iP9000系統在密云光伏電站監控系統改造中的應用

史小杰，谷亞飛，張宏艷

（1.北京華電水電有限公司,北京 101500；2.北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

華電（北京）新能源發展有限公司所轄光伏電站占地約54 hm2，共有集中式光伏裝機容量20 MW，包含地面固定式、單軸跟蹤式及雙軸跟蹤式；分布式光伏裝機容量0.3 MW，包含屋頂分布式、車棚分布式及農業大棚分布式。發電系統由8萬塊多晶硅光伏組件產生直流電，經375臺匯流箱送至直流配電柜，經42臺逆變器逆變為符合電網要求的交流電能后，再經過21臺箱式變壓器升壓至10 kV，由4條線路送出至太子務及統軍莊變電站。電站設計年度發電量2 500萬kW時，減排標煤8 750 t，減排二氧化碳25 000 t，為北京市第一個投產的大型地面光伏電站項目、北京市荒灘治理示范項目、北京市節能減排示范項目。

電力監控系統中接入逆變器、匯流箱、箱變及開關、線路高壓柜的各種模擬量及開關量信號，實現對這些設備的監視及控制。原電力監控系統是由深圳市金宏威技術股份公司開發的PVS2000（V1.0）綜合自動化系統，至今已運行超過10年。由于原電力監控設備老化、數據通信不穩定，經常會發生死機問題，操作邏輯不清晰，報表計算需要大量時間等問題，且不符合如今電站安全要求等因素，同時為了滿足電力監控系統與調度數據網接入需要，對原監控系統整體進行替換、改造。改造采用北京中水科水電科技開發有限公司（以下簡稱“中水科技”）自主研發的iP9000智能一體化平臺作為華電密云光伏電站的全分布開放式網絡控制系統，實現對電站整體進行信號數據監控、數據整合分析、統一運行維護等。

1 系統結構

基于iP9000智能一體化平臺建設的電站監控系統整體結構采用開放式分層分布結構，按功能和地理分布劃分為站控層及現地層，在現地層和站控層間采用加密通信方式，保證了數據的完整性和安全性，大大加強了電站整體數據的安全等級。

站控層的中控設備布置在變電站主控制樓內的計算機室及主控制室內，作為中控系統主要負責光伏區域監控數據的采集處理、操作控制、經濟運行及優化調度、綜合計算、運行檔案管理、事故故障信號的分析處理。

現地層的采集、控制設備為中水科技自主研發的0208通信控制器，布置在光伏陣列區逆變器室通信控制柜內。現地共有21個光伏陣列，每兩個子陣共用一套現地設備，共為11套現地控制設備，現地設備采用光纖環形網絡連接組成整個現地層。現地層設備主要完成相應光伏子陣相關設備的實時運行數據采集功能，上送至站控層；同時接收站控層的開停機控制指令和負荷分配調節指令等，并下發指令至逆變器、匯流箱、箱變等設備。

電站控制網硬件主要由站控層的雙冗余熱備主干網交換機以及與現地層的環網交換機構成。站控層網絡選用以太網結構，物理結構為雙星型，網絡傳輸速率為1 000 Mbps且為自適應式，采用TCP／IP協議，網絡傳輸介質為雙絞線，站控層各設備掛在控制網交換機上，采用雙網冗余接入方式。現地層網絡采用環網結構，通過光纖將11個光伏區環網交換機和監控系統的匯聚環網交換機連接起來，掛在該層網絡上的設備為現地控制級設備，各通信控制器與站控層實時監控服務器的通信鏈路之間部署縱向加密裝置，實現對數據加密保護功能，保證電站數據的安全性和保密性要求。每個通信控制器通過RS-485聯通匯流箱系統、逆變器系統以及箱變系統，均采用Modbus串口協議通信，數據采集整合后再通過IEC104規約上送站控層采集設備。整體系統結構如圖1所示。

圖1 監控系統網絡結構圖

電站控制層設備按照精簡的方式配置，共由2臺操作員工作站、2臺實時監控服務器、2臺遠動通信服務器、1臺AGC服務器、主干網交換機、匯聚縱向加密裝置、環網匯聚交換機組成。

2套操作員工作站，其作用完全相同，為雙機熱備工作方式。操作員工作站作為操作員人機接口工作平臺，負責全廠的運行監視、控制及調節命令發出，設定或變更工作方式，各種圖表曲線、報表的生成、打印，及人機界面等功能。通常，全廠所有設備的運行監控都在操作員工作站上進行。

2套實時監控服務器，也為雙機熱備工作方式，因光伏電站的數據量不大，且采用了精簡配置，實時監控服務器承擔了數據采集、實時庫處理、系統管理及歷史庫服務的功能。負責廠站層的數據采集、處理及衛星系統時鐘管理等；完成歷史數據的生成、存儲，事件、告警信息存儲等，歷史數據庫數據在不同機器的磁盤中進行備份儲存；同時負責本系統電站層計算機綜合計算、運行檔案管理、事故故障信號的分析處理及其他應程序運行等任務。

2臺無盤工作站作為遠動通信工作站與調度通信，具有遠動數據處理、規約轉換及通信功能，滿足調度自動化的要求，并具有串口輸出和網絡口輸出能力，能通過調度數據網通道（實時控制A、B網）與各級調度端主站系統通信的要求。

為滿足計算機監控系統安全穩定運行、調度數據網接入需求，服務器和網絡設備均采用國產化設備，操作系統為國產凝思操作系統，并完成各設備的安全加固配置，達到二級等保測評的要求。

