分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)原理及開發(fā)技術(shù)分析

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司甘南供電公司 吳保華 翟志成 韓詩(shī)地 李婷婷 武君君 張 鑫

近年來(lái)分布式光伏的發(fā)展速度較快，地區(qū)電網(wǎng)中并網(wǎng)的分布式光伏裝機(jī)容量也在不斷擴(kuò)大，有必要建設(shè)分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站的集中統(tǒng)一監(jiān)控。本文詳細(xì)分析了分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)原理，并對(duì)監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)技術(shù)進(jìn)行了介紹。

隨著光伏電站建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)光伏電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握光伏電站的運(yùn)行狀況，保證光伏并網(wǎng)后的電網(wǎng)安全運(yùn)行。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，構(gòu)建統(tǒng)一的分布式光伏監(jiān)控管理系統(tǒng)，能夠?qū)Σ煌瑥S商、不同類別的逆變器和其他相關(guān)電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)電站管理效率最優(yōu)化，并可以優(yōu)化分布式光伏電站的運(yùn)行，提高地區(qū)電網(wǎng)對(duì)分布式光伏的消納能力。

1 分布式光伏的發(fā)電特性

光伏電站的出力大小與光伏電池板所接收到的太陽(yáng)光照強(qiáng)度具有直接的關(guān)聯(lián)，由于太陽(yáng)光照強(qiáng)度隨著時(shí)間不斷變化，光伏的出力特性具有一定的波動(dòng)性。光伏電站的出力主要集中在白天時(shí)段，此時(shí)太陽(yáng)光照強(qiáng)度較大，故光伏電站的出力也較大。如果并網(wǎng)的光伏電站裝機(jī)容量較大，則會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)一定的沖擊，應(yīng)對(duì)分布式光伏電站進(jìn)行監(jiān)視，優(yōu)化光伏電站的運(yùn)行，提高分布式光伏的消納電量。

2 分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)原理

2.1 對(duì)分布式光伏電站進(jìn)行監(jiān)控的意義

分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)主要的功能包括光伏電站的計(jì)量、光伏功率預(yù)測(cè)等，同時(shí)通過(guò)采用分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)相應(yīng)的光伏發(fā)電裝置進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)儀器設(shè)備損壞時(shí)，能夠及時(shí)通知工程人員對(duì)相應(yīng)損壞的設(shè)備進(jìn)行維修處理，對(duì)沒(méi)有損壞的設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，很好的保障了光伏發(fā)電裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有分布式監(jiān)控采集的優(yōu)點(diǎn)，從而有效地解決現(xiàn)有光伏發(fā)電設(shè)備不能對(duì)其進(jìn)行有效的監(jiān)控，而導(dǎo)致儀器損壞時(shí)不能及時(shí)了解對(duì)其進(jìn)行維修、影響光伏發(fā)電裝置正常運(yùn)行的問(wèn)題。

此外，分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)還具有控制指令下發(fā)的功能，通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)，優(yōu)化地區(qū)電網(wǎng)中各個(gè)分布式光伏電站的運(yùn)行，其中光伏電站有功控制系統(tǒng)指令流程如圖1所示。

從圖1中可以看出，分布式光伏監(jiān)控主站平臺(tái)根據(jù)各個(gè)光伏電站的出力值，通過(guò)安全校核計(jì)算，下發(fā)各個(gè)光伏電站的出力計(jì)劃，并實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前電網(wǎng)對(duì)光伏的消納能力，從而有力保障光伏電站的運(yùn)行。

圖1 光伏電站功率控制指令流程

2.2 分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)原理

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，主要包括的模塊有光伏電池、蓄電池、控制器和逆變器等，光伏電站在運(yùn)行的過(guò)程中可靠性較高，能夠運(yùn)行的年限也較長(zhǎng)，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，應(yīng)用前景較廣。在光伏電站監(jiān)控平臺(tái)中，包括光伏發(fā)電設(shè)備數(shù)據(jù)采集單元、太陽(yáng)能輻射采集模塊、變電站數(shù)據(jù)采集模塊、通信單元等，各模塊之間應(yīng)相互連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和共享。同時(shí)采用上位機(jī)與監(jiān)控平臺(tái)中的通信單元進(jìn)行耦合，當(dāng)上位機(jī)采集到光伏電站的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)后，再傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)中，分析和診斷電站的運(yùn)行狀況，提高電站運(yùn)行的安全性。在數(shù)據(jù)采集模塊中，包括計(jì)量器、傳感器和自檢電路等。通信模塊應(yīng)支持多種不同的通信規(guī)約，保證通信模塊具有較好的互操作性。

圖2 分布式光伏集控系統(tǒng)架構(gòu)

在分布式光伏監(jiān)控單元中，各個(gè)模塊具有不同的功能，以下分別進(jìn)行分析。首先對(duì)于開關(guān)檢測(cè)儀，可以用來(lái)檢測(cè)光伏電站匯流柜、逆變器中的開關(guān)動(dòng)作次數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)等信息。對(duì)于電量計(jì)量器，可用于檢測(cè)流箱中的支路電流、電壓等信息。這些模擬量數(shù)據(jù)信息采集完畢之后，就可以按照相關(guān)的通信規(guī)約傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行解析，并還原為真實(shí)的數(shù)據(jù)，利用可視化技術(shù)展示在光伏電站的運(yùn)維人員面前，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

