20 MW光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設計與優(yōu)化

姚玨菂，王延民，孫東旭

（北京華電天仁電力控制技術有限公司 北京 100039）

內(nèi)蒙赤峰市某20 MWp光伏發(fā)電項目，一年中溫差大，最高溫度可達39℃，最低溫度為-30.1℃，給監(jiān)控系統(tǒng)設計帶來了極大的挑戰(zhàn)，而且該項目在原有的風場的基礎上進行擴建，需要與原有的監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊獲取相關參數(shù)，也增加了系統(tǒng)的復雜性。基于以上特點，本文設計了一套完整的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能適應現(xiàn)場的惡劣的環(huán)境，而且方便與其他系統(tǒng)通訊。

1 系統(tǒng)設計原則

項目原有風電場風機總裝機容量為100 MW，擬建光伏發(fā)電站規(guī)劃裝機容量為20 MWp。已建風電場區(qū)域內(nèi)已配套建設一座220 kV升壓變電站，擬建光伏發(fā)電站所發(fā)電量以一回集電線路全部接入已有220 kV升壓變電站。需對新建20 MWp光伏電站設計監(jiān)控系統(tǒng)，并兼容升壓站系統(tǒng)接口。220 kV升壓站已建設監(jiān)控系統(tǒng)，但是功能不完善，需進行擴容。

結合項目需要，依照《電力系統(tǒng)調度自動化設計技術規(guī)程》、DL/T 5002-2005《地區(qū)電網(wǎng)調度自動化設計技術規(guī)程》、《光伏發(fā)電站設計規(guī)范 GB50797－2012》、《內(nèi)蒙古電網(wǎng)光伏電站接入電網(wǎng)技術規(guī)范》等國家標準、行業(yè)規(guī)范的要求，系統(tǒng)設計原則為[1]：

1）完整性

系統(tǒng)能夠完成不同廠商不同種類不同型號設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一完整采集，提供實時數(shù)據(jù)、周期采樣數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)的應用服務。

2）規(guī)范性

系統(tǒng)建設遵循有關國家標準、國際標準、電力行業(yè)有關標準。制定或完善相關標準規(guī)范，確保監(jiān)測設備、監(jiān)測數(shù)據(jù)通訊的規(guī)范性。界面設計遵循有關界面設計規(guī)范。

3）擴展性

硬件擴展性：系統(tǒng)能夠廣泛適配新接入監(jiān)測設備的通信接口。軟件擴展性：軟件功能模塊應可重用、可配置、可拆卸。

4）開放性

系統(tǒng)能夠同各類專家系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息交換。系統(tǒng)能夠與電網(wǎng)調度等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息交換。

5）集成性

能夠集成環(huán)境、安防、電能量、電能質量等監(jiān)測數(shù)據(jù)，分類處理，分類存儲，統(tǒng)一界面顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。

6）可操作性

界面友好，操作方便，注重用戶體驗。

7）適應性

適應光伏電站的內(nèi)電磁及自然環(huán)境的復雜性。適應光伏電站各類系統(tǒng)的可接入性。

2 需求分析

按“無人值班、少人值守”的原則，針對赤峰市某20 MWp光伏發(fā)電項目的具體需要，對系統(tǒng)需求進行分解。

1）光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)及保護

本工程光伏發(fā)電系統(tǒng)由20個1 MWp的發(fā)電單元構成。每個發(fā)電單元包括光伏陣列、匯流箱、直流防雷柜、2臺500 kW的逆變器、分裂變壓器及相應的監(jiān)控、保護設備組成。

每1 MWp光伏發(fā)電單元配置1面光伏陣列區(qū)網(wǎng)絡通信屏，內(nèi)設規(guī)約轉換裝置、交換機，就地安裝于逆變器室內(nèi)。箱變內(nèi)配置箱變保護測控裝置，實現(xiàn)對箱變的保護（電氣量保護及非電氣量保護）及測控。規(guī)約轉換裝置通過屏蔽雙絞線（RS485總線）獲取逆變器、匯流箱、箱變測控裝置的運行參數(shù)、故障狀態(tài)和發(fā)電參數(shù)。規(guī)約轉換裝置經(jīng)光纖交換機通過單模鎧裝光纜接入升壓變電站內(nèi)光伏發(fā)電監(jiān)控子系統(tǒng)，采用環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方式，實現(xiàn)升壓變電站內(nèi)對各光伏發(fā)電單元運行參數(shù)的監(jiān)視、報警、歷史數(shù)據(jù)儲存等統(tǒng)一管理。

