楊 杰

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

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

楊 杰

上海電氣集團(tuán)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(jì)了一種分布式光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與顯示、設(shè)備遠(yuǎn)方調(diào)度、設(shè)備故障信息檢測(cè)、功率預(yù)測(cè)與優(yōu)化調(diào)度等功能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，系統(tǒng)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，運(yùn)行情況良好。

光伏電站； 遠(yuǎn)程監(jiān)控； 設(shè)計(jì)； 應(yīng)用

當(dāng)前，全球不可再生能源形勢(shì)緊張，氣候變暖，各國(guó)都在積極尋求新能源代替不可再生能源[1]。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，太陽(yáng)能作為新能源的代表，具有較好的市場(chǎng)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(yùn)行[5-7]。由于光伏電站大多運(yùn)行在無(wú)人值守，且并網(wǎng)發(fā)電控制復(fù)雜的環(huán)境中，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站遠(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和應(yīng)用實(shí)例。

1 系統(tǒng)功能

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過采集設(shè)備的開關(guān)量、電氣量、保護(hù)信息及報(bào)警信息并進(jìn)行進(jìn)一步處理，保證光伏發(fā)電站安全穩(wěn)定運(yùn)行，具體有以下功能。

(1) 設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理。實(shí)時(shí)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并依據(jù)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，存儲(chǔ)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)供遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)用。

(2) 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的顯示。主要包括實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，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(dòng)態(tài)曲線。此外，遠(yuǎn)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(bào)警信息及故障的檢測(cè)。實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏發(fā)電站運(yùn)行狀態(tài)，在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)立即發(fā)出報(bào)警信息，并顯示故障的時(shí)間和故障原因，依據(jù)故障的嚴(yán)重程度發(fā)出不同的報(bào)警信息，通知操作員進(jìn)行故障處理。用戶可查詢不同時(shí)間段的報(bào)警信息。

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

(5) 打印功能。用戶可依據(jù)自身需求對(duì)監(jiān)控日志、報(bào)警記錄、報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行打印，以方便查看。

(6) 功率預(yù)測(cè)與優(yōu)化調(diào)度[10]。用戶依據(jù)當(dāng)天的光照強(qiáng)度及前 25d 的光伏電站發(fā)電功率預(yù)測(cè)當(dāng)天的發(fā)電功率。此外，依據(jù)光伏電站當(dāng)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(jì)

分布式光伏電站遠(yuǎn)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(jì)三個(gè)部分。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行。設(shè)備數(shù)據(jù)采集部分主要通過通信管理機(jī)采集設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)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(chǔ)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(jī)將采集的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)遵照電力104規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控軟件實(shí)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(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)檢測(cè)到異常時(shí)主動(dòng)向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送異常信號(hào)，以便用戶及時(shí)處理。用戶可方便查看歷史數(shù)據(jù)、異常記錄，并可預(yù)測(cè)當(dāng)天的光伏電站發(fā)電功率。

圖1 分布式光伏電站遠(yuǎn)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(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信和通信管理機(jī)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(jī)通過Modbus協(xié)議采集各設(shè)備的實(shí)時(shí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。

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(jī)串行通信接口相連，其通信協(xié)議為Modbus-RTU。因?yàn)楣夥孀兤鞯臄?shù)量多且單個(gè)逆變器數(shù)據(jù)量比較大，所以配備數(shù)據(jù)采集器可對(duì)多個(gè)逆變器并行處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器與通信管理機(jī)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(jī)只提供兩個(gè)網(wǎng)口，其中一個(gè)網(wǎng)口供監(jiān)控系統(tǒng)使用，另一個(gè)網(wǎng)口不能同時(shí)連接兩臺(tái)數(shù)據(jù)采集器，因此采用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)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(jī)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(jī)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(duì)時(shí)，每 5min 發(fā)送一次電能召喚。當(dāng)遙測(cè)、遙信發(fā)生突變時(shí)，服務(wù)端主動(dòng)將數(shù)據(jù)推送至客戶端，由監(jiān)控軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。同時(shí)，客戶端可下發(fā)指令至服務(wù)端，由服務(wù)端對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、運(yùn)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(jìn)行顯示。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)軟件將故障詳細(xì)信息推送到界面，并發(fā)出報(bào)警，通知操作員進(jìn)行相應(yīng)處理。為了保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，操作員可通過系統(tǒng)軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方調(diào)度以保證電站的運(yùn)行性能。通過系統(tǒng)軟件的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)可對(duì)光伏電站的發(fā)電功率進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè)，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(chǔ)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(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)做出決策。