3 分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)技術(shù)分析

3.1 監(jiān)控平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過(guò)分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)，可以將各個(gè)分布式光伏電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇刂浦行模瑢?shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中監(jiān)視和控制，分布式光伏集控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。在整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)的搭建過(guò)程中，需要采用到包括路由器、交換機(jī)等多種類型在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信組網(wǎng)和數(shù)據(jù)信息交互。

分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)可以分為主站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)和傳輸通道等，可以完成對(duì)分布式光伏電站的遙信、遙測(cè)、遙控和遙調(diào)等功能。從圖2可知，各個(gè)分布式光伏子站群通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行模瑢?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信組網(wǎng)。利用光伏電站監(jiān)控平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)分布式光伏電站運(yùn)行設(shè)備的操作和控制。

3.2 分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)設(shè)計(jì)

分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)可以采用分層分布式的結(jié)構(gòu)，在平臺(tái)開發(fā)的過(guò)程中，應(yīng)遵循一定的原則，如應(yīng)充分利用現(xiàn)有的資源、降低工程的造價(jià)成本、通信系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性要求運(yùn)行要求等。

在開發(fā)分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，主要包括監(jiān)控模塊和感應(yīng)模塊等模塊。感應(yīng)模塊主要負(fù)責(zé)采集分布式光伏電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，兩大模塊中的數(shù)據(jù)信息都可以在計(jì)算機(jī)群組平臺(tái)上展示、分析和處理。其中，在對(duì)監(jiān)控模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以采用單片機(jī)作為核心處理模塊，能夠以較為輕巧的方式實(shí)現(xiàn)程序邏輯分析和判斷的功能。

硬件電路設(shè)計(jì)完畢之后，在監(jiān)控平臺(tái)的搭建中還涉及到軟件部分，應(yīng)設(shè)計(jì)好程序開發(fā)流程圖，并可以采用持續(xù)集成理論，開發(fā)分布式光伏監(jiān)控平臺(tái)中的軟件部分。在對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該采取模塊化的設(shè)計(jì)思想，對(duì)軟件開發(fā)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊都分別確定各自的實(shí)現(xiàn)算法，并保證各個(gè)模塊之間具有良好的軟件交互性，保證整個(gè)軟件系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作。在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)軟件系統(tǒng)中的各個(gè)數(shù)據(jù)流向進(jìn)行分析。其次，在軟件開發(fā)項(xiàng)目管理中，在對(duì)軟件的各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試的階段，應(yīng)保證各個(gè)模塊都達(dá)到了預(yù)期的目的，各個(gè)軟件模塊之間具有良好的軟件交互性。

3.3 監(jiān)控平臺(tái)中的網(wǎng)絡(luò)通信及安全防護(hù)技術(shù)

分布式光伏電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息需要借助通信數(shù)據(jù)網(wǎng)才能傳輸?shù)奖O(jiān)控主站平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)視和操作控制。在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的構(gòu)建中，應(yīng)合理分配各個(gè)分布式光伏電站的網(wǎng)絡(luò)通信地址，并設(shè)置好相應(yīng)的互聯(lián)通信地址，不應(yīng)出現(xiàn)地址沖突導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信中斷的事件發(fā)生。在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的架構(gòu)方面，可以分為接入層、匯聚層和核心層等，保證網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的層次清晰。在監(jiān)控平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)路由的構(gòu)建中，將降低各個(gè)分布式光伏電站對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由的消耗，提高網(wǎng)絡(luò)通信的性能和速率，降低網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包的數(shù)量，保障網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定，使得監(jiān)控平臺(tái)能夠可靠對(duì)各個(gè)分布式光伏電站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。

同時(shí)，由于分布式光伏電站可以采用無(wú)線通信技術(shù)和監(jiān)控主站平臺(tái)相互通信，故存在著較大的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保證監(jiān)控平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)安全，需要采取相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全控制措施，如數(shù)據(jù)信息加密技術(shù)、防火墻技術(shù)、邏輯隔離、訪問(wèn)控制、安全審計(jì)和入侵檢測(cè)等網(wǎng)絡(luò)安全保障技術(shù)。隨著分布式光伏的進(jìn)一步發(fā)展，分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)的技術(shù)水平將會(huì)直接影響分布式光伏的大規(guī)模應(yīng)用，故今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用研究。

結(jié)論：隨著分布式光伏電站的數(shù)量不斷增多，為了保證電網(wǎng)運(yùn)行安全，需要通過(guò)分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)各個(gè)分布式光伏電站進(jìn)行監(jiān)視。本文系統(tǒng)分析了分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)的原理和具體的開發(fā)技術(shù)，對(duì)于提高分布式光伏電站監(jiān)控平臺(tái)的技術(shù)水平具有一定的價(jià)值。