一種分布光伏并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳小歡 孟浩杰 鄧悅懷 唐正濤 趙明朗 喻擎蒼

摘? 要：在我國分布式光伏發(fā)電迅速發(fā)展情況下，該文針對目前電網(wǎng)對接入光伏的電能質(zhì)量和孤島防護(hù)缺乏有效監(jiān)控等問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種分布光伏并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括本地監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺兩大部分，具有電能質(zhì)量監(jiān)測，孤島防護(hù)，電壓、電流、頻率微機(jī)保護(hù)等功能，并實(shí)時(shí)上傳遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺，能在遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺操控本地?cái)嗦菲鲗?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控。該系統(tǒng)組合出多種形式的一次柜。

關(guān)鍵詞：分布光伏；并網(wǎng)；電能質(zhì)量；監(jiān)控；監(jiān)管平臺

中圖分類號：TM615? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0039-04

Abstract： With the rapid development of distributed photovoltaic power generation in China， this paper designs and implements a distributed photovoltaic grid-connected monitoring system in view of the lack of effective monitoring of the power quality of connected photovoltaic and island protection. The system includes two parts： the local monitoring system and the remote intelligent supervision platform， which has the functions of power quality monitoring， island protection， voltage， current and frequency microcomputer protection， and uploads the remote intelligent supervision platform in real time. It can operate the local circuit breaker in the remote intelligent supervision platform to realize remote control. The system combines various forms of primary cabinets.

Keywords： distributed photovoltaic; grid-connected; power quality; monitoring; supervision platform

在全球生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化的背景下，風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新一代清潔能源已成為世界各國新能源發(fā)展的主要目標(biāo)。光伏發(fā)電有建設(shè)周期短、使用壽命長、投資回報(bào)率高等特點(diǎn)，近幾年來光伏電站發(fā)展迅猛，截至2016年底，我國光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量77.42 GW， 位居全球第一[1]。根據(jù)國家能源局印發(fā)的《電力發(fā)展“十四五”規(guī)劃工作方案》[2]，至2025年我國光伏發(fā)電規(guī)模將達(dá)到5 600 GW以上。

但光伏發(fā)電除了發(fā)電量不受控等問題外，對電網(wǎng)側(cè)而言仍存在其他問題亟需解決，特別是對廣大的分布式光伏[3]，主要有：①對接入的光伏電能質(zhì)量缺少有效監(jiān)控[4-5]，隨著光伏占比的不斷提升對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響日益增加。②系統(tǒng)檢修人員對每臺逆變器的防孤島裝置是否已經(jīng)正確動作、是否可能誤重合缺少有效監(jiān)控，存在引發(fā)檢修人員人身事故的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，對光伏電能質(zhì)量監(jiān)控的研究不斷增加。黃海濤[6]設(shè)計(jì)了帶有電能質(zhì)量監(jiān)測模塊的以Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為基礎(chǔ)的工業(yè)用電一體化監(jiān)控系統(tǒng)。宋池[7]針對性地設(shè)計(jì)了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，利用搭建的光伏電站的仿真模型，模擬實(shí)際發(fā)電參數(shù)，利用差值解決精度差異，模擬不同狀態(tài)下光伏電站的電能質(zhì)量。李琴等[8]對于光伏電站的監(jiān)控系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)類型不夠廣泛的問題，設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT的可以自主選擇檢測數(shù)據(jù)的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)，但是并未提到光伏電能質(zhì)量的檢測數(shù)據(jù)類型。毛亞峰[9]設(shè)計(jì)一套具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測、智能控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、移動端數(shù)據(jù)監(jiān)測、電能質(zhì)量分析和數(shù)據(jù)庫管理等功能的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種分布光伏并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有電能質(zhì)量監(jiān)測，孤島監(jiān)測和防護(hù)，電壓、電壓、頻率微機(jī)保護(hù)等功能，并實(shí)時(shí)上傳遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺，能在遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺操控本地?cái)嗦菲鲗?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控。該系統(tǒng)可用于光伏站進(jìn)出線柜。

