楊 杰

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

分布式光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用*

楊 杰

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

以山西某生物發(fā)電有限公司1.52MW分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種分布式光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有設(shè)備數(shù)據(jù)實時采集與顯示、設(shè)備遠方調(diào)度、設(shè)備故障信息檢測、功率預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度等功能。經(jīng)現(xiàn)場安裝調(diào)試，系統(tǒng)達到相關(guān)標準和技術(shù)要求，運行情況良好。

光伏電站； 遠程監(jiān)控； 設(shè)計； 應(yīng)用

當前，全球不可再生能源形勢緊張，氣候變暖，各國都在積極尋求新能源代替不可再生能源[1]。我國太陽能資源豐富，太陽能作為新能源的代表，具有較好的市場前景[2]。光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)化為電能，是一種零污染、零排放發(fā)電形式[1-4]。隨著光伏技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的光伏發(fā)電站投入運行[5-7]。由于光伏電站大多運行在無人值守，且并網(wǎng)發(fā)電控制復雜的環(huán)境中，因此實現(xiàn)對光伏電站遠程監(jiān)控意義重大[8-9]。筆者以山西某生物發(fā)電有限公司峰值功率1.52MW分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)為背景，論述了光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思想和應(yīng)用實例。

1 系統(tǒng)功能

遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過采集設(shè)備的開關(guān)量、電氣量、保護信息及報警信息并進行進一步處理，保證光伏發(fā)電站安全穩(wěn)定運行，具體有以下功能。

(1) 設(shè)備數(shù)據(jù)的實時采集與處理。實時采集光伏陣列信息、氣象站環(huán)境參數(shù)、逆變器輸出信息、電池能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)和電池信息等數(shù)據(jù)，傳輸至遠程監(jiān)控系統(tǒng)，并依據(jù)要求對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，存儲于實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫供遠程監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)用。

(2) 監(jiān)控數(shù)據(jù)的顯示。主要包括實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的顯示。監(jiān)控界面根據(jù)需要調(diào)用實時數(shù)據(jù)庫，更新界面數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)可依據(jù)用戶需求顯示模擬量動態(tài)曲線。此外，遠程監(jiān)控系統(tǒng)還可調(diào)用歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線供用戶查看。

(3) 設(shè)備報警信息及故障的檢測。實時檢測光伏發(fā)電站運行狀態(tài)，在設(shè)備出現(xiàn)故障時遠程監(jiān)控應(yīng)立即發(fā)出報警信息，并顯示故障的時間和故障原因，依據(jù)故障的嚴重程度發(fā)出不同的報警信息，通知操作員進行故障處理。用戶可查詢不同時間段的報警信息。

(4) 設(shè)備的遠方調(diào)度。依據(jù)電站運行性能要求，操作員可在遠程監(jiān)控系統(tǒng)對設(shè)備進行遙調(diào)、遙控操作，從而控制設(shè)備的運行狀態(tài)，以保證系統(tǒng)安全可靠地運行。

(5) 打印功能。用戶可依據(jù)自身需求對監(jiān)控日志、報警記錄、報表、歷史數(shù)據(jù)等進行打印，以方便查看。

(6) 功率預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度[10]。用戶依據(jù)當天的光照強度及前 25d 的光伏電站發(fā)電功率預(yù)測當天的發(fā)電功率。此外，依據(jù)光伏電站當天的發(fā)電功率及電池管理系統(tǒng)電池電量，控制電池的充發(fā)電狀態(tài)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

分布式光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括設(shè)備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計三個部分。系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、管理等功能，以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。設(shè)備數(shù)據(jù)采集部分主要通過通信管理機采集設(shè)備各項運行參數(shù)和狀態(tài)量，如光伏陣列信息、環(huán)境參數(shù)、逆變器參數(shù)、儲能電池參數(shù)等。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的功能是通信管理機將采集的設(shè)備運行參數(shù)遵照電力104規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控軟件實現(xiàn)的。監(jiān)控軟件接收到數(shù)據(jù)后以圖形或數(shù)值的方式直觀展現(xiàn)，以便用戶查看各個設(shè)備的運行狀態(tài)，同時可對設(shè)備進行控制。當光伏發(fā)電系統(tǒng)檢測到異常時主動向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送異常信號，以便用戶及時處理。用戶可方便查看歷史數(shù)據(jù)、異常記錄，并可預(yù)測當天的光伏電站發(fā)電功率。

