田 亮

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

隨著近年來(lái)油價(jià)上漲、化石燃料開采對(duì)環(huán)境的污染加劇以及全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)對(duì)低成本能源的需求，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展［1］。光伏電站具有區(qū)域分散大、各地環(huán)境造成發(fā)電效能差異大等特點(diǎn)。用戶或電力公司需將分散在各個(gè)地方的光伏電站納入統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集中管理。在這種新的模式下，開發(fā)一種可以根據(jù)用戶的電能需求和電站運(yùn)行成本來(lái)監(jiān)管和控制光伏電站發(fā)電的集成系統(tǒng)尤為重要［2］?，F(xiàn)有解決方案是基于CAN、LabVIEW、MCGS 等各種控制程序的電網(wǎng)控制系統(tǒng)［3-5］。但由于各光伏電站都配備了各自的技術(shù)運(yùn)行和管理人員，各電站之間缺乏有效協(xié)調(diào)與監(jiān)控。且不同品牌、不同容量、不同型號(hào)的逆變器設(shè)備缺乏集中監(jiān)測(cè)和統(tǒng)一管理，難以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域范圍內(nèi)多座電站的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)。另外，為有效應(yīng)對(duì)電站的突發(fā)狀況，也亟須設(shè)計(jì)和開發(fā)一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、界面友好、操作簡(jiǎn)單、智能化程度高的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)一套由分布式傳感器、數(shù)據(jù)采集、分析軟件和執(zhí)行器組成的監(jiān)控系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)與分析光伏系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。采用多通道通信方式，保證信息傳遞、數(shù)據(jù)分析、能源生產(chǎn)控制、視頻監(jiān)控管理等功能的有效性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)控系統(tǒng)由嵌入式終端主機(jī)、攝像頭、逆變器、穿線盒、輻射傳感器、調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備組成，系統(tǒng)集成如圖1 所示。嵌入式終端主機(jī)是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備，主要用于監(jiān)控逆變器和輻射傳感器［6］。

圖1 系統(tǒng)集成

逆變器可以將光伏太陽(yáng)能板產(chǎn)生的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為市電頻率交流電，可以反饋回商用輸電系統(tǒng)，或是供離網(wǎng)的電網(wǎng)使用。本系統(tǒng)逆變器選用固德威DT 系列的GW15K-DT 型，其額定直流功率是15.4 kW，最大允許接入的組串功率為19.5 kW，額定輸出工頻為50 Hz，正常工作條件下偏差在±1%以內(nèi)。

調(diào)制解調(diào)器是嵌入式終端主機(jī)與本地網(wǎng)的中繼傳輸設(shè)備，由發(fā)送、接收、控制、接口及電源等部分組成?？梢詫?duì)來(lái)自終端主機(jī)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)。其光波長(zhǎng)為1 310 nm，發(fā)送光功率不小于－10 dBm，接收靈敏度不大于－37 dBm，接口速率支持10／100 M自適應(yīng)接入，傳輸速率支持純2 M 及透明傳輸純10 M兩種，用戶可根據(jù)實(shí)際需要自行選擇。

穿線盒是介于太陽(yáng)能電池方陣和太陽(yáng)能充電控制裝置之間的連接裝置，由盒體、線纜及連接器3 部分構(gòu)成，其主要作用是連接和保護(hù)太陽(yáng)能光伏組件，將太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力與外部線路連接，傳導(dǎo)光伏組件所產(chǎn)生的電流。其最大工作電流為16 A，最大耐壓1 000 V，使用溫度為-40～90 ℃，最大工作濕度為5%～95%（無(wú)凝結(jié)），防水等級(jí)為IP65，連接線直徑為4 mm。

輻射傳感器用于測(cè)量太陽(yáng)的短波輻射量，其利用硅光探測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)正比于入射光的電壓輸出信號(hào)，為了減小余弦誤差，在儀器內(nèi)安置一個(gè)余弦修正器，該輻射計(jì)可直接與數(shù)字電壓表或數(shù)采器相連，進(jìn)行輻射強(qiáng)度的測(cè)量。選用TBQ-2C 型熱電型總輻射傳感器，其測(cè)量波長(zhǎng)范圍為300～3 200 nm，測(cè)量輻射強(qiáng)度范圍0～2 000 W／m2。

溫度傳感器具有定點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳功能，以無(wú)線發(fā)射電臺(tái)為通信平臺(tái)，具有不受地理限制、穩(wěn)定、可靠和成本低等優(yōu)點(diǎn)。選用2 組NTC 型Pt100 鉑熱電阻溫度傳感器測(cè)量光伏組件的溫度。工作溫度為-20～60 ℃，天線阻抗為50 Ω，測(cè)量范圍為-200～400 ℃，熱響應(yīng)時(shí)間<30 s，允許通過(guò)的最大電流為5 mA，傳感器具備穩(wěn)定性好、抗震動(dòng)、耐高壓等特點(diǎn)［4］。