1? 光伏并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的光伏站并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)包括本地監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺兩大部分。這2套系統(tǒng)均采用功能模塊化設(shè)計(jì)，具有系統(tǒng)擴(kuò)展和后續(xù)升級的便利性。

1.1? 本地監(jiān)控系統(tǒng)

本地監(jiān)控系統(tǒng)安裝在光伏站的一次柜中，主要由電量采集、保護(hù)、斷路器控制、通訊、主控器和本地顯示等模塊組成，如圖1所示。

電量采集模塊對電壓、電流、頻率等電氣量進(jìn)行采集，并得出偏差、諧波、波動和不平衡等數(shù)據(jù)。

保護(hù)模塊提供過欠電壓、高低頻、電流三段、防孤島和跳閘后自重合等保護(hù)動作。

斷路器控制模塊驅(qū)動電動操作機(jī)構(gòu)，實(shí)施斷路器的開合。

通訊模塊中包含有線城域網(wǎng)和無線4G/5G與遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺構(gòu)成通訊，另外預(yù)留LoT用于本地柜子間通訊，減少柜間控制電纜的布線量。

主控器是樞紐功能部件，與上述各部件之間實(shí)行星形以太連接，協(xié)調(diào)電量采集、保護(hù)控制、遠(yuǎn)方通訊、斷路器操作、遠(yuǎn)方遙控和保護(hù)參數(shù)遙調(diào)等。

1.2? 遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺

遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺的功能層級如圖2所示。這些模塊按類型可分為用戶管理、數(shù)據(jù)庫操作、場站信息設(shè)置、保護(hù)參數(shù)設(shè)置、消息事件、數(shù)據(jù)分析和調(diào)度員指令等。

2? 光伏并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1? 主控制器與通訊

主控制器的主控芯片采用STM32H750，Cortex-M7內(nèi)核，工作頻率480 MHz，128 KB閃存，16 KBI緩存加16 KB的D緩存可實(shí)現(xiàn)零等待執(zhí)行，具有雙精度浮點(diǎn)單元，加密/哈希硬件加速，LCD-TFT控制器接口支持雙層圖形，JPEG硬件加速器，包括FD-CAN、USB 2.0高速/全速、以太網(wǎng)MAC和攝像頭等35個(gè)通信接口，32位并行接口支持SDRAM存儲器。

本文以STM32H750為基礎(chǔ)的主控板實(shí)現(xiàn)如圖3所示。根據(jù)與各部件的連接需求，引出一路485口連接電量采集模塊，一路CAN連接斷路器控制器模塊，自定義改裝一路485連接保護(hù)模塊，一路串口連接串口屏作為本地顯示。

考慮到通訊是必選的模塊，因此本文將通訊部分直接布置在主控板上，以減少模塊數(shù)量和連線布置。4G模塊采用EC200N，支持WiFi，支持STA、AP模式，最大下行10 Mbps，最大上行5 Mbps。以太網(wǎng)口接自主控芯片。

2.2? 保護(hù)與電量采集

保護(hù)與電量采集等裝置和部件已有相當(dāng)長時(shí)間的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，裝置和部件已較為成熟，可靠性高，并且相當(dāng)一部分裝置和部件具有一定能力的通訊能力。量產(chǎn)裝置和部件的集成應(yīng)用可極大拓展本系統(tǒng)的包容性并降低成本。

但目前大部分部件采用半雙工485總線，也就是說只能由主控制器發(fā)起通訊來獲取數(shù)據(jù)，部件無法主動發(fā)起匯報(bào)。此外，保護(hù)裝置必須有斷路器當(dāng)前狀態(tài)的輸入才能正確動作，斷路器當(dāng)前狀態(tài)的獲取是將斷路器的輔助觸點(diǎn)接入保護(hù)裝置，這種接入不是485總線能夠直接提供的。

