基于Web 平臺的光伏電站預警監控系統設計與分析

田 亮

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

隨著近年來油價上漲、化石燃料開采對環境的污染加劇以及全球經濟危機對低成本能源的需求，光伏發電產業迅速發展［1］。光伏電站具有區域分散大、各地環境造成發電效能差異大等特點。用戶或電力公司需將分散在各個地方的光伏電站納入統一的監控系統進行集中管理。在這種新的模式下，開發一種可以根據用戶的電能需求和電站運行成本來監管和控制光伏電站發電的集成系統尤為重要［2］?，F有解決方案是基于CAN、LabVIEW、MCGS 等各種控制程序的電網控制系統［3-5］。但由于各光伏電站都配備了各自的技術運行和管理人員，各電站之間缺乏有效協調與監控。且不同品牌、不同容量、不同型號的逆變器設備缺乏集中監測和統一管理，難以實現不同區域范圍內多座電站的遠程集中監測。另外，為有效應對電站的突發狀況，也亟須設計和開發一種實時性強、運行穩定、界面友好、操作簡單、智能化程度高的光伏電站監控系統。

設計一套由分布式傳感器、數據采集、分析軟件和執行器組成的監控系統，可監測與分析光伏系統設備的運行參數。采用多通道通信方式，保證信息傳遞、數據分析、能源生產控制、視頻監控管理等功能的有效性。

1 監控系統構成

監控系統由嵌入式終端主機、攝像頭、逆變器、穿線盒、輻射傳感器、調制解調器等設備組成，系統集成如圖1 所示。嵌入式終端主機是實現監控系統的主要硬件設備，主要用于監控逆變器和輻射傳感器［6］。

圖1 系統集成

逆變器可以將光伏太陽能板產生的可變直流電壓轉換為市電頻率交流電，可以反饋回商用輸電系統，或是供離網的電網使用。本系統逆變器選用固德威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。

調制解調器是嵌入式終端主機與本地網的中繼傳輸設備，由發送、接收、控制、接口及電源等部分組成?？梢詫碜越K端主機光信號進行調制與解調。其光波長為1 310 nm，發送光功率不小于－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，用戶可根據實際需要自行選擇。

穿線盒是介于太陽能電池方陣和太陽能充電控制裝置之間的連接裝置，由盒體、線纜及連接器3 部分構成，其主要作用是連接和保護太陽能光伏組件，將太陽能電池產生的電力與外部線路連接，傳導光伏組件所產生的電流。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%（無凝結），防水等級為IP65，連接線直徑為4 mm。

輻射傳感器用于測量太陽的短波輻射量，其利用硅光探測器產生一個正比于入射光的電壓輸出信號，為了減小余弦誤差，在儀器內安置一個余弦修正器，該輻射計可直接與數字電壓表或數采器相連，進行輻射強度的測量。選用TBQ-2C 型熱電型總輻射傳感器，其測量波長范圍為300～3 200 nm，測量輻射強度范圍0～2 000 W／m2。

溫度傳感器具有定點數據上傳功能，以無線發射電臺為通信平臺，具有不受地理限制、穩定、可靠和成本低等優點。選用2 組NTC 型Pt100 鉑熱電阻溫度傳感器測量光伏組件的溫度。工作溫度為-20～60 ℃，天線阻抗為50 Ω，測量范圍為-200～400 ℃，熱響應時間<30 s，允許通過的最大電流為5 mA，傳感器具備穩定性好、抗震動、耐高壓等特點［4］。

能量計數器能夠檢測溫度傳感器上的異常變化，且能夠自動校準電流和電壓通道，ADE9153B1型能量計數器是一款高精度、單相能量計量，具有傳感器監控和自動校準。

由于不同電站的裝機規模、所處環境以及電網接入要求各不相同，主要部件的配置可根據不同電站實際需求進行選型。監控系統主機對逆變器輸出的相電壓、線電壓、相電流、功率、功率因數、電量、頻率和開關狀態量等參數進行數據采集，同時通過溫度傳感器采集實際運行陣列周圍的空氣溫度，通過輻射傳感器采集太陽短波輻射量，通過攝像頭監測警戒區域，并進行在線氣候數據分析和產能預警［7］，對異常情況及時報警。以上主要部件均通過調制解調器與主機進行數據通信。

由于光伏產能主要受光照輻射、面板溫度的影響，因此，監控系統可通過與上述的信息存儲組件集成，在預期產能和實際產能間存在顯著差異時發出警告。主機與網站平臺進行聯絡，以供運行人員實時監控電站運行狀態。

2 監控系統主機配置

監控系統采用嵌入式PC 平臺，Linux 操作系統［8］。軟件開發平臺為LabVIEW2011，通信方式用xml 格式文件進行描述。數據采集卡的驅動程序為NI-DAQmx9.4，利用LabSQL 數據庫工具包對采集數據進行管理，即完成了數據的保存、查詢、修改、刪除等功能［9］。具有采集數據精度高、系統運行穩定、界面友好、操作簡單、實時性強等優勢。