2）升壓站監(jiān)控

增加防誤閉鎖系統(tǒng)。微機防誤操作系統(tǒng)前期已經(jīng)裝設，僅增加相應鎖具，并對微機防誤操作系統(tǒng)進行擴容。

保證監(jiān)控系統(tǒng)與其它智能設備的通訊對接。對于重要的設備狀態(tài)量信號或報警信號采用硬接點方式接入I/O測控裝置，配置智能型公用接口裝置，通過RS－485串口方式實現(xiàn)與智能設備之間的信息交換，經(jīng)過規(guī)約轉換后通過以太網(wǎng)傳送至監(jiān)控系統(tǒng)主機[2]。

3）系統(tǒng)調度自動化

實現(xiàn)采集35 kV線路的有功功率，無功功率，三相電流；全場光伏組件有功功率總和、無功功率總和、發(fā)電量、功率因數(shù)；單臺逆變器的有功功率，無功功率，電壓，電流；光伏電站輻照度、環(huán)境溫度、事故總信號、35 kV線路斷路器雙位置、隔離手車位置及接地刀閘位置信號、光伏電站的運行事件記錄，包括并網(wǎng)狀態(tài)、單臺逆變器投退狀態(tài)、故障檢修狀態(tài)以及運行狀態(tài)等信息。

4）惡劣環(huán)境運行

考慮到運行環(huán)境特殊性，系統(tǒng)應具有環(huán)境監(jiān)測功能。系統(tǒng)由風速傳感器、風向傳感器、日照輻射表、測溫探頭及配套支架組成，可測量風速、風向、環(huán)境溫度和太陽光輻射強度等參量，通過RS485總線或光纜傳輸方式將數(shù)據(jù)上傳至光伏陣列區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，實時顯示、記錄環(huán)境數(shù)據(jù)。

5）有功功率控制（AGC）系統(tǒng)

根據(jù)本工程可研階段設計及相關要求，光伏電站配置有功功率控制系統(tǒng)，具備有功功率調節(jié)能力、參與電力系統(tǒng)調頻、調峰和備用的能力。光伏電站通過有功功率控制系統(tǒng)接受并自動執(zhí)行電力系統(tǒng)調度機構下達的有功功率及有功功率變化的控制指令，確保光伏電站有功功率及有功功率變化（包含10 min和1 min有功功率變化）按照電力調度部門的要求運行。

6）無功電壓控制（AVC）系統(tǒng)

光伏電站應配置無功電壓控制系統(tǒng)。光伏電站應能根據(jù)電力調度部門指令，自動調節(jié)其無功功率，控制并網(wǎng)點電壓在正常運行范圍內(nèi)，其調節(jié)速度計控制精度應滿足電力系統(tǒng)電壓調節(jié)的要求[3]。

無功功率和電壓調節(jié)控制的對象包括逆變器無功功率、風電機組無功功率、升壓變電站無功補償裝置、主變分接頭等，優(yōu)先采用逆變器、風電機組無功功率及無功補償裝置進行調節(jié)。

7）光伏發(fā)電功率預測系統(tǒng)

光伏發(fā)電功率預測系統(tǒng)通過采集數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)、實時環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、光伏電站實時輸出功率數(shù)據(jù)、光伏組件運行狀態(tài)等信息，可按照電網(wǎng)調度技術要求，實現(xiàn)標準格式的短期功率預測、超短期功率預測（短期光伏功率預測預測光伏電站未來0～72 h的光伏輸出功率，時間分辨率為15 min。超短期光伏功率預測預測未來15 min～4 h的光伏輸出功率，時間分辨率為15 min），以及光伏電站實時氣象數(shù)據(jù)、裝機容量、投運容量、最大出力等信息的上報。

