光伏電站通訊裝置故障技改方案

國家電投河北電力有限公司承德分公司 高新杰

光伏電站匯流箱是大型光伏電站最基本的電量匯集單元，匯流箱監測單元作為核心部件不僅負責采集箱內電量、溫度及開關量，還要對匯流箱進行故障診斷，最終將這些采樣數據及故障診斷結果通過485通訊上送到44后臺供用戶決策。因為受到光伏組件及匯流箱體的遮蔽且受到支架上接閃器的保護，所以監測單元不會遭受直擊雷的損壞，只會受到強烈雷電電磁脈沖的侵襲。雖然箱內具有電源防雷器及通訊防雷器來應對雷電電磁脈沖的侵襲，但是監測單元依然經常發生強弱電模塊之間的絕緣被擊穿或RS485通訊模塊失效的現象，這種情況無論對用戶還是廠家而言都造成巨大的損失。針對光伏匯流箱監測單元的常見雷擊事故進行詳細分析并提出相應改進措施。

1 現狀分析

監控工程屬于前期施工，監控錄像機由IPC網絡攝像頭來組成，整體架構屬于兩臺DVR監控錄像機通過網絡來管理錄取圖像。整體監控產品施工沒有問題，且因網絡監控和光伏網絡數據通訊兩條網絡數據通過一條環網光纖合并在同一個交換機上，造成網絡監控延時、網絡通訊故障頻發。

問題分析：現有有6臺攝像機無視頻圖像，部分視頻監控遇雷擊、防雷模塊損壞，部分光收發器損壞。1號逆變器室與2號逆變器室視頻監控光收發器損壞，插到交換機之后造成主控后臺通訊癱瘓，拔掉視頻監控網線主控后臺通訊恢復正常。分析原因，屬于視頻監控故障造成主控后臺通訊癱瘓，因為網絡視頻監控通訊和光伏網絡數據通訊在同一條光纖下，所以造成主控后臺整體癱瘓無數據。

解決方案：對于現有網絡拓撲結構進行從新升級改造，網絡攝像頭與光伏網絡通訊分開走網，使雙方通訊配置互不干擾，既大大增加雙方帶寬又提高通訊的穩定性。站內監控主交換機采用核心光交換機，12光、12電口、三層交換、支持VLAN、背板帶寬充分，采用SFP插拔光模塊。局端用光纜熱熔接，降低損耗。局端采用2光4電千兆光交換機。SFP模塊對端使用。網絡結構優化簡潔美觀，故障率降低，交換機均為千兆模塊口，加電口，帶寬每口均大于或等于1.25G。交換機均為工業級產品，耐高溫、壽命長、容錯率低、帶糾錯、電源適應范圍寬。多電口備用，為增加擴展做容量。

2 原因分析

絕緣擊穿事故分析。由于電壓監測模塊用于監測母線電壓，額定電壓值為1000VDC，故屬于強電部分，而RS485通訊模塊則屬于弱電部分，從設計布局來看強弱電模塊之間本身具有6kV的耐壓能力。根據《CGC/GF002：2010光伏匯流箱技術規范》要求，電源防雷標稱放電電流In應大于等于20kA，電壓保護水平小于4kV。匯流箱內的電源防雷器由三個模塊構成，分別為電源防雷+、電源防雷-、電源防雷PE，三個模塊形成正對負、正對地、負對地三種保護模式。如果電源防雷器起到保護作用將殘壓限制到4kV，那么電壓監測模塊與通訊模塊之間的絕緣是不應被擊穿的，但事實并非如此。

造成強弱電模塊絕緣擊穿的原因分如下：在光伏電站中接地電阻不超過4Ω，假設匯流箱正極遭受雷電電磁脈沖侵襲，此時電源防雷+和電源防雷PE動作。實際工程中一般不大于20kA，則電源防雷+和電源防雷PE之間的電壓不應超過電壓保護水平。匯流箱遭受雷電電磁脈沖侵襲后很多監測單元上電壓測量模塊與485通訊模塊之間的絕緣被擊穿。當RS485總線上遭受雷擊時，由于TVS管動作時間小于等于1ps，而陶瓷氣體放電管動作時間小于等于100ns，故TVS管先于陶瓷氣體放電管動作。針對通訊裝置元器件燒損與匯流箱檢測模塊失效的現象問題，目前產品主要有網絡避雷器和信號避雷器，光伏發電站逆變室的通訊裝置與匯流箱檢測模塊RS485通訊線之間，選用信號避雷器能起到對通訊裝置保護。

表1 避雷器參數

3 光伏電站通訊裝置故障解決措施

定期檢查參數設置。一般匯流箱通訊參數主要涉及到站地址、波特率及通訊協議，其中匯流箱通訊參數地址根據上位機定義進行一系列的設置，如1號匯流箱可以設置為01，依次進行類推；波特率需要根據匯流箱說明書進行科學性的選擇設置，一般波特率為9600；通訊協議需要依據設備說明書具體情況進行合理性的設置，一般選擇modbus通訊協議。由此可見，定期檢查參數設置可以確保光伏電站通訊裝置穩定的運行，也是確保光伏裝置功能得到有效發揮。

通訊電纜接線檢查。匯流箱RS-485通訊組網進行連接時，僅需將A、B、屏蔽層接至端子排對應端子即可，且滿足以下要求：通訊電纜需要用雙絞，目的為了有效地屏蔽電纜，端子屏蔽層也要利用有效的方式剝離干凈，為了保證通訊端子螺絲可以直接壓接在屏蔽層，減少通訊線虛接現象的發生；通訊電纜屏蔽層應連續，通訊電纜需要利用菊花鏈即手拉手的方式進行連接，屏蔽層之間也要可靠連接在一起且屏蔽層必須接大地；A、B接線時一定要認真進行檢查以及核實，避免接反現象的出現，A與B主要是雙絞接線；485通訊網絡接線必須采用菊花鏈即手拉手方式，不能采用星形。

4 逆變器室交換機故障技改方案

網絡設備涉及到的防雷工作也是當下亟需解決的問題，由于夏季雷雨天氣比較頻繁，也使增加網絡運營設備對雷電防御難度系數不斷增加，也是促進交換機防雷相關方案的不斷優化，有利于降低雷擊帶來不必要的損失。

表2 網絡電源二合一避雷器參數

通過對太網交換機在具體實際工程使用進行針對性的研究，可找到雷電造成設備故障的兩方面因素：一方面，電源線以及雙絞線對雷電敏感度高以及兩者和雷電產生一定程度的感應，也造成設備不同程度的損害；另一方面，雷電電流滲到地面過程中，接地電阻的存在造成嚴重的壓降現象，迫使地電位不斷升高，反向擊穿設備。為此，嚴格遵循相關國內外優秀的防雷標椎，對網絡交換機采取行之有效的防雷保護措施。針對逆變器室交換機故障問題，目前產品主要有網絡電源二合一避雷器，如光伏發電站逆變室的交換機故障，選用網絡避雷器能起到對電站逆變室交換機的保護作用。