圖1 分布式光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)通信

系統(tǒng)通信連接如圖2所示，主要包括通信管理機與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信和通信管理機與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信。系統(tǒng)通信流程為：通信管理機通過Modbus協(xié)議采集各設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，并通過104規(guī)約將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理、顯示和存儲。

3.1 Modbus通信

Modbus通信方式為問答式[11]。圖2中光伏逆變器、氣象站、智能斷路器均采用菊花鏈模式連接，即將設(shè)備的RS485通信線首尾相連。斷路器與PCS的RS485通信線直接與通信管理機串行通信接口相連，其通信協(xié)議為Modbus-RTU。因為光伏逆變器的數(shù)量多且單個逆變器數(shù)據(jù)量比較大，所以配備數(shù)據(jù)采集器可對多個逆變器并行處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器與通信管理機的物理連接是網(wǎng)線，其通信協(xié)議為Modbus-TCP。本系統(tǒng)中通信管理機只提供兩個網(wǎng)口，其中一個網(wǎng)口供監(jiān)控系統(tǒng)使用，另一個網(wǎng)口不能同時連接兩臺數(shù)據(jù)采集器，因此采用網(wǎng)絡(luò)交換機進行連接。

圖2 系統(tǒng)通信連接

3.2 電力104規(guī)約通信

通信管理機與監(jiān)控系統(tǒng)連接方式為網(wǎng)線，通信協(xié)議為104規(guī)約，其中通信管理機作為服務(wù)端，監(jiān)控系統(tǒng)作為客戶端?？蛻舳嗣?15min 向服務(wù)端發(fā)送總召喚，每 10min 發(fā)送一次對時，每 5min 發(fā)送一次電能召喚。當遙測、遙信發(fā)生突變時，服務(wù)端主動將數(shù)據(jù)推送至客戶端，由監(jiān)控軟件對數(shù)據(jù)進行處理、顯示和存儲。同時，客戶端可下發(fā)指令至服務(wù)端，由服務(wù)端對設(shè)備進行操作。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要用于對系統(tǒng)進行監(jiān)測、運行控制和分析管理，將采集的設(shè)備數(shù)據(jù)以圖表、數(shù)值的形式進行顯示。當設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)軟件將故障詳細信息推送到界面，并發(fā)出報警，通知操作員進行相應(yīng)處理。為了保證系統(tǒng)安全可靠運行，操作員可通過系統(tǒng)軟件對設(shè)備進行遠方調(diào)度以保證電站的運行性能。通過系統(tǒng)軟件的歷史數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)可對光伏電站的發(fā)電功率進行相關(guān)預(yù)測，從而有助于能量調(diào)度。

4.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)軟件采用三層結(jié)構(gòu)即視圖展現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層。其中數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)存儲層。

(1) 視圖展現(xiàn)層的功能是用于響應(yīng)用戶控制要求，將所需監(jiān)控的數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)以圖表曲線形式表示給用戶，以方便用戶對設(shè)備的運行狀態(tài)做出決策。

(2) 業(yè)務(wù)邏輯層主要負責整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行、數(shù)據(jù)交互，包括兩個線程：數(shù)據(jù)采集線程和控制命令線程。數(shù)據(jù)采集線程將通信管理機轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進行解析顯示，控制命令線程將用戶操作的命令轉(zhuǎn)換為104規(guī)約報文下發(fā)，用于對設(shè)備的操作和故障進行處理。

(3) 數(shù)據(jù)層主要負責與數(shù)據(jù)庫交互，將采集的設(shè)備數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，同時將最終數(shù)據(jù)結(jié)果反饋至業(yè)務(wù)邏輯層，并為視圖展現(xiàn)層提供歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)，以及用戶設(shè)置和系統(tǒng)配置的記錄等。

4.2 系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)軟件功能如圖4所示，主要包括實時數(shù)據(jù)監(jiān)視、故障報警、報表管理、設(shè)備控制、能量管理、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)配置等。

