區域分布式光伏運行監控系統設計及應用

沈金青，徐光福，黃宏盛，朱 翔

(1.國網浙江嘉善縣供電公司，浙江 嘉慶 314100；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

近年來，隨著光伏發電在國內的大規模開發和利用，大量的分布式光伏電站接入配電網。分布式光伏電站盡管容量小，但點多面廣，大量分布式光伏電站接入電網后，若無法將光伏電站信息上送至電網調度中心，將對電網的穩定運行造成隱患。因此有必要建立分布式光伏發電運行監控系統，對區域內分布式光伏電站發電進行信息采集，實現分布式光伏電站的實時監控，滿足光伏發電入網的要求。

實現對分布式光伏電站的監控一般可采用以下2種解決方案。

(1) 方案1。將分布式光伏電站所含信息接入現有的調度自動化系統(energy management system，EMS)或配網自動化系統(distribution management system，DMS)，充分利用現有資源，有利于數據整合應用。

(2) 方案2。建設一套獨立的分布式光伏運行監控系統，實現對分布式光伏電站的信息采集和監控，并通過信息交互總線把信息與EMS，DMS以及其他系統共享。

若采用方案1，由于現階段許多地區分布式光伏電站建設點多面廣，接入信息點總數量大，較大的信息量接入會對現有的EMS，DMS系統運行產生壓力。又因各個電站先后接入，每一次新站接入都需對現有系統進行配置和數據加載，這對實時性與安全性要求較高的EMS或DMS來說是不利的。另外，由于目前區域分布式光伏監控系統建設還處于研究摸索階段，因此直接接入EMS，DMS系統并不穩妥。

相比之下，建立一套獨立的區域分布式光伏運行監控系統，不僅能夠實現對分布式光伏全方位的監控，而且對現有的EMS，DMS系統的運行不造成影響，因此現階段采取方案2更加適宜。

1 分布式光伏電站信息采集

分布式光伏電站中需要監控的設備包括逆變器、環境監測儀、保護裝置、計量電度表、電能質量監測裝置。

文獻1研制了一種分布式光伏并網接口一體化裝置，并在該供電公司投入了應用。該裝置集成了分布式光伏發電保護、測控、電能質量監測、運行控制、通信管理、遠動、信息安全加密等功能，支持多種通訊方式接入站內設備，與調度端主站通信實時反饋電站信息，接受遠程控制公共連接點開關投切及逆變器啟停命令。該裝置技術高度融合，克服了常規分布式光伏電站設計方案中信息采集系統設備多、投資大、安裝困難、運行維護工作量大等問題，因此優先選擇分布式光伏并網接口一體化裝置實現電站信息的采集與控制。

如圖1所示，公共連接點的電壓互感器(potential transformer，PT)、電流互感器(current transformer，CT)接入分布式光伏并網接口一體化裝置交流采樣插件，經過軟件測量模塊計算得出分布式光伏電站公共連接點處的電壓、電流、有功、無功、功率因數、頻率、諧波。分布式光伏并網接口一體化裝置IO插件連接公共連接點處的斷路器及其他開關(如接地刀閘、隔離開關等)跳合閘回路，獲得開關的位置及控制開關的分合，當保護動作或收到光伏運行監控主站系統的遙控開關命令時，進行相應的開關分合。

圖1 并網分布式光伏信息采集

2 通信方案

2.1 通信介質

分布式光伏電站特點是點多面廣，許多區域光纖無法覆蓋，結合國家相關標準并根據實際情況，因地制宜，可采取以下幾種通信介質。

(1) 對于專用架空線或電纜接入變電站的分布式光伏電站，建議在鋪設架空線或電纜的同時鋪設光纖接入就近變電站的同步數字體系(synchronous digital hierarchy，SDH)設備。

(2) 對于分布式光伏電站接入區域具備配網自動化通信網絡(如EPON網絡)的環境，建議鋪設光纖接入就近的配網自動化的通信網絡。

(3) 不滿足上述情況或380 V接入的kW級分布式光伏電站，從節約成本的角度考慮可以采用無線通信,如GPRS，CDMA等。

2.2 通信協議

目前電站和調度主站之間的遠動協議一般為IEC60870-5-101/104。該協議傳輸的內容單一，只能傳輸四遙信息，不能傳輸保護定值、錄波、電量、電能質量等綜合數據。文獻2，3提出了IEC 104擴展IEC 103規約出站方案和IEC 61850出站方案，能夠解決綜合數據出站問題。

