智能化光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

顧 超 ，宋樹平 ，方 凱

（1.蘇州供電公司虞東變電運維班，江蘇 蘇州 215000；2.常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215506）

0 引言

隨著世界能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和人類對環(huán)境問題的重視[1-2]，太陽能憑借資源豐富、布局靈活的優(yōu)勢，成為當(dāng)今新能源發(fā)展的主流，當(dāng)前越來越多的光伏電站投入運營[3]。光伏電站的可靠運行，需要匯流箱、逆變器等設(shè)備在無故障狀態(tài)下運行，對光伏設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測十分重要。目前，光伏電站主要采用人工定期檢查、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的方式對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測[4]。由于人力資源有限及傳統(tǒng)光伏監(jiān)測系統(tǒng)智能化不足，這兩種方式都存在光伏陣列監(jiān)測不足、遇到故障時無法快速定位的問題[5]。

在此背景下，本文對某企業(yè)屋頂光伏電站的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了智能化設(shè)計。該監(jiān)控系統(tǒng)為光伏電站匯流箱、逆變器等設(shè)備配備通信模塊，利用RS485總線與各通信模塊相連，將運行數(shù)據(jù)傳輸至上位機，并利用組態(tài)軟件在上位機建立監(jiān)控界面，對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)光伏電站運行狀態(tài)實時動態(tài)監(jiān)測，設(shè)備故障時上位機通過監(jiān)控界面發(fā)出報警信號，提高了光伏電站的安全性[6]。

1 光伏電站布局

企業(yè)廠區(qū)4個屋頂被分成A、B、C、D四個光伏發(fā)電區(qū)域，采用集中式和分布式相結(jié)合的方式發(fā)電。C區(qū)廠房面積較大且自用電較少，故對C區(qū)廠房采用集中式結(jié)構(gòu)，根據(jù)工廠屋頂面積配置與之相對應(yīng)的光伏面板，并以20路為一組接入直流匯流箱，匯流箱的電流輸入到集中式逆變器。A、B、D區(qū)采用分布式結(jié)構(gòu)，使用組串式逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流后直接并入電網(wǎng)，最后再將四個區(qū)域通過交流電纜將電流輸送至并網(wǎng)柜。

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

為了能夠在光伏設(shè)備發(fā)生故障時快速定位故障點，在硬件上選用智能型的匯流箱、逆變器；使用組態(tài)軟件構(gòu)建一個界面，將每個智能元器件在界面上顯示出來，通過RS485總線將數(shù)據(jù)匯總到機柜串口后，通過光纖與上位機進(jìn)行連接從而實現(xiàn)監(jiān)視功能。該系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)控的同時，可進(jìn)行簡單、直觀的人機交互。其中，數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控和簡單的數(shù)據(jù)分析由各種智能元器件來實現(xiàn)，人機交互通過組態(tài)軟件實現(xiàn)；在組態(tài)軟件中建立監(jiān)控界面，將實時數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中進(jìn)行分析處理，兩者之間的連接通過建立在C區(qū)的串口機柜實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

設(shè)備故障時報警設(shè)計方案如下：在監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)有報警裝置，當(dāng)光伏面板發(fā)電量低于正常值便會發(fā)出報警信號。晴天時，軟件系統(tǒng)及時響應(yīng)所有的故障告警信號；陰雨天，軟件屏蔽逆變器孤島保護(hù)及回流量0 A電流輸入的告警，但是響應(yīng)其他的告警；晚上不響應(yīng)任何故障告警。

根據(jù)上述設(shè)定，采用一臺通過GPS校時的上位機電腦，查詢當(dāng)?shù)貧v史平均每個月或者每10天，日出、日落的時間。超出日出、日落范圍的時間認(rèn)為是晚上，不響應(yīng)故障告警；在該范圍內(nèi)的時間認(rèn)為是晴天，響應(yīng)所有故障告警。此外，由于軟件算法很難計算陰雨、多云、低光照強度的天氣，因此，該工作由值班人員完成。軟件提供功能開關(guān)，值班人員可以在陰雨天氣，關(guān)閉孤島保護(hù)和0 A電流輸入的告警。

3 硬件選型

3.1 直流匯流箱

直流匯流箱需要監(jiān)視各個光伏面板的輸出電流，當(dāng)任意一個回路發(fā)生電流故障，該模塊提供報警信號。另外，匯流箱要采集保護(hù)斷路器的觸點信號，了解該斷路器的位置，在發(fā)生跳閘后需要第一時間送出信號。因此，直流匯流箱選用常熟開關(guān)制造有限公司生產(chǎn)的CXPV-16/Z光伏直流匯流箱。

