逆變器直流柜監控系統的改造

劉加勇

（中節能東臺太陽能發電有限公司 江蘇鹽城 224000）

因中節能東臺電站發電項目中的一、二期60MW電站建設較早，組串沒有采用智能監控匯流箱，而且現有北京四方繼保的監控系統中，雖有逆變器的實時數據顯示，但對匯流箱或逆變器進線側無法監控到位、故障診斷。為提升電站發電管理，從源頭上減少發電損失，利于電站運維，結合中節能已有系統基礎，通過在118臺直流柜側加裝霍爾傳感器實現對824個匯流箱電流的監測。

1 改造的內容及方案

1.1 改造內容

實時顯示118臺逆變器（每臺逆變器房有兩臺逆變器）直流側各個回路電流采集狀態。

逆變器直流側電流顯示數據和報警情況；可進行直流柜電流平均值對比、故障統計等功能。

1.2 改造方案

為了增加監控精細度，在原直流柜的正極電纜增加開口式霍爾傳感器，精度為0.2級，每路霍爾傳感器二次側通過電纜接至信息采集單元；電源輸入通過光伏熔斷器接至信息采集單元。信息采集單元通過RS485接至監控管理機。

因增加對逆變器直流側（匯流箱）的監控，結合電站已有監控設施，實現本地數據采集、網絡傳輸、數據存儲與應用三層組網方案，組網方式考慮在放置監控管理機的逆變房之間鋪設通訊光纜，通過光纖環網交換機組成光纖環網，監控管理機通過光纖交換機完成數據的上傳，其它逆變房的直流柜通過RS485與每區的監控管理機相連，完成數據的上傳。

綜合考慮RS485的通訊距離和減少通訊電纜鋪設的工程量，相鄰逆變房的光伏子系統使用1臺監控管理主機。

升級后的系統具有：

（1）采用開口式霍爾，施工方便，施工周期短，無需改變原設備主回路；

（2）支持母線電壓測量；

（3）隔離的RS485 Modbus-RTU通訊，提高了系統安全；

（4）采用模塊接口豐富，可靠性高，采用單個模塊加以組合即可以實現直流柜的采樣功能；

（5）監控管理機協議兼容性強，可以批量采集大量的數據；

（6）采用光纖環網拓撲，可靠性高。

2 監控系統

兆瓦級及以上光伏電站占地廣、設備數量及種類龐大、建設集中。目前最為廣泛采用的是有線監控方式。本次監控改造系統整體架構包括本地數據采集、數據傳輸、數據存儲與處理3部分。

2.1 本地數據采集

通過數據采集器與底層設備相連接，采集設備的實時數據，匯流箱電流，物理層廣泛采用工業RS485總線，MODBUS協議作為總線協議。

2.2 數據傳輸

本次數據采集器與監控中心通訊網絡間距較遠，所以采用工業以太網光纖連接。基于TCP/IP的以太網是開放式網絡，光線組網可采用星形拓撲結果或者環網拓撲結果。

星形拓撲結構屬于集中控制性網絡，整個網絡由中心節點執行集中式通訊控制管理，各分節點均直接與中心節點連接，中心節點與分節點之間直接進行數據交互，若某節點總線纜出現故障，將導致數據無法傳輸；總布線距離長。

環網拓撲結果可利用它的自愈性能，將線路切換至備用線路上，從而保證信號的實時暢通，實現高可靠性、多備份和信號迅速恢復的要求。

中節能東臺電站項目本次改造采用的就是光仟環網即環形拓撲結構。該項目為直流側升級改造項目，及在直流側增加電流傳感器采集匯流箱電流。

2.3 工業以太網優點

工業以太網基于TCP/IP協議，為標準開放網絡，兼容性和互操作性好，資源共享能力強，數據傳輸距離遠，傳輸速率高，易于Internet互聯，成本低，與計算機、服務器的接口十分方便，技術支持廣泛，采用RS485轉工業以太網的形式，將底層設備的運行數據上傳至電站監控中心。

3 改造功能

電流采集曲線，顯示直流柜總電流采集曲線。

直流側通訊，實時顯示各匯流箱工作狀態：紅燈為報警、綠燈為通訊暢通，黃燈通訊中斷。

實時監控-直流柜窗口：

直流柜窗口功能模塊包括：電站實時直流柜數據、功能按鈕、匯流箱。

直流柜數據：

顯示逆變房中兩個直流柜的實時數據；及組串位置及狀態圖。

報警記錄窗口：

報警記錄窗口功能模塊：顯示逆變器報警和組串報警功能。

4 監控系統施工流程和其軟件算法實現

4.1 施工流程

（1）對118臺逆變器直流柜8個回路進線安裝開口霍爾。

（2）對118臺逆變器直流柜中各安裝一套數據采集器（模擬信號轉換成數字信號）、電壓測量裝置、模塊電源裝置，并用485通訊線連接至監控管理機。

（3）每套監控（通訊）管理機（485-以太網）、光纖環網交換機（以太網-尾纖）、光纖終端盒（尾纖-光纖）。

（4）在主控樓二次設備室通訊柜中安裝一套光纖轉換器（光纖-尾纖）和光纖環網交換機（尾纖-以太網）。

（5）在主控室后臺監盤桌上安裝一套服務器（主機）和顯示屏，便于各逆變器直流側進線回路電流實時監控。

4.2 監控原理和軟件算法

直流側數據是通過數據采集模塊將電流傳感器采出的模擬信號轉換為數字信號，然后通過通信管理機將數字信號轉換為TCP信號，最后通過光纖環網交換機將TCP信號轉換為光信號傳送至電站主控室監控中心。

電站監控系統將每路電流與每路的裝機容量進行單位裝機電流實時計算，并與相近位置的直流電流進行比較。若電流數據與相近位置的直流電流上下浮動超出10%的范圍，即刻彈出聲光報警，顯示出報警所在地理位置并記錄到報警記錄中，便于對設備發生情況進行追蹤、分析。當發生通訊線路問題引起通訊中斷時，同時發出聲光報警，顯示出報警所在地理位置，并記錄到報警記錄中。

5 改造結論

改造前，我們少則一天、多則半個月才能發現匯流箱跳閘未運行（通過逆變器之間發電量的對比），總共824個匯流箱，按照一個匯流箱下含有336塊太陽能組件，根據年發電量統計，每塊組件日平均發電量為1度左右，1個匯流箱每天發電量為336度左右，根據現有運行維護統計，按照故障率為0.5%算，平均每日有4.12個匯流箱故障，按照日發電量算為1384度電，按照上網電價1.4元算，日損失為1938元（這還是按一天后及時發現的情況下），通過這次對電站逆變器直流側的升級改造，根據現場監控設備數據的采集、比對、分析、并生成報表、曲線、圖形、音響報警和彈出報警對話框提示等，使我們隨時掌握逆變器下側的匯流箱以及逆變器的運行狀態，提高了監盤人員對設備告警、故障發生后的判斷反映速度，縮短了維修時間，提高了電站的運行維護效率，變相的保證了和提高了發電量，保證了電站年度運營經濟指標。