淺談智能化分布式光伏運維監控係統的設計與實現

簡婷

开云体育手机下载教程 上海嘉定  201801

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

   關(guan) 鍵詞：光伏電站；智能監控係統；分布式光伏運維；實時在線

0、引言

   隨著世界能源產(chan) 業(ye) 結構的調整和人類對環境問題的重視，太陽能憑借資源豐(feng) 富、布局靈活的優(you) 勢，成為(wei) 當今新能源發展的主流，當前越來越多的光伏電站投入運營。光伏電站的可靠運行，需要匯流箱、逆變器等設備在狀態下運行，對光伏設備的狀態監測十分重要。目前，光伏電站主要采用人工定期檢查、網絡化監控的方式對設備進行監測。由於(yu) 人力資源有限及傳(chuan) 統光伏監測係統智能化不足，這兩(liang) 種方式都存在光伏陣列監測不足、遇到故障時無法快速定位的問題。

   在此背景下，本文對某企業(ye) 屋頂光伏電站的監測係統進行了智能化設計。該監控係統為(wei) 光伏電站匯流箱、逆變器等設備配備通信模塊，利用RS485總線與(yu) 各通信模塊相連，將運行數據傳(chuan) 輸至上位機，並利用組態軟件在上位機建立監控界麵，對運行數據進行分析，實現光伏電站運行狀態實時動態監測，設備故障時上位機通過監控界麵發出報警信號，提高了光伏電站的安全性。

1、光伏電站布局

   企業(ye) 廠區4個(ge) 屋頂被分成A、B、C、D四個(ge) 光伏發電區域，采用集中式和分布式相結合的方式發電。C區廠房麵積較大且自用電較少，故對C區廠房采用集中式結構，根據工廠屋頂麵積配置與(yu) 之相對應的光伏麵板，並以20路為(wei) 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(wei) 交流後直接並入電網，後再將四個(ge) 區域通過交流電纜將電流輸送至並網櫃。

2、智能監控係統設計方案

   為(wei) 了能夠在光伏設備發生故障時快速定位故障點，在硬件上選用智能型的匯流箱、逆變器；使用組態軟件構建一個(ge) 界麵，將每個(ge) 智能元器件在界麵上顯示出來，通過RS485總線將數據匯總到機櫃串口後，通過光纖與(yu) 上位機進行連接從(cong) 而實現監視功能。該係統實現數據采集和狀態監控的同時，可進行簡單、直觀的人機交互。其中，數據采集、狀態監控和簡單的數據分析由各種智能元器件來實現，人機交互通過組態軟件實現；在組態軟件中建立監控界麵，將實時數據導入其中進行分析處理，兩(liang) 者之間的連接通過建立在C區的串口機櫃實現，數據傳(chuan) 輸示意圖如圖1所示。

   設備故障時報警設計方案如下：在監測係統中設有報警裝置，當光伏麵板發電量低於(yu) 正常值便會(hui) 發出報警信號。晴天時，軟件係統及時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，采用一台通過GPS校時的上位機電腦，查詢當地曆史平均每個(ge) 月或者每10天，日出、日落的時間。超出日出、日落範圍的時間認為(wei) 是晚上，不響應故障告警；在該範圍內(nei) 的時間認為(wei) 是晴天，響應所有故障告警。此外，由於(yu) 軟件算法很難計算陰雨、多雲(yun) 、低光照強度的天氣，因此，該工作由值班人員完成。軟件提供功能開關(guan) ，值班人員可以在陰雨天氣，關(guan) 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(ge) 光伏麵板的輸出電流，當任意一個(ge) 回路發生電流故障，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信號，了解該斷路器的位置，在發生跳閘後需要及時送出信號。因此，直流匯流箱選用常熟開關(guan) 製造有限公司生產(chan) 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製功能，並且發生故障時，能夠及時輸出報警信號。因此選用兩(liang) 種型號的逆變器，一種為(wei) CS1並網型光伏逆變器。該型號逆變器具有較多的通信接口和遠程控製功能，且輸入電壓範圍寬，使其適用於(yu) 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於(yu) 模塊化的設計，能夠減少電池組件較佳工作點不匹配逆變器的情況，大幅增加發電量。

4、軟件開發

   利用Riyear-PowerNet係統設計該光伏電站的工業(ye) 現場信息。采集到的元器件數據RiyearPowerNet係統進行儲(chu) 存，建立曆史及實時數據庫，在係統發生故障時，利用存儲(chu) 的數據對故障進行分析定位。