根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》的要求，光伏發(fā)電功率預測系統(tǒng)配置隔離裝置、防火墻等安防設備以滿足電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定的要求，確保系統(tǒng)運行于電力系統(tǒng)安全II區(qū)。

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)架構

為了解決監(jiān)測設備分散獨立、無法進行遠程集中監(jiān)控和診斷的問題，本系統(tǒng)接入所有的光伏電站在線監(jiān)測設備，進行設備統(tǒng)一管理，設備運行數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、查看和分析，提供綜合全面的運行狀態(tài)監(jiān)測、運行告警發(fā)現(xiàn)與通知、數(shù)據(jù)查詢分析、設備運行管理[4]。

為實現(xiàn)設備的動態(tài)擴展接入，系統(tǒng)應能實現(xiàn)在不進行二次開發(fā)的情況下即能完成新增監(jiān)控設備的接入。設備數(shù)據(jù)接入后進行分級存儲，分類匯總統(tǒng)計，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)和事件信息，可以實現(xiàn)電站設備的集中遠程監(jiān)控，也可以為故障診斷提供技術手段和數(shù)據(jù)支持，亦為電站管理提供全面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和各類報表。

系統(tǒng)架構如圖1所示。系統(tǒng)分為4個層次實現(xiàn)：應用層、服務層、設備驅動層、數(shù)據(jù)層，每個層次負責各自的處理，最終通過組合形成使用者可使用的系統(tǒng)功能。應用層負責與使用者進行交互，它負責將使用者所需數(shù)據(jù)以直觀、合理的方式按照使用者的需要展現(xiàn)給使用者，并記入使用者的輸入信息或操作指令，以傳遞給服務層進行處理；服務層負責進行業(yè)務的實際處理、數(shù)據(jù)運算、處理流程的控制；設備驅動層負責與設備進行通訊，從設備中獲取數(shù)據(jù)，并進行解析，轉換成系統(tǒng)能夠識別的數(shù)據(jù)格式；同時，還提供以上的逆向處理，即將系統(tǒng)希望發(fā)送給設備的信息組織成設備能識別的格式并傳送給設備。

圖1 系統(tǒng)架構圖Fig.1 System architecture

3.2 系統(tǒng)拓撲

系統(tǒng)采用分層環(huán)網(wǎng)式結構，上層網(wǎng)絡采用光纖環(huán)網(wǎng)結構，下層光伏監(jiān)控子系統(tǒng)采用了通信管理機與站內(nèi)智能設備進行通信接口，如圖2所示。通信管理機是一種通信協(xié)議轉換 裝 置[5]， 支 持 包 括 Modbus、DNP3.0，IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104等在內(nèi)的常用電力通信規(guī)約，通信管理機提供12、24個通信口，每個通信口都可以支持RS232、RS485和RS422通訊，因此對于同一類型的通訊裝置，可以采用RS485總線接入到通訊管理機其中的一個口，即通過通訊管理機的一個口可以接入多臺設備，因此系統(tǒng)具有很強的擴展功能[6]。本系統(tǒng)通過通信管理機接入所有的光伏電站在線監(jiān)測設備，進行設備統(tǒng)一管理，設備運行數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、查看和分析，提供綜合全面的運行狀態(tài)監(jiān)測、運行告警發(fā)現(xiàn)與通知、數(shù)據(jù)查詢分析、設備運行管理。

圖2 系統(tǒng)拓撲圖Fig.2 System topology

為實現(xiàn)設備的動態(tài)擴展接入，系統(tǒng)能實現(xiàn)在不進行二次開發(fā)的情況下即能完成新增監(jiān)控設備的接入，設備數(shù)據(jù)接入后進行分級存儲，分類匯總統(tǒng)計，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)和事件信息，可以實現(xiàn)電站設備的集中遠程監(jiān)控，為故障診斷提供技術手段和數(shù)據(jù)支持，也為電站管理提供全面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和各類報表。