監控系統組成：1 個數據記錄器，用于從光伏發電廠設備收集數據；1 個控制器，用于修改植入行為；1 個xml 數據庫，用于存儲數據，數據庫具有報警處理、數據分析、視頻監控和數據維護功能，通過信息轉換模塊向系統用戶傳輸信息。

監控系統整體架構如圖2 所示。數據記錄器處理與光伏植入系統之間的通信支持TCP／IP 和RTU版本的MODBUS 協議。在有網絡覆蓋的區域，可以通過英特網建立有線或無線連接；在無網絡覆蓋區域，可以通過RS232／485 和USB 建立連接。

圖2 監控系統

控制器通過MODBUS 協議與光伏植入物進行交互，可接收來自用戶或上級網格控制系統的命令。如能源過剩時，根據電網控制要求減少注入電網的能量；當處理程序請求以不同于正常的相位向網絡中注入電流時，可重新對網絡進行相位調整?？刂破髂軌蜓杆夙憫獠棵?，使系統實時與智能電網建立通信。

數據庫從數據記錄器和其他模塊收集數據。模塊間交換的所有數據使用xml 格式，數據分析模塊可提供來自原始數據的聚合數據：最小值、最大值、平均值、方差和瞬時值。

數據分析模塊可將太陽輻射實測數據和公共數據庫提供的預期數據進行比較［10］。報警處理程序驗證每個參數是否在xml 配置文件指定的約束內。維護模塊自檢警報功能是否正常，并驗證是否執行了警報程序所需的每個步驟。視頻監控模塊可處理植入部位的攝像機，并提供防盜功能。

3 系統功能實現

光伏電站監控系統的信息傳輸模塊將來自監控系統的所有信息傳輸到用戶。上述信息在網絡平臺上發布，如果報警，會及時通過短信和郵件通知用戶，并在網絡界面上更改顏色。圖3 為用于發布信息和與用戶交互的Web 界面。

圖3 操作界面

3.1 電站運行能力分析

監控系統控制器（如圖2 所示）中嵌入智能導軌表，采集精度相對逆變器精度有明顯提高，誤差可控制在千分級，使數據更加有可信度。可將采集的系統電壓、電流信號送入能量計數器，進而對采樣信號進行計算轉換為電壓、電流、功率和電能等電參量。導軌表采集當前的電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數等運行參數，可通過GPRS 通信模組上傳至Web監控平臺［11-13］。實時顯示日發電量、總發電量、機內溫度、總有功功率等電參數。當上報數據超過設定值時，Web 平臺告警或平臺發起遠程跳閘命令并聯動運維系統通知運維人員現場排查。

3.2 電站維護

光伏面板通過表面溫度傳感器采集系統參數。由于光伏面板效率隨著溫度的升高而降低，為有效監控光伏面板的工作效率，監控系統需采集2 個重要參數： 一是當電池板溫度與太陽輻射產生熱量發生異常時，采集電池板故障的發生頻次數據；二是預期發電量與實際發電量的誤差值。

采集光伏組件溫度時，在緊貼光伏組件處外接2組溫度傳感器。據現場檢測，在晴天13∶00 左右，光伏組件溫度最高，可達50 ℃左右。當溫度超過設定值60 ℃時，控制器平臺預警；若溫度繼續升高至溫度上限75 ℃時，控制器發起遠程跳閘命令并聯動運維系統通知運維人員現場排查。

3.3 電站安全遠程監控

監控系統具有一組自動重合閘斷路器控制接口，可接受主站的命令，當出現異?；蚱渌枰藶殛P斷、合閘的情況時，可遠程對自動重合閘斷路器進行控制。具有3 組電壓檢測功能，分別檢測進線斷路器負載端、自動重合閘負載端電壓，判斷電表箱中重要元器件的運行狀態是否正常。同時，監測逆變器實時電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數等運行參數。當上報數據超過設定值時，Web 平臺告警或平臺發起遠程跳閘命令并聯動運維系統通知運維人員現場排查。

3.4 電站集中管理

監控系統對不同級別的用戶賦予了不同權限，從而保證系統在運行過程中的安全性和可靠性。除需要操作員級用戶輸入操作口令外，還需要監護人或工程師級用戶輸入確認口令后方可完成該操作。

4 結語

設計一套監控系統，可利用現有的通信網絡與光伏電站的設備進行集成?？蓪崿F不同區域范圍內多座電站的遠程集中監測，為現有離網電站的管理和后續電站的建設提供了有力支撐。

監控系統可以實時監測上傳系統數據，當偏離正常范圍時，系統進行預警或者關斷操作，避免事故發生；引入智能導軌表，采集精度相對逆變器精度有明顯提高，誤差可控制在千分級，使數據更加有可信度；由于導軌表可實時監測各電氣元件的運行狀態和電壓等參數，當故障發生之后，可通過歷史記錄查詢故障時間段內，系統中各元件的參數，精確分析故障原因和故障點。對光伏電站的性能評估和優化電站設計起到很好的指導作用。

同時，系統后端可準確進行故障預警和故障分析處理，同時可實現遠程升級功能。避免依靠人工反復趕往現場進行維護和管理，減少了大量的人力和物力浪費，節省了運維成本。