(2) 業(yè)務(wù)邏輯層主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行、數(shù)據(jù)交互，包括兩個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(bào)文下發(fā)，用于對(duì)設(shè)備的操作和故障進(jìn)行處理。

(3) 數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫(kù)交互，將采集的設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)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(bào)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視、故障報(bào)警、報(bào)表管理、設(shè)備控制、能量管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、參數(shù)配置等。

(1) 實(shí)時(shí)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(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)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(yùn)行正常。

(2) 故障報(bào)警主要包括實(shí)時(shí)故障報(bào)警和歷史記錄報(bào)警。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，其故障狀態(tài)可在監(jiān)控界面上直觀展示，同時(shí)向操作員發(fā)出報(bào)警聲響，以便操作員及時(shí)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(chǔ)功能。

(3) 報(bào)表管理主要包括報(bào)表查看和報(bào)表打印功能。用戶可通過報(bào)表管理功能查看歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障記錄等。根據(jù)需要，用戶還可對(duì)報(bào)表進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)對(duì)設(shè)備進(jìn)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(cè)和實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)可依據(jù)當(dāng)天的光照強(qiáng)度及前25天光伏電站的發(fā)電功率對(duì)發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，并描繪出預(yù)測(cè)曲線。同時(shí)，系統(tǒng)依據(jù)當(dāng)天光伏電站的發(fā)電功率及儲(chǔ)能電池電量值對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行控制。

(6) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)指從設(shè)備采集的即時(shí)數(shù)據(jù)，可用于判斷當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。歷史數(shù)據(jù)指設(shè)備前5min 的運(yùn)行狀態(tài)，用戶可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)判斷前一時(shí)刻設(shè)備的運(yùn)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(shí)數(shù)據(jù)時(shí)需除以一定的倍率。用戶可根據(jù)通信協(xié)議對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行配置，以確保獲取真實(shí)值。越限參數(shù)的配置是指用戶需設(shè)定設(shè)備的運(yùn)行閾值，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)超過或小于該閾值時(shí)，系統(tǒng)將向操作員發(fā)出報(bào)警，以保證設(shè)備安全穩(wěn)定地運(yùn)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(yùn)行，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)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(shí)間短于 1s，控制命令響應(yīng)時(shí)間短于1s，能量預(yù)測(cè)誤差小于5%，系統(tǒng)的運(yùn)行功能都達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。

這一系統(tǒng)為光伏電站的穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供了可靠的保障，用戶能夠及時(shí)監(jiān)控光伏電站的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)通知用戶并對(duì)故障進(jìn)行處理。這一系統(tǒng)提高了光伏電站的運(yùn)行效率和管理水平，節(jié)省了人力、物力、財(cái)力，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 查曉明，劉飛.光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展(上)[J].變頻器世界，2010(2)：37-42，82.

[2] 張?bào)阄?，鄭建?光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電工電氣，2010(9)：12-16，20.

[3] 繆進(jìn)榮.太陽(yáng)能光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[4] 杜寶江.BIPV光伏發(fā)電系統(tǒng)虛擬展示裝置的研究[J].裝備機(jī)械，2010(1)：34-38.

[5] 曾樂才.分布式能源與微網(wǎng)技術(shù)發(fā)展研究[J].上海電氣技術(shù)，2013，6(1)：50-56.

[6] 張文建，何玉林，劉健.中國(guó)太陽(yáng)能資源利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].裝備制造技術(shù)，2014(11)：137-138.

[7] 李雷，洪旭旭，楊春.光伏產(chǎn)業(yè)需要建設(shè)產(chǎn)能管控體系[J].裝備制造，2011(4)：48-51.

[8] 鄒穎.綠色建筑并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].建筑電氣，2013(2)：29-34.

[9] 葉琴瑜，胡天友，秦文.光伏并網(wǎng)電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表，2012，33(5)：64-66，69.

[10] 歐陽(yáng)麗.含光伏發(fā)電和儲(chǔ)能電池的智能微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J].機(jī)械制造，2014，52(7)：93-96.

[11] 王青.基于MODBUS協(xié)議的2kW分布式光伏發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊，2015，14(3)：77-79.

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(xué)技術(shù)委員會(huì)基金項(xiàng)目(編號(hào)：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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作， E-mail：yangjie4@shanghai-electric.com

TM615

A

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