4.1軟件結構

   智能硬件係統通過Modbus驅動程序與(yu) 上位機相連接，人機界麵就可以顯示設備數據的記錄、數據報警等，係統軟件結構如圖2所示。

4.2軟件設計與(yu) 實現

   首先，添加組態，選用常熟開關(guan) 設備製造有限公司的兩(liang) 種I/O組態；其次，為(wei) 了能夠讀取數據，需要定義(yi) 好數據庫；其三，定義(yi) 中間變量。在定義(yi) 數據庫變量之前，需要先確定設備類型和設備模塊，數據由Modbus標準命令采集，存儲(chu) 在各種寄存器中，便於(yu) 軟件讀取數據。在設備配置中根據相關(guan) 要求設置設備地址、串口編號以及相關(guan) 通信參數。數據庫變量的作用域包括整個(ge) 應用程序。定義(yi) 數據庫即定義(yi) 地址，將變量與(yu) 對應的設備連接起來。此時，在進行連接時就可以依靠事先設定好的地址，準確地找到想要的數據。

   當設備發生故障，經過軟件判斷需要給予響應時，及時切換至該設備的故障界麵，同時播放報警聲音。逆變器發生故障時，係統主界麵顯示區域閃爍，使值班人員能夠快速定位故障發生區域，係統故障報警顯示如圖3所示。

4.3軟件運行流程

   首先啟動軟件，加載完成軟件基本環境後，TCP/IP進行網絡連通，連接完成後初始化各個(ge) 串口，根據地址向硬件設備發送數據。如果發送失敗，則再連續嚐試發送三次，如果仍然未能發送成功，則判斷該台設備離線；如果成功，在智能設備接收數據信息後，將自身數據回饋至上位機，軟件接收數據後存入實時數據庫，並在人機界麵讀取數據。將各個(ge) 串口互相連接通信並將曆史數據加載讀取。如果智能設備出現故障，將向係統發送故障數據，係統根據定義(yi) 好的算法判斷設備的故障類型，在界麵上顯示報警區域，在故障解除之後軟件係統回到正常狀態。流程圖如圖4所示。

5、安科瑞分布式光伏運維雲(yun) 平台介紹

5.1概述

          AcrelCloud-1200分布式光伏運維雲(yun) 平台通過監測光伏站點的逆變器設備，氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括：站點監測，逆變器監測，發電統計，逆變器一次圖，操作日誌，告警信息，環境監測，設備檔案，運維管理，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平台，及時掌握光伏發電效率和發電收益。

5.2應用場所

   目前我國的兩(liang) 種分布式應用場景分別是：廣大農(nong) 村屋頂的戶用光伏和工商業(ye) 企業(ye) 屋頂光伏，這兩(liang) 類分布式光伏電站今年都發展迅速。

5.3係統結構

   在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀(yi) 表，通過網關(guan) 將采集的數據上傳(chuan) 至服務器，並將數據進行集中存儲(chu) 管理。用戶可以通過PC訪問平台，及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平台整體(ti) 結構如圖所示。

5.4係統功能

          AcrelCloud-1200分布式光伏運維雲(yun) 平台軟件采用B/S架構，任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據權限範圍監視分布在區域內(nei) 各建築的光伏電站的運行狀態（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態、發電功率曲線、是否並網、當前發電量、總發電量等信息）。

5.4.1光伏發電

5.4.1.1綜合看板

●顯示所有光伏電站的數量，裝機容量，實時發電功率。

●累計日、月、年發電量及發電收益。

●累計社會(hui) 效益。

●柱狀圖展示月發電量

5.4.1.2電站狀態

●電站狀態展示當前光伏電站發電功率，補貼電價(jia) ，峰值功率等基本參數。

●統計當前光伏電站的日、月、年發電量及發電收益。

●攝像頭實時監測現場環境，並且接入輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●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

●逆變器基本參數顯示。

●日、月、年發電量及發電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環境輻照度曲線。

●直流側(ce) 電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數查詢。

5.4.1.4電站發電統計

●展示所選電站的時、日、月、年發電量統計報表。

5.4.1.5逆變器發電統計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發電量統計報表

5.4.1.6配電圖

●實時展示逆變器交、直流側(ce) 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、風速等環境參數。

●展示逆變器型號及廠商。

5.4.1.7逆變器曲線分析

●展示交、直流側(ce) 電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

5.4.2事件記錄

●操作日誌：用戶登錄情況查詢。

●短信日誌：查詢短信推送時間、內(nei) 容、發送結果、回複等。

●平台運行日誌：查看儀(yi) 表、網關(guan) 離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內(nei) 容，發生時間以及確認狀態。

