shè)點(diǎn)控制；（5）打印功能，各種報(bào)警報(bào)表打印、操作記錄打印、畫面和屏幕拷貝打印等功能；（6）數(shù)據(jù)顯示功能，能夠顯示模擬量趨勢(shì)曲線報(bào)告接口，同時(shí)具有歷史數(shù)據(jù)編輯及歷史數(shù)據(jù)處理功能；（7）系統(tǒng)管理功能，主要是系統(tǒng)配置、計(jì)算機(jī)時(shí)鐘、應(yīng)用軟件監(jiān)視管理、報(bào)表編輯、遠(yuǎn)方調(diào)度等，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)庫(kù)編輯及更新、設(shè)點(diǎn)控制、單臺(tái)設(shè)備控制、SOE時(shí)鐘校正、遠(yuǎn)方調(diào)度中心調(diào)度等功能。

5 結(jié)論

黑河50MWp光伏發(fā)電工程已于2012年12月20日并網(wǎng)試運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備硬件和軟件應(yīng)用功能以及運(yùn)行效果都達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。不但實(shí)現(xiàn)了光伏電站自動(dòng)發(fā)電、預(yù)測(cè)發(fā)電量并網(wǎng)等的基本功能，而且為電站的穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供了可靠的分析依據(jù)。使運(yùn)行人員能夠及時(shí)了解電站的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障征兆，防止故障的惡化。該監(jiān)控系統(tǒng)提高了整個(gè)電站的運(yùn)行效率和管理水平，取得了好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。陜西水利

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