(1) 實時數(shù)據(jù)監(jiān)視包括設(shè)備監(jiān)視和曲線監(jiān)視。用戶可查看設(shè)備的運行狀態(tài)及運行參數(shù)，同時用戶可依據(jù)監(jiān)控界面的數(shù)值和曲線判斷設(shè)備是否運行正常。

(2) 故障報警主要包括實時故障報警和歷史記錄報警。當設(shè)備出現(xiàn)運行故障時，其故障狀態(tài)可在監(jiān)控界面上直觀展示，同時向操作員發(fā)出報警聲響，以便操作員及時處理。為方便操作員查看設(shè)備原先發(fā)生的故障狀態(tài)，系統(tǒng)提供歷史故障記錄存儲功能。

(3) 報表管理主要包括報表查看和報表打印功能。用戶可通過報表管理功能查看歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、故障記錄等。根據(jù)需要，用戶還可對報表進行打印。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖4 系統(tǒng)軟件功能

(4) 設(shè)備控制主要包括開關(guān)量控制和模擬量控制，即遙調(diào)和遙控功能。用戶可根據(jù)設(shè)備的運行狀態(tài)對設(shè)備進行參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)控制。

(5) 能量管理主要包括能量預(yù)測和實時控制。系統(tǒng)可依據(jù)當天的光照強度及前25天光伏電站的發(fā)電功率對發(fā)電功率進行預(yù)測，并描繪出預(yù)測曲線。同時，系統(tǒng)依據(jù)當天光伏電站的發(fā)電功率及儲能電池電量值對電池狀態(tài)進行控制。

(6) 數(shù)據(jù)存儲主要包括實時數(shù)據(jù)的存儲和歷史數(shù)據(jù)的存儲。實時數(shù)據(jù)指從設(shè)備采集的即時數(shù)據(jù)，可用于判斷當前設(shè)備的運行狀態(tài)。歷史數(shù)據(jù)指設(shè)備前5min 的運行狀態(tài)，用戶可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)判斷前一時刻設(shè)備的運行狀態(tài)。

(7) 參數(shù)配置主要包括通信參數(shù)的配置和越限參數(shù)的配置。為方便數(shù)據(jù)傳輸，所采集的設(shè)備數(shù)據(jù)將乘以一定的倍率，因此系統(tǒng)得到真實數(shù)據(jù)時需除以一定的倍率。用戶可根據(jù)通信協(xié)議對通信參數(shù)進行配置，以確保獲取真實值。越限參數(shù)的配置是指用戶需設(shè)定設(shè)備的運行閾值，當設(shè)備運行參數(shù)超過或小于該閾值時，系統(tǒng)將向操作員發(fā)出報警，以保證設(shè)備安全穩(wěn)定地運行。

5 結(jié)論

山西某生物發(fā)電有限公司1.52MW分布式光伏發(fā)電工程已于2015年12月7日并網(wǎng)運行，遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定。系統(tǒng)監(jiān)控界面數(shù)據(jù)刷新短于1s，界面調(diào)用響應(yīng)時間短于 1s，控制命令響應(yīng)時間短于1s，能量預(yù)測誤差小于5%，系統(tǒng)的運行功能都達到相關(guān)標準和技術(shù)要求。

這一系統(tǒng)為光伏電站的穩(wěn)定、安全運行提供了可靠的保障，用戶能夠及時監(jiān)控光伏電站的運行狀態(tài)。當設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)及時通知用戶并對故障進行處理。這一系統(tǒng)提高了光伏電站的運行效率和管理水平，節(jié)省了人力、物力、財力，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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The remote monitoring system for distributed PV power station was designed on the basis of the 1.52MW distributed PV power generation and parallel network system built by a biomass power generation company in Shanxi. The system has main functions such as real-time data acquisition and display device, remote monitoring device, equipment failure information and detection, power prediction and optimizing regulation. After field installation and commissioning, the system could meet the relevant standards and technical requirements and service in good condition.

PV Power Station； Remote Monitoring； Design; Application

*上海市科學技術(shù)委員會基金項目(編號：14DZ1203400)

2016年4月

楊杰(1986— )，男，碩士，助理工程師，主要從事分布式能源遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究工作， E-mail：yangjie4@shanghai-electric.com

TM615

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1674-540X(2016)04-005-05