5.4.3運行環境

●視頻監控：通過安裝在現場的視頻攝像頭，可以實時監視光伏站運行情況。對於(yu) 有硬件條件的攝像頭，還支持錄像回放以及雲(yun) 台控製功能。

5.5係統硬件配置

5.5.1交流220V並網

   交流220V並網的光伏發電係統多用於(yu) 居民屋頂光伏發電，裝機功率在8kW左右。

   部分小型光伏電站為(wei) 自發自用，餘(yu) 電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能。光伏電站規模較小，而且比較分散，對於(yu) 光伏電站的管理者來說，通過雲(yun) 平台來管理此類光伏電站非常有必要，安科瑞在這類光伏電站提供的解決(jue) 方案包括以下方麵：

5.5.2交流380V並網

   根據國家電網Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網技術規定》，8kW~400kW可380V並網，超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點380V並網，以當地電力部門的審批意見為(wei) 準。這類分布式光伏多為(wei) 工商業(ye) 企業(ye) 屋頂光伏，自發自用，餘(yu) 電上網。分布式光伏接入配電網前，應明確計量點，計量點設置除應考慮產(chan) 權分界點外，還應考慮分布式電源出口與(yu) 用戶自用電線路處。每個(ge) 計量點均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術要求符合DL/T448的相關(guan) 規定，以及相關(guan) 標準、規程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足國家電網公司關(guan) 於(yu) 智能電能表的相關(guan) 標準。用於(yu) 結算和考核的分布式電源計量裝置，應安裝采集設備，接入用電信息采集係統，實現用電信息的遠程自動采集。

   光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過匯流箱接入逆變器，然後接入企業(ye) 380V電網，實現自發自用，餘(yu) 電上網。在380V並網點前需要安裝計量電表用於(yu) 計量光伏發電量，同時在企業(ye) 電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表，用於(yu) 計量企業(ye) 上網電量，數據均應上傳(chuan) 供電部門用電信息采集係統，用於(yu) 光伏發電補貼和上網電量結算。

   部分光伏電站並網點需要監測並網點電能質量，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量監測裝置。部分光伏電站為(wei) 自發自用，餘(yu) 電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能，係統圖如下。

   這種並網模式單體(ti) 光伏電站規模適中，可通過雲(yun) 平台采用光伏發電數據和儲(chu) 能係統運行數據，安科瑞在這類光伏電站提供的解決(jue) 方案包括以下方麵：

5.5.310kV或35kV並網

   根據《國家能源局關(guan) 於(yu) 2019年風電、光伏發電項目建設有關(guan) 事項通知》（國發新能〔2019〕49號），對於(yu) 需要國家補貼的新建工商業(ye) 分布式光伏發電項目，需要滿足單點並網裝機容量小於(yu) 6兆瓦且為(wei) 非戶用的要求，支持在符合電網運行安全技術要求的前提下，通過內(nei) 部多點接入配電係統。

   此類分布式光伏裝機容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓後接入電網。由於(yu) 裝機容量較大，可能對公共電網造成比較大的幹擾，因此供電部門對於(yu) 此規模的分布式光伏電站穩控係統、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。

   光伏電站並網點需要監測並網點電能質量，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量監測裝置。

   上圖為(wei) 一個(ge) 1MW分布式光伏電站的示意圖，光伏陣列接入光伏匯流箱，經過直流櫃匯流後接入集中式逆變器(直流櫃根據情況可不設置)，後經過升壓變壓器升壓至10kV或35kV後並入中壓電網。由於(yu) 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

   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(yi) 。為(wei) 了便於(yu) 電站智能化、精細化管理，本文設計並開發了光伏電站智能監測係統。該係統對光伏電站的設備進行數據采集，然後利用RS485總線將數據傳(chuan) 輸至上位機；隨後，利用RiyearPowerNet軟件把電站的曆史和實時運行數據建成數據庫。基於(yu) 此，該軟件實現對電站的實時、在線監測。光伏設備發生故障時，監測係統通過對數據庫數據分析，可以快速、準確地定位故障位置。該監測係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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[3]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2022.05版

作者簡介：簡婷，女，本科，現就職於(yu) 开云体育手机下载教程，主要研究方向為(wei) 建築能耗監測係統。