圖3 系統(tǒng)運行邏輯圖Fig.3 System operation logic

系統(tǒng)控制邏輯如圖3所示。各個通訊管理機具有邏輯控制功能，可以根據(jù)現(xiàn)場需要完成復雜的邏輯運算功能。如實現(xiàn)對負荷的最優(yōu)分配，開關量邏輯的連鎖，閉鎖等邏輯，可以有效實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)運行，極大的減輕運行人員的工作強度，并能實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

分層式部署架構平臺采用SOA架構將涉及諸多的資源都抽象為服務，利用高效統(tǒng)一的API接口和數(shù)據(jù)交換格式，通過服務間的組合和交互形成全面完整的系統(tǒng)應用。各服務間各自獨立，分層部署，完全松耦合，各服務可獨立升級和維護，不影響其他功能的應用。通過服務管理對各服務進行注冊，通過服務調用流程LUA后臺邏輯動態(tài)控制業(yè)務邏輯，形成各種應用。

設備ADP分為物理層、協(xié)議層、數(shù)據(jù)層和控制層，物理層與設備對接，支持不同的接口類型（RS232，RS485，網(wǎng)絡接口等），并在物理層實現(xiàn)消息路由功能，提供數(shù)據(jù)透傳。協(xié)議層對物理層上送的數(shù)據(jù)進行規(guī)約匹配和解析，解析的數(shù)據(jù)上發(fā)給服務層處理。同時對服務層下發(fā)的消息進行規(guī)約組裝，通過物理層下發(fā)給設備。數(shù)據(jù)層分析采集數(shù)據(jù)，進行分類和分級存儲，對偏差不大的數(shù)據(jù)進行過濾，對異常情況（數(shù)據(jù)偏差大，有告警，數(shù)值超過閥值等）發(fā)送消息通知應用層以及是地展示或通知給使用者。任務管理對采集或設備遠程控制任務進行控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集，動態(tài)變化采集頻率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的補采和重采。

通過這種拓撲設計新建監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好地兼容升壓站監(jiān)測數(shù)據(jù)，且對原系統(tǒng)工作不產(chǎn)生影響。

4 應用效果

該系統(tǒng)于2013年底投入使用以來，運行穩(wěn)定，完全達到了項目預期要求。20 MWp光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)運行情況見圖4～圖 6。

系統(tǒng)有效實現(xiàn)了單設備監(jiān)控、設備群監(jiān)控、運行監(jiān)控、遠程調度、環(huán)境監(jiān)控等各項功能，達到光伏電站自動化調度的目標。

5 結 論

圖4 20MW系統(tǒng)連接運行圖－北區(qū)Fig.4 20 MW system running－north district

圖5 控制系統(tǒng)連接運行圖Fig.5 Control system running

針對項目需求，討論了在已有系統(tǒng)下擴容和新建光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的方法。采用設備ADP和設備規(guī)約庫的智能數(shù)據(jù)采樣體系電站設備種類和型號各異，各設備的通信接口和協(xié)議也都有差別，即便是同種設備也由于廠商、型號的不同而不同。針對這種情況，對每個設備進行單獨開發(fā)接口已不合適。為解決這個問題，本系統(tǒng)采用設備適配器（ADP）模式（智能設備適配器）實現(xiàn)智能采集。

由于光伏電站建設地區(qū)環(huán)境通常比較惡劣，在系統(tǒng)設計時應著重考慮設備環(huán)境適應能力，特別是溫度、濕度等因素。

隨著光伏電站及分布式光伏發(fā)電的發(fā)展，國家對光伏發(fā)電的投入也在加大。由于新能源及分布式發(fā)電本身的特征，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性是一大挑戰(zhàn)，電網(wǎng)有效的調度重要性突現(xiàn)出來。監(jiān)控系統(tǒng)作為光伏電站控制自動化和調度自動化的基礎，不斷研究優(yōu)化其設計方法具有實際意義。

圖6 20MW系統(tǒng)主要設備通訊狀態(tài)Fig.6 20MW the main equipment system state

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