2.3 通信信息安全防護

分布式光伏監控系統傳輸的信息須遵循電監會《電力二次系統安全防護總體方案》及國家電網公司《配電二次系統安全防護方案》的要求:運行監控主站對分布式光伏并網接口裝置下發的控制指令不論采用何種通信模式(以太網、無線)都需要使用基于非對稱密鑰的加密技術進行單向身份認證；運行監控主站采用基于調度證書的非對稱密鑰算法實現控制命令及參數設置指令的單向身份認證與報文完整性保護。

3 分布式光伏運行監控主站功能設計

分布式光伏運行監控主站的整個系統共分為5層，其中統一應用支撐平臺層(ASP)和電力系統應用軟件層在整個體系結構中處于核心地位。統一應用支撐平臺層向各種電力應用軟件提供統一的模型、通信、數據、畫面、管理服務，為各種電力系統軟件的集成提供了核心技術支持。

在統一平臺的支持下，將數據采集與監視控制(SCADA)、區域分布式光伏功率預測、保護及故障信息管理(DRMS)、電能量計量(TMR)、電能質量監測(PQMS)、分布式光伏發電控制、分布式光伏發電效益分析應用軟件模塊集成在一起，組成區域光伏運行監控主站系統。統一應用支撐平臺層能夠支持應用軟件模塊化功能方便的裁剪和擴展，以適應分布式光伏對主站系統的各種需求的發展。

3.1 SCADA

系統實時在線顯示各分布式光伏電站并網斷路器、逆變器的啟停等開關量的狀態以及并網點潮流、發電量等模擬量，記錄各開關量的變位和時間順序記錄，模擬量值以可調的存儲周期存入歷史庫中。可在畫面上對分布式光伏電站的并網開關和光伏逆變器進行遙控。

系統可按責任分區監視實時生產統計數據、環境參數、電氣接線圖與參數、設備通信聯絡與工況、設備參數、并網點參數等信息。

3.2 分布式光伏功率優化調度

3.2.1 區域分布式光伏功率預測

光伏發電出力具有波動性、間歇性的特點，大規模分布式光伏接入區域電網后給電網的調度帶來影響，有必要對分布式光伏發電進行功率預測，為EMS系統制定調度計劃提供預測數據。由于分布式光伏電站多為屋頂式光伏，數量多但容量小，對每個電站進行功率預測然后作累加，將會面臨投資成本高、預測精度低的問題。而若在監控區域內統一建設一套太陽能輻射數值天氣預報系統，對區域內所有分布式光伏出力進行統一預測，一方面可減少預測投資成本，另一方面可提高預測精度。具體做法是，按照若干平方千米面積建設一套太陽能輻射監測子站，形成地區級太陽能輻射數值天氣預報系統，將地區內各分布式光伏并網點的太陽能輸出功率、實時并網太陽能裝機容量、輻射強度、溫度、風速等量統一上送光伏運行監控主站，經由防火墻傳送到光伏功率預測系統，光伏功率預測系統再將預測結果上送至EMS系統。

3.2.2 發電單元控制

分布式光伏發電單元控制軟件模塊接收調度EMS的有功目標值、電壓目標值指令，通過對各分布式光伏發電單元有功、無功的分配、調節以及發電單元的啟/停，實現對調度指令的實時跟蹤。

3.2.3 發電能效與投資效益分析

結合區域分布式光伏發電總上網電量、國家相應補貼政策、節能減排等要素，對分布式光伏發電經濟、社會效益作出分析。分析內容包括以下3個方面：

(1) 基于經濟模型的光伏項目投資與收益分析；(2) 基于經濟模型的光伏產業發展輔助預測；(3) 結合能效分析進行產業發展和扶持政策的宣傳。

本文采用石灰為湖南生產的鈣質熟石灰，活性鈣鎂含量總量達66.93%，屬于三級石灰。具體物理化學性質如表1所示。

3.3 DRMS

DRMS接收分布式光伏電站保護、測控裝置的定值、壓板、測量、運行自檢、保護動作事件、告警信息、故障錄波文件，能夠實時掌握分布式光伏電站防孤島等保護投入以及動作情況，提高事故分析的效率和準確性。

3.4 TMR

TMR完成區域內所有分布式光伏電能表計量數據讀取、存儲與處理。所獲得的上網電量數據可與營銷部門用電信息采集系統進行交互，與用電信息采集系統采集的上網電量進行相互校驗，確保數據的準確性。另外上網電量數據也可以發送給政府相關電價補貼機構，作為電價補償的依據。