能量計(jì)數(shù)器能夠檢測(cè)溫度傳感器上的異常變化，且能夠自動(dòng)校準(zhǔn)電流和電壓通道，ADE9153B1型能量計(jì)數(shù)器是一款高精度、單相能量計(jì)量，具有傳感器監(jiān)控和自動(dòng)校準(zhǔn)。

由于不同電站的裝機(jī)規(guī)模、所處環(huán)境以及電網(wǎng)接入要求各不相同，主要部件的配置可根據(jù)不同電站實(shí)際需求進(jìn)行選型。監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)對(duì)逆變器輸出的相電壓、線電壓、相電流、功率、功率因數(shù)、電量、頻率和開關(guān)狀態(tài)量等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)通過(guò)溫度傳感器采集實(shí)際運(yùn)行陣列周圍的空氣溫度，通過(guò)輻射傳感器采集太陽(yáng)短波輻射量，通過(guò)攝像頭監(jiān)測(cè)警戒區(qū)域，并進(jìn)行在線氣候數(shù)據(jù)分析和產(chǎn)能預(yù)警［7］，對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警。以上主要部件均通過(guò)調(diào)制解調(diào)器與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

由于光伏產(chǎn)能主要受光照輻射、面板溫度的影響，因此，監(jiān)控系統(tǒng)可通過(guò)與上述的信息存儲(chǔ)組件集成，在預(yù)期產(chǎn)能和實(shí)際產(chǎn)能間存在顯著差異時(shí)發(fā)出警告。主機(jī)與網(wǎng)站平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，以供運(yùn)行人員實(shí)時(shí)監(jiān)控電站運(yùn)行狀態(tài)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)配置

監(jiān)控系統(tǒng)采用嵌入式PC 平臺(tái)，Linux 操作系統(tǒng)［8］。軟件開發(fā)平臺(tái)為L(zhǎng)abVIEW2011，通信方式用xml 格式文件進(jìn)行描述。數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镹I-DAQmx9.4，利用LabSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)工具包對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，即完成了數(shù)據(jù)的保存、查詢、修改、刪除等功能［9］。具有采集數(shù)據(jù)精度高、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、界面友好、操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

監(jiān)控系統(tǒng)組成：1 個(gè)數(shù)據(jù)記錄器，用于從光伏發(fā)電廠設(shè)備收集數(shù)據(jù)；1 個(gè)控制器，用于修改植入行為；1 個(gè)xml 數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)具有報(bào)警處理、數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)維護(hù)功能，通過(guò)信息轉(zhuǎn)換模塊向系統(tǒng)用戶傳輸信息。

監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2 所示。數(shù)據(jù)記錄器處理與光伏植入系統(tǒng)之間的通信支持TCP／IP 和RTU版本的MODBUS 協(xié)議。在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，可以通過(guò)英特網(wǎng)建立有線或無(wú)線連接；在無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，可以通過(guò)RS232／485 和USB 建立連接。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)

控制器通過(guò)MODBUS 協(xié)議與光伏植入物進(jìn)行交互，可接收來(lái)自用戶或上級(jí)網(wǎng)格控制系統(tǒng)的命令。如能源過(guò)剩時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)控制要求減少注入電網(wǎng)的能量；當(dāng)處理程序請(qǐng)求以不同于正常的相位向網(wǎng)絡(luò)中注入電流時(shí)，可重新對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位調(diào)整?？刂破髂軌蜓杆夙憫?yīng)外部命令，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)與智能電網(wǎng)建立通信。

數(shù)據(jù)庫(kù)從數(shù)據(jù)記錄器和其他模塊收集數(shù)據(jù)。模塊間交換的所有數(shù)據(jù)使用xml 格式，數(shù)據(jù)分析模塊可提供來(lái)自原始數(shù)據(jù)的聚合數(shù)據(jù)：最小值、最大值、平均值、方差和瞬時(shí)值。

數(shù)據(jù)分析模塊可將太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和公共數(shù)據(jù)庫(kù)提供的預(yù)期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較［10］。報(bào)警處理程序驗(yàn)證每個(gè)參數(shù)是否在xml 配置文件指定的約束內(nèi)。維護(hù)模塊自檢警報(bào)功能是否正常，并驗(yàn)證是否執(zhí)行了警報(bào)程序所需的每個(gè)步驟。視頻監(jiān)控模塊可處理植入部位的攝像機(jī)，并提供防盜功能。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸模塊將來(lái)自監(jiān)控系統(tǒng)的所有信息傳輸?shù)接脩?。上述信息在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上發(fā)布，如果報(bào)警，會(huì)及時(shí)通過(guò)短信和郵件通知用戶，并在網(wǎng)絡(luò)界面上更改顏色。圖3 為用于發(fā)布信息和與用戶交互的Web 界面。

