國電南瑞科技股份有限公司 ■ 周超 吳家祺

0 引言

光伏電站由光伏組件、匯流箱、支架、逆變器、氣象站、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、變壓器、配電裝置和升壓站(可選)組成，目前普遍采用基于光纖環(huán)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)對光伏電站進(jìn)行監(jiān)控[1]。在一些對可靠性有嚴(yán)格要求的項目中，常采用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)或采用“PRP+HSR”通信結(jié)構(gòu)體系[2-4]，但采用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)時，由于通道和路徑鄰近，常同時發(fā)生故障；而由于光伏電站接入點的電壓等級通常在220 kV以下，對于完全采用“PRP+HSR”網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)“N-1”冗余容錯能力及零時間間隔通信網(wǎng)絡(luò)切換并無必要[5]?；诖耍疚奶岢隽艘环N新的方案，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)和光纖環(huán)網(wǎng)的光伏電站集成監(jiān)控系統(tǒng)，與之前的方案相比具有更高的性價比。

1 光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的組成和典型功能要求

光伏電站總體上由3部分構(gòu)成：1)由光伏組件、支架、匯流箱、DC電纜、逆變器等部分構(gòu)成的低壓(LV)部分，電壓水平在DC1500 V以下。2)由升壓變、12/20 kV開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜、站用變、AC電纜等構(gòu)成的中壓(MV)部分，電壓水平在AC20 kV以下。3)為可選部分，由隔離開關(guān)、斷路器、電力變壓器、地下電纜或輸電線等構(gòu)成的高壓(HV)部分，電壓水平在110 kV以下。相應(yīng)的，光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)則由這3部分的自動化設(shè)備，以及氣象站、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

對于20 MW以上的光伏電站項目，其監(jiān)控系統(tǒng)典型功能要求包括：

1)數(shù)據(jù)采集、控制、人機接口、報警信號生成、事件記錄、系統(tǒng)效率PR值測量[6]、報表管理。

2)提供數(shù)據(jù)庫備份機制，能在線訪問數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行發(fā)電效率的計算，提供日報、周報、月報、季報、半年報和年報。

3)作為逆變器和功率控制器的接口，能夠管理、控制和優(yōu)化光伏場區(qū)的性能。

4)測量、數(shù)據(jù)交換和分析符合GB/T 20513-2006 標(biāo)準(zhǔn)[7]。

5)系統(tǒng)文檔、運行測試和檢驗符合GB/T 50796-2012 標(biāo)準(zhǔn)[8]。

6)數(shù)據(jù)和信息安全符合IEC 27002-2006標(biāo)準(zhǔn)。

7)監(jiān)控系統(tǒng)放置在控制室的光伏電站數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)中心，能夠遠(yuǎn)程訪問和操作逆變站監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站保護(hù)、遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)(RTU)、氣象站和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

8)關(guān)鍵節(jié)點采用冗余設(shè)計，保證系統(tǒng)的高可靠性和可用性；符合技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求[9]。

9)系統(tǒng)維護(hù)性要求低，有完善的自檢及自測失敗告警功能。

10)系統(tǒng)配置UPS系統(tǒng)，當(dāng)遭遇市電停電時，能提供3 h系統(tǒng)用電需求。

11)提供數(shù)據(jù)查詢功能，最小時間間隔為5 min，最大時間間隔為1年。事故發(fā)生或越限時，在1 s內(nèi)產(chǎn)生報警信號。支持短信和Email方式告警。

12)逆變器的投入和退出、逆變器無功輸出、開關(guān)設(shè)備的投入和退出等控制操作，都具有遠(yuǎn)程和當(dāng)?shù)貎煞N操作方式。

13)系統(tǒng)能控制并網(wǎng)接入點的電壓和功率系數(shù)[10]。

14)系統(tǒng)能產(chǎn)生和提供發(fā)電預(yù)測數(shù)據(jù)給運行人員和調(diào)度。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)和光纖環(huán)網(wǎng)的光伏電站集成監(jiān)控系統(tǒng)

從電站監(jiān)控系統(tǒng)功能來看，需要保證電站的發(fā)電量和發(fā)電效率，以及進(jìn)行較準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測功能，還需要提供在線和歷史數(shù)據(jù)的訪問及存儲[11]，這些都要求監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的可靠性。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡述[12-13]

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與嵌入式技術(shù)的綜合，它利用嵌入式技術(shù)中傳感技術(shù)對物理世界進(jìn)行感知識別，并利用智能控制技術(shù)對物理世界進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)實的物理世界連接起來，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)與控制信息的遠(yuǎn)程傳輸。通過網(wǎng)絡(luò)互連，實現(xiàn)了人與物之間的信息交互和連接，達(dá)到了人對物的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測控制的目的。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳感器與智能終端之間、智能終端與交換機之間可以通過無線方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計構(gòu)架中，有3層模型結(jié)構(gòu)，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，感知層通過各種傳感設(shè)備，如溫度傳感、濕度傳感、電流檢測、電壓檢測等感知器件獲取現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)；網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的精髓所在，通過各種遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)將感知層采集的各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行大范圍的連接傳輸；應(yīng)用層則完成采集數(shù)據(jù)的存儲、分析、處理，針對實際應(yīng)用為用戶提供個性化服務(wù)。