3.2 逆變器

根據(jù)設(shè)計要求，逆變器需提供遠(yuǎn)程控制功能，并且發(fā)生故障時，能夠第一時間輸出報警信號。因此選用兩種型號的逆變器，一種為CS1并網(wǎng)型光伏逆變器。該型號逆變器具有較多的通信接口和遠(yuǎn)程控制功能，且輸入電壓范圍寬，使其適用于小型組串低壓設(shè)備[7]。另一種選用SUN2000-60KTL-M0組串式逆變器。這種型號的組串式逆變器基于模塊化的設(shè)計，能夠減少電池組件最佳工作點不匹配逆變器的情況，大幅增加發(fā)電量。

4 軟件開發(fā)

利用Riyear-PowerNet系統(tǒng)設(shè)計該光伏電站的工業(yè)現(xiàn)場信息。采集到的元器件數(shù)據(jù)用Riyear-PowerNet系統(tǒng)進(jìn)行儲存，建立歷史及實時數(shù)據(jù)庫，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，利用存儲的數(shù)據(jù)對故障進(jìn)行分析定位。

4.1 軟件結(jié)構(gòu)

智能硬件系統(tǒng)通過Modbus驅(qū)動程序與上位機相連接，人機界面就可以顯示設(shè)備數(shù)據(jù)的記錄、數(shù)據(jù)報警等，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)

4.2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

首先，添加組態(tài)，選用常熟開關(guān)設(shè)備制造有限公司的兩種I/O組態(tài)；其次，為了能夠讀取數(shù)據(jù)，需要定義好數(shù)據(jù)庫；其三，定義中間變量。在定義數(shù)據(jù)庫變量之前，需要先確定設(shè)備類型和設(shè)備模塊，數(shù)據(jù)由Modbus標(biāo)準(zhǔn)命令采集，存儲在各種寄存器中，便于軟件讀取數(shù)據(jù)。在設(shè)備配置中根據(jù)相關(guān)要求設(shè)置設(shè)備地址、串口編號以及相關(guān)通信參數(shù)。數(shù)據(jù)庫變量的作用域包括整個應(yīng)用程序[8]。定義數(shù)據(jù)庫即定義地址，將變量與對應(yīng)的設(shè)備連接起來。此時，在進(jìn)行連接時就可以依靠事先設(shè)定好的地址，準(zhǔn)確地找到想要的數(shù)據(jù)[9]。

當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障，經(jīng)過軟件判斷需要給予響應(yīng)時，第一時間切換至該設(shè)備的故障界面，同時播放報警聲音。逆變器發(fā)生故障時，系統(tǒng)主界面顯示區(qū)域閃爍，使值班人員能夠快速定位故障發(fā)生區(qū)域，系統(tǒng)故障報警顯示如圖3所示。

圖3 故障報警

4.3 軟件運行流程

首先啟動軟件，加載完成軟件基本環(huán)境后，TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連通，連接完成后初始化各個串口，根據(jù)地址向硬件設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。如果發(fā)送失敗，則再連續(xù)嘗試發(fā)送三次，如果仍然未能發(fā)送成功，則判斷該臺設(shè)備離線；如果成功，在智能設(shè)備接收數(shù)據(jù)信息后，將自身數(shù)據(jù)回饋至上位機，軟件接收數(shù)據(jù)后存入實時數(shù)據(jù)庫，并在人機界面讀取數(shù)據(jù)。將各個串口互相連接通信并將歷史數(shù)據(jù)加載讀取。如果智能設(shè)備出現(xiàn)故障，將向系統(tǒng)發(fā)送故障數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)定義好的算法判斷設(shè)備的故障類型，在界面上顯示報警區(qū)域，在故障解除之后軟件系統(tǒng)回到正常狀態(tài)[10]。流程圖如圖4所示。

圖4 軟件運行流程

5 結(jié)束語

毋庸置疑，設(shè)備監(jiān)測對光伏電站的安全運行、管理具有重要意義。為了便于電站智能化、精細(xì)化管理，本文設(shè)計并開發(fā)了光伏電站智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對光伏電站的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后利用RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸至上位機；隨后，利用Riyear-PowerNet軟件把電站的歷史和實時運行數(shù)據(jù)建成數(shù)據(jù)庫。基于此，該軟件實現(xiàn)對電站的實時、在線監(jiān)測。光伏設(shè)備發(fā)生故障時，監(jiān)測系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析，可以快速、準(zhǔn)確地定位故障位置。該監(jiān)測系統(tǒng)有效保障了光伏電站的可靠運行和集中管理。