圖3 操作界面

3.1 電站運(yùn)行能力分析

監(jiān)控系統(tǒng)控制器（如圖2 所示）中嵌入智能導(dǎo)軌表，采集精度相對(duì)逆變器精度有明顯提高，誤差可控制在千分級(jí)，使數(shù)據(jù)更加有可信度?？蓪⒉杉南到y(tǒng)電壓、電流信號(hào)送入能量計(jì)數(shù)器，進(jìn)而對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換為電壓、電流、功率和電能等電參量。導(dǎo)軌表采集當(dāng)前的電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)等運(yùn)行參數(shù)，可通過(guò)GPRS 通信模組上傳至Web監(jiān)控平臺(tái)［11-13］。實(shí)時(shí)顯示日發(fā)電量、總發(fā)電量、機(jī)內(nèi)溫度、總有功功率等電參數(shù)。當(dāng)上報(bào)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，Web 平臺(tái)告警或平臺(tái)發(fā)起遠(yuǎn)程跳閘命令并聯(lián)動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)通知運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)排查。

3.2 電站維護(hù)

光伏面板通過(guò)表面溫度傳感器采集系統(tǒng)參數(shù)。由于光伏面板效率隨著溫度的升高而降低，為有效監(jiān)控光伏面板的工作效率，監(jiān)控系統(tǒng)需采集2 個(gè)重要參數(shù)： 一是當(dāng)電池板溫度與太陽(yáng)輻射產(chǎn)生熱量發(fā)生異常時(shí)，采集電池板故障的發(fā)生頻次數(shù)據(jù)；二是預(yù)期發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量的誤差值。

采集光伏組件溫度時(shí)，在緊貼光伏組件處外接2組溫度傳感器。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，在晴天13∶00 左右，光伏組件溫度最高，可達(dá)50 ℃左右。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值60 ℃時(shí)，控制器平臺(tái)預(yù)警；若溫度繼續(xù)升高至溫度上限75 ℃時(shí)，控制器發(fā)起遠(yuǎn)程跳閘命令并聯(lián)動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)通知運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)排查。

3.3 電站安全遠(yuǎn)程監(jiān)控

監(jiān)控系統(tǒng)具有一組自動(dòng)重合閘斷路器控制接口，可接受主站的命令，當(dāng)出現(xiàn)異?；蚱渌枰藶殛P(guān)斷、合閘的情況時(shí)，可遠(yuǎn)程對(duì)自動(dòng)重合閘斷路器進(jìn)行控制。具有3 組電壓檢測(cè)功能，分別檢測(cè)進(jìn)線斷路器負(fù)載端、自動(dòng)重合閘負(fù)載端電壓，判斷電表箱中重要元器件的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。同時(shí)，監(jiān)測(cè)逆變器實(shí)時(shí)電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)等運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)上報(bào)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，Web 平臺(tái)告警或平臺(tái)發(fā)起遠(yuǎn)程跳閘命令并聯(lián)動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)通知運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)排查。

3.4 電站集中管理

監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)不同級(jí)別的用戶賦予了不同權(quán)限，從而保證系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的安全性和可靠性。除需要操作員級(jí)用戶輸入操作口令外，還需要監(jiān)護(hù)人或工程師級(jí)用戶輸入確認(rèn)口令后方可完成該操作。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)一套監(jiān)控系統(tǒng)，可利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)與光伏電站的設(shè)備進(jìn)行集成?？蓪?shí)現(xiàn)不同區(qū)域范圍內(nèi)多座電站的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)，為現(xiàn)有離網(wǎng)電站的管理和后續(xù)電站的建設(shè)提供了有力支撐。

監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)，當(dāng)偏離正常范圍時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警或者關(guān)斷操作，避免事故發(fā)生；引入智能導(dǎo)軌表，采集精度相對(duì)逆變器精度有明顯提高，誤差可控制在千分級(jí)，使數(shù)據(jù)更加有可信度；由于導(dǎo)軌表可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各電氣元件的運(yùn)行狀態(tài)和電壓等參數(shù)，當(dāng)故障發(fā)生之后，可通過(guò)歷史記錄查詢故障時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)中各元件的參數(shù)，精確分析故障原因和故障點(diǎn)。對(duì)光伏電站的性能評(píng)估和優(yōu)化電站設(shè)計(jì)起到很好的指導(dǎo)作用。

同時(shí)，系統(tǒng)后端可準(zhǔn)確進(jìn)行故障預(yù)警和故障分析處理，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)功能。避免依靠人工反復(fù)趕往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)和管理，減少了大量的人力和物力浪費(fèi)，節(jié)省了運(yùn)維成本。