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

國網(wǎng)甘肅省電力公司甘南供電公司 吳保華 翟志成 韓詩地 李婷婷 武君君 張 鑫

近年來分布式光伏的發(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，實現(xiàn)對光伏電站的集中統(tǒng)一監(jiān)控。本文詳細(xì)分析了分布式光伏電站監(jiān)控平臺的實現(xiàn)原理，并對監(jiān)控平臺的開發(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)實現(xiàn)對并網(wǎng)光伏電站的實時監(jiān)控，掌握光伏電站的運行狀況，保證光伏并網(wǎng)后的電網(wǎng)安全運行。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行，提高地區(qū)電網(wǎng)對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光照強度具有直接的關(guān)聯(lián)，由于太陽光照強度隨著時間不斷變化，光伏的出力特性具有一定的波動性。光伏電站的出力主要集中在白天時段，此時太陽光照強度較大，故光伏電站的出力也較大。如果并網(wǎng)的光伏電站裝機容量較大，則會給電網(wǎng)帶來一定的沖擊，應(yīng)對分布式光伏電站進(jìn)行監(jiān)視，優(yōu)化光伏電站的運行，提高分布式光伏的消納電量。

2 分布式光伏電站監(jiān)控平臺的實現(xiàn)原理

2.1 對分布式光伏電站進(jìn)行監(jiān)控的意義

分布式光伏電站監(jiān)控平臺主要的功能包括光伏電站的計量、光伏功率預(yù)測等，同時通過采用分布式光伏電站監(jiān)控平臺，對相應(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，能夠及時通知工程人員對相應(yīng)損壞的設(shè)備進(jìn)行維修處理，對沒有損壞的設(shè)備進(jìn)行及時維護(hù)，很好的保障了光伏發(fā)電裝置的安全穩(wěn)定運行，具有分布式監(jiān)控采集的優(yōu)點，從而有效地解決現(xiàn)有光伏發(fā)電設(shè)備不能對其進(jìn)行有效的監(jiān)控，而導(dǎo)致儀器損壞時不能及時了解對其進(jìn)行維修、影響光伏發(fā)電裝置正常運行的問題。

此外，分布式光伏電站監(jiān)控平臺還具有控制指令下發(fā)的功能，通過監(jiān)控平臺，優(yōu)化地區(qū)電網(wǎng)中各個分布式光伏電站的運行，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)控主站平臺根據(jù)各個光伏電站的出力值，通過安全校核計算，下發(fā)各個光伏電站的出力計劃，并實時計算當(dāng)前電網(wǎng)對光伏的消納能力，從而有力保障光伏電站的運行。

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)控平臺的實現(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，光伏電站在運行的過程中可靠性較高，能夠運行的年限也較長，不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，應(yīng)用前景較廣。在光伏電站監(jiān)控平臺中，包括光伏發(fā)電設(shè)備數(shù)據(jù)采集單元、太陽能輻射采集模塊、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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和共享。同時采用上位機與監(jiān)控平臺中的通信單元進(jìn)行耦合，當(dāng)上位機采集到光伏電站的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)后，再傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺中，分析和診斷電站的運行狀況，提高電站運行的安全性。在數(shù)據(jù)采集模塊中，包括計量器、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，各個模塊具有不同的功能，以下分別進(jìn)行分析。首先對于開關(guān)檢測儀，可以用來檢測光伏電站匯流柜、逆變器中的開關(guān)動作次數(shù)和運行狀態(tài)等信息。對于電量計量器，可用于檢測流箱中的支路電流、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)控平臺進(jìn)行解析，并還原為真實的數(shù)據(jù)，利用可視化技術(shù)展示在光伏電站的運維人員面前，實現(xiàn)對光伏電站的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

3 分布式光伏電站監(jiān)控平臺的開發(fā)技術(shù)分析

3.1 監(jiān)控平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過分布式光伏電站監(jiān)控平臺，可以將各個分布式光伏電站的運行數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇刂浦行模瑢崿F(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。在整個監(jiān)控平臺的搭建過程中，需要采用到包括路由器、交換機等多種類型在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實現(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，可以完成對分布式光伏電站的遙信、遙測、遙控和遙調(diào)等功能。從圖2可知，各個分布式光伏子站群通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行?，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信組網(wǎng)。利用光伏電站監(jiān)控平臺，可以實現(xiàn)對各個分布式光伏電站運行設(shè)備的操作和控制。

3.2 分布式光伏電站監(jiān)控平臺的開發(fā)設(shè)計

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

在開發(fā)分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)時，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行數(shù)據(jù)信息，兩大模塊中的數(shù)據(jù)信息都可以在計算機群組平臺上展示、分析和處理。其中，在對監(jiān)控模塊進(jìn)行設(shè)計的過程中，可以采用單片機作為核心處理模塊，能夠以較為輕巧的方式實現(xiàn)程序邏輯分析和判斷的功能。

硬件電路設(shè)計完畢之后，在監(jiān)控平臺的搭建中還涉及到軟件部分，應(yīng)設(shè)計好程序開發(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)控平臺中的軟件部分。在對軟件系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該采取模塊化的設(shè)計思想，對軟件開發(fā)系統(tǒng)中的各個模塊都分別確定各自的實現(xiàn)算法，并保證各個模塊之間具有良好的軟件交互性，保證整個軟件系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作。在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)對軟件系統(tǒng)中的各個數(shù)據(jù)流向進(jìn)行分析。其次，在軟件開發(fā)項目管理中，在對軟件的各個模塊進(jìn)行測試的階段，應(yīng)保證各個模塊都達(dá)到了預(yù)期的目的，各個軟件模塊之間具有良好的軟件交互性。

3.3 監(jiān)控平臺中的網(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，實現(xiàn)對分布式光伏電站運行數(shù)據(jù)信息的實時監(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)控平臺網(wǎng)絡(luò)路由的構(gòu)建中，將降低各個分布式光伏電站對網(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)控平臺能夠可靠對各個分布式光伏電站進(jìn)行實時監(jiān)視和控制。

同時，由于分布式光伏電站可以采用無線通信技術(shù)和監(jiān)控主站平臺相互通信，故存在著較大的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險。為了保證監(jiān)控平臺的網(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、訪問控制、安全審計和入侵檢測等網(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)控平臺的技術(shù)水平將會直接影響分布式光伏的大規(guī)模應(yīng)用，故今后應(yīng)加強對分布式光伏電站監(jiān)控平臺開發(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)運行安全，需要通過分布式光伏電站監(jiān)控平臺，對各個分布式光伏電站進(jìn)行監(jiān)視。本文系統(tǒng)分析了分布式光伏電站監(jiān)控平臺的原理和具體的開發(fā)技術(shù)，對于提高分布式光伏電站監(jiān)控平臺的技術(shù)水平具有一定的價值。