2 iP9000計算機監控系統功能

本系統采用的iP9000智能一體化平臺，是一套完整的計算機實時控制系統，在提高數據精度、豐富數據屬性、數據質量標志、數據趨勢報警、智能報警處理等方面的研究開發顯著提高了系統的數據處理功能[1]。

2.1 數據的高效處理

為提高監控系統的實時性，減少數據傳輸量，現地通信控制器對實時數據采用不變不送加定時全送的方式，對模擬量無變化時不傳送，當變化超過傳送死區或數據品質有變化時傳送；狀態量有狀態變位或數據品質有變化時才傳送，同時當達到定時周期時進行全數據傳送，更新監控系統實時數據庫。

2.2 運行設備的監視

光伏電站的現地層占地面積較大，維護起來比較困難，因此監控系統可以實時采集主要設備的運行狀態和運行參數，并作必要的預處理、計算，存于實時數據庫，可進行畫面顯示、控制調節、記錄檢索、統計報表、運行指導和事故分析等。

采集的信息包括現地層各逆變器的運行參數和運行狀態，通信控制器的狀態及與光伏區各設備的通信狀態，站控層服務器的CPU及負載、內存及磁盤狀態、網絡接口狀態、系統安裝的軟件列表、系統運行的進程列表等，交換機的CPU、內存、網絡接口、端口狀態等信息。這些信息的采集和顯示能夠更好對全廠各設備的狀態進行安全監控，當它們發生異常、運行狀態發生變更或參數超越設定限值等時，及時產生告警，報告值班運行人員進行精準地快速處理，同時進行實時記錄，以便分析查驗，極大地提高了處理故障的效率。

2.3 友好安全的人機操作

為方便報警記錄信息查詢，iP9000系統提供靈活的歷史數據查詢手段，如過濾器功能，對各種報警歷史數據進行分類、篩選形成報告，并可打印。

系統根據設定的事故追憶點及事故追憶采樣周期，對追憶量進行前若干秒追憶，后若干秒記錄，形成事故追憶記錄(事故追憶采樣周期可設定)。事故發生時，可根據預置的追憶信息快速地將事故報警信息、追憶數據等從歷史數據中提取顯示。

iP9000系統還在控制方面具有獨特而完善的防誤操作功能，可以確保由計算機系統發出的命令安全可靠。控制具有防誤閉鎖和互鎖功能，當控制點被選擇后，在控制過程結束或中斷以前它處于閉鎖狀態，其他人不能對它進行控制和操作。監控系統會對各項操作指令進行條件判斷，滿足預置條件則執行，不滿足條件則閉鎖，并彈出操作條件顯示判斷窗口，給運行人員提示閉鎖原因，當滿足操作條件時才可將命令下達通信控制器，并作用于各設備。

iP9000系統在光伏電站監控方面具有很多高效且實用的優勢：畫面顯示數據及時、準確，可以實時查看日、月、年發電量數據、發電功率、發電時間、環境數據等參數報表、曲線等。且通過數據整合分析、計算可以清晰了解發電情況和電站運行數據，提高了電站整體管理效率，降低了運維人員監盤的難度。

3 改造難點及系統優化

3.1 通信規約復雜性

原電站的監控系統已運行超過10年，資料已不完全，除了新改造的逆變器有完整的點表資料、規約外，箱變、匯流箱都沒有針對實際情況留下的點表資料和通信協議，且舊系統數據點表無法導出查看地址。為了保證新監控系統數據采集的準確性，在數據實際接入監控系統的之前，由調試筆記本搭建模擬站控層監控系統，直接采集箱變、匯流箱等數據，與原監控系統進行核對，不斷摸索數據地址和參數，最終確定正確的規約和點表地址，消除各種由數據點不確定帶來的隱患。

3.2 新老系統無縫切換

原監控系統的現地層也為環網結構，為了保障新老系統無縫切換，保障電站的運行安全性。在調試過程中，選擇一個通信控制器管理的光伏子站進行試點調試：①采用調試筆記本對現地各設備采集參數和規約進行核對，確保上行數據和下令命令的正確性；②將新監控的現地設備替換老設備，并接入環網中，直接與新站控層的監控系統進行通信，同時保留老的監控設備，如果在調試過程中出現問題，可迅速切換到老監控系統進行監盤；③逐步把每一個光伏區的通信控制器替換為新系統的設備，并依次核對數據和進行控制試驗，直至全部替換完成；④拆除原監控系統的站控層及現地層設備，平穩地將老系統過渡為新系統，并且無長時間數據采集中斷的問題，確保了光伏電站安全、連續的監控工作。

3.3 智能報警及統計分析

相比于舊系統，新系統采用更先進的計算邏輯，根據實時采集到的數據進行周期、定時計算分析，形成各種有實際分析意義的實時或歷史數據，幫助運行人員對電站設備的運行進行全面監視與綜合管理。例如：發電量日、月、年報表分析，發電減排統計，輻照度、室外溫度變化等環境數據記錄，主要設備運行工況統計計算等。并且實現了通過防火墻與安全Ⅱ區的功率預測系統通信，發送電站發電數據并接收預測信息用來優化發電效率等功能。

對于某些特定數據，采用了條件報警的功能，只在某些特定的情況下才產生報警，過濾了大量無用的變位數據，精準定位到故障信息，減輕了運維的壓力。

4 結束語

iP9000系統作為華電密云光伏電站計算機操作系統，相比于舊系統更加安全可靠，監控更加方便，配置靈活，功能強大，為電站的運維和管理提供諸多便利，同時該系統具備強大的高級功能和第三方接口，在后續更加高級、更加便利的應用方面提供強大的開發平臺，加快了我國電站智能化的進程。