3.5 PQMS

PQMS實現對光伏運行并網點各項電能質量指標的在線監測和統計分析，為治理和改善光伏發電并網運行電能質量提供監測手段。

3.6 與其他系統接口

區域分布式光伏運行監控主站應具備與外部系統互聯的功能。通過信息交互總線與EMS，DMS、用電信息采集等系統互連，實現分布式電源發電功率、發電量、并網狀態等數據交互。

3.6.1 與EMS系統接口

EMS系統和光伏運行監控主站系統使用基于IEC 61970的CIM/XML格式文件進行交互，AGC命令和實時數據采用國際標準IEC60870-5-104或DL476標準通信規約通信。光伏運行監控主站向EMS系統轉發本光伏運行監控主站系統下轄的子站相關光伏實時運行監控數據并接收EMS系統AGC，AVC命令，根據調度下發的出力目標值調整光伏系統的輸出功率，包括增大、減小發電功率或起停，提高電網運行的經濟性和穩定性。

3.6.2 與DMS系統接口

3.6.3 與其他外部系統接口

系統還可根據需求實現與其他電力自動化系統或生產信息管理系統的接口(如TMR，PQMS等)。與其他外部系統的接口方案包括基于專用通信協議的接口方式和基于Web Service接口方式2種方案。可實現分布式光伏運行監控主站與其他外部系統之間所需數據的交換。

3.7 區域分布式光伏運行監控系統整體架構

區域分布式光伏運行監控系統按分層分布式體系結構設計，如圖2所示。該監控系統采用3層結構，分別為信息采集層、通訊網絡層以及主站層。

第1層為信息采集層。依托分布式光伏并網接口一體化裝置實現對分布式光伏電站逆變器、電度表、保護測控、環境等信息的采集，所采集的信息經過通信網絡層傳送至主站層。

圖2 區域分布式光伏運行監控系統架構

第2層為通信網絡層。通信網絡層為信息采集層與主站層之間的信息收發提供信道，包括無線(GPRS/CDMA等)和光纖混合通信。從信息安全角度考慮，無線通信應啟用公網自身提供的安全措施；光纖通信根據現場的條件，可以采用專用光纖接入就近變電站(所)SDH調度數據網或接入配網自動化的通信網絡(如EPON網)。

第3層為區域分布式光伏運行監控主站層。由前置機、后臺應用服務器、工作站、GPS對時裝置、打印機、防火墻、安全隔離裝置等設備組成。從功能角度考慮，可劃分為前置采集子系統、運行監控子系統、高級應用子系統。各子系統遵循《電力二次系統安全防護總體方案》規定，劃分相應的安全網絡區域：前置采集子系統與運行監控子系統位于安全I區，高級應用子系統橫跨安全I區和II區。在不同網絡區域之間采用防火墻或者物理安全裝置隔離。系統采用開放式網絡，實現與EMS，DMS等系統連接。

4 系統應用

上述所設計的區域分布式光伏運行監控系統已成功應用于該供電公司。

采用有線+無線混合通信技術將43座10 kV、56座380 V分布式光伏電站并網數據上傳至區域分布式光伏運行監控系統(如圖3所示)，實現企業級光伏電站全采集、全監控。

圖3 分布式光伏信息接入網絡

為光伏電站量身定制的運行監控系統，能夠在電力調度中心遠程接受光伏發電并網點安裝的一體化裝置所上傳的所有信息，包括光伏發電量、光照度、電能質量、電壓、電流、有功、無功等。調控員通過該系統可查閱光伏電站接線圖，實時獲取并網點開關投切、逆變器啟停等遙信信號及現場故障信息，遠程遙控并網點設備隔離光伏電站、調用各類報表，開展光伏發電能力預測等高級應用，全方位對光伏電站進行實時監控，確保光伏發電小電網和系統大電網均可控、在控。

5 結束語

分布式光伏接入電網后，構建一套區域分布式光伏運行監控系統，該系統在某供電公司投入應用后，運行情況良好。保障了大量分布式光伏接入后電網的安全穩定運行，可為各地方分布式光伏發電運行監控系統的建設和運營提供參考。隨著分布式發電的不斷發展，越來越多的分布式新能源發電接入電網，該系統可以擴展為適應多種分布式新能源發電的運行監控系統。