在變電站在線監(jiān)測及變電站智能輔助系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了大量成功的應(yīng)用。

2.2 光伏電站集成監(jiān)控系統(tǒng)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)和光纖環(huán)網(wǎng)的光伏電站集成監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念圖如圖1所示。

由圖1可知，光伏電站集成監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為3層：站控層、間隔層、過程層。

1)站控層采用雙星型總線形式，包括監(jiān)控主機、服務(wù)器、交換機、一體化信息平臺、工程師工作站、遠(yuǎn)動工作站、防火墻、路由器等；可以完成發(fā)電量的計算、發(fā)電效率的計算、數(shù)據(jù)采集和處理、發(fā)電控制，以及負(fù)荷預(yù)測，實現(xiàn)與調(diào)度、升壓站SCADA的通信，遠(yuǎn)方命令的接收、執(zhí)行和數(shù)據(jù)上送，以及與間隔層的通信、報表處理等。

2)間隔層采用光纖環(huán)網(wǎng)加星型結(jié)構(gòu)，其中星型結(jié)構(gòu)以光纖環(huán)網(wǎng)交換機為核心。主要包括逆變站單元、組件單元、氣象站單元、CCTV單元、升壓變壓器，以及線路的保護(hù)和測控單元、計量單元。逆變站單元數(shù)據(jù)中集成了組件單元和氣象站單元的數(shù)據(jù)，在這種情況下，只需保留逆變站單元即可。CCTV單元根據(jù)工程的性能要求，也可以直接和站控層總線連接。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)和光纖環(huán)網(wǎng)的光伏電站集成監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念圖

3)過程層采用485總線或profibus 總線形式，包括光照傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速/風(fēng)向傳感器、操作箱(或開關(guān)的執(zhí)行機構(gòu))、攝像頭等。

與常規(guī)的基于光纖環(huán)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，本系統(tǒng)是一冗余型結(jié)構(gòu)，站控層的數(shù)據(jù)可以從有線通道光纖來，也可以從無線通道來，增加了可靠性。CCTV的攝像圖與主機、氣象站的傳感器和終端間，以及組件傳感器和終端間，可考慮采用無線連接方式，無線通道既可租用GPRS等4G公用通道，也可在光伏電站范圍內(nèi)自建無線局域網(wǎng)。與光纖或網(wǎng)線等有線連接相比，這種方式的施工與運維更為方便[14]。

考慮到經(jīng)濟性，不是所有的節(jié)點要求同時支持有線與無線通道，可依據(jù)其重要性及工程的性能要求選擇設(shè)置[15-16]。

圖1僅為集成監(jiān)控系統(tǒng)的概念圖，在實際應(yīng)用中，可根據(jù)可靠性、性能要求及經(jīng)濟性要求進(jìn)行裁剪及合理的變化。

2.3 光伏電站在線監(jiān)測系統(tǒng)[12,17-19]

在光伏電站設(shè)計的國家標(biāo)準(zhǔn)及國際光伏電站總包項目中，對以運維為目的的在線監(jiān)測系統(tǒng)無明確要求。但是，借鑒智能變電站和輸電線路在線監(jiān)測的經(jīng)驗，在本監(jiān)控系統(tǒng)中集成在線監(jiān)測系統(tǒng)是完全可行的。

隨著視頻識別技術(shù)的發(fā)展，CCTV的圖像定時發(fā)給監(jiān)控后臺，在線監(jiān)測軟件采用人工智能算法分析圖像，可及時檢測出各種設(shè)備故障、危險源及安全隱患。常見的設(shè)備故障類型包括：短路、支架垂直度偏差超范圍、局放超標(biāo)、組件表面灰塵度超標(biāo)、開關(guān)柜溫度越限。由于在線監(jiān)測系統(tǒng)的實時性要求比集成監(jiān)控系統(tǒng)低，可以考慮共用無線基站和通道，并根據(jù)工程需求配置適量的攝像頭、垂直度傳感器、局放傳感器、溫度傳感器等。通過人工智能算法分析[20]還可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的亞健康狀態(tài)，以及開發(fā)防盜功能。光伏電站在線監(jiān)測系統(tǒng)概念圖如圖2所示。

圖2 光伏電站在線監(jiān)測系統(tǒng)概念圖

3 結(jié)論

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)和光纖環(huán)網(wǎng)的光伏電站集成監(jiān)控系統(tǒng)方案包括光纖有線和無線兩種通道，較單光纖環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)具有更高的可靠性和性能，較雙光纖環(huán)網(wǎng)和“PRP+HSR”方案具有施工方便和經(jīng)濟性更好的優(yōu)勢。在本集成監(jiān)控系統(tǒng)方案的軟硬件平臺上易于集成在線監(jiān)測系統(tǒng)，對提高光伏電站的可用性和效率具有積極意義。視頻識別技術(shù)和人工智能算法的應(yīng)用和提升可使光伏電站的性能、效率及安全性得到進(jìn)一步提高。

本集成監(jiān)控系統(tǒng)方案已部分應(yīng)用于一些國外的工程中，效果良好。在澳大利亞電力市場運行管理部門制定的光伏電站的技術(shù)規(guī)范中，明確提出通信信道要有主、備兩種，主信道用光纖，備用信道采用4G無線通信[14]。