為了能將現(xiàn)有保護(hù)裝置集成到系統(tǒng)中，本文設(shè)計(jì)并制作了一種保護(hù)融合板如圖4所示，該板自定義了一種總線接口，在原來半雙工485基礎(chǔ)上利用了空余的絞線，增加了斷路器狀態(tài)線和中斷線。工作流程如下：①斷路器狀態(tài)線通過遷移繼電器將斷路器的開合狀態(tài)遷移到融合板上，再輸入保護(hù)裝置；②保護(hù)的跳閘和合閘出口接入融合板，合并后通過中斷線向主控器提出中斷申請；③主控器的中斷立即發(fā)起標(biāo)準(zhǔn)485通訊，讀取保護(hù)動作事件；④主控器根據(jù)動作事件，向斷路器電操發(fā)出跳閘或合閘指令。

電量采集模塊的集成。作為非即時(shí)響應(yīng)模塊，半雙工485Modbus協(xié)議的第三方電量模塊均可集成到本系統(tǒng)，采用115 200 bps波特率輪詢讀取電量參數(shù)，主要有：三相相電壓、線電壓、相電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、三相電壓不平衡度，以及三相相電壓和相電流的1～25次諧波等等。

2.3? 本地控制與設(shè)置

為節(jié)省成本，本地顯示是用戶可選模塊，本系統(tǒng)支持800*400觸摸串口屏用作本地的顯示、控制和設(shè)置，提供了一次接線圖、總體電能質(zhì)量、各次諧波參量、當(dāng)前發(fā)電信息、本周發(fā)電信息、本月發(fā)電信息和設(shè)備參數(shù)設(shè)置7個(gè)頁面。一次接線圖以圖形化方式顯示了所配置的一次設(shè)備和斷路器投切狀態(tài)，反映一次系統(tǒng)的運(yùn)行方式；電能質(zhì)量界面展示了線電壓、相電壓、線電流、頻率，以及有功、無功和視在功率等電量信息，作為電能質(zhì)量重要參數(shù)的諧波包括了并網(wǎng)點(diǎn)相電壓和出線相電流的1～25次諧波，電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡、頻率偏差和諧波等電能質(zhì)量超標(biāo)參數(shù)即用警示色顯示，并立即上報(bào)遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺。

用戶在屏幕上觸摸斷路器圖標(biāo)即可對該斷路器進(jìn)行開合操作，以改變運(yùn)行方式。屏幕上可操作的斷路器圖標(biāo)是由qt的QButton控件派生而成，以實(shí)例形式疊加于一次接線底圖。圖5為本地保護(hù)設(shè)置界面，本系統(tǒng)有過/欠電壓、高/低頻、逆功率、聯(lián)跳、過流Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ段和跳后重合等保護(hù)，用戶可設(shè)置保護(hù)壓板是否投入、動作閾值和動作時(shí)延等。

2.4? 遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺

遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺通過采用分布式服務(wù)框架、緩存和消息隊(duì)列等中間件以及自動化測試和部署等技術(shù)，滿足高并發(fā)訪問、持久化存儲和共享訪問等需求。

后端服務(wù)采用Spring Boot和Spring Cloud框架，以及Spring Cloud中的Eureka、Feign、Hystrix等組件實(shí)現(xiàn)。后端服務(wù)采用微服務(wù)架構(gòu)，包括用戶認(rèn)證、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程命令管理、設(shè)備告警和設(shè)備管理等，通過REST API或RPC接口進(jìn)行通信，使用Redis和ActiveMQ消息隊(duì)列等中間件進(jìn)行緩存和異步處理，以提高系統(tǒng)的并發(fā)性能和響應(yīng)速度。

本文開發(fā)了數(shù)據(jù)采集前置機(jī)系統(tǒng)，將業(yè)務(wù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)解耦，極大提升平臺的可擴(kuò)展性。數(shù)據(jù)庫使用了多副本和分布式分區(qū)等技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)的安全性和可用性。同時(shí)，還使用了MongoDB和HBase等NoSQL數(shù)據(jù)庫作為輔助數(shù)據(jù)存儲，以支持非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲和訪問。

可視化展示和操作平臺采用React和Redux框架，以JSON數(shù)據(jù)傳輸格式通過HTTP協(xié)議向后端發(fā)送請求，響應(yīng)的數(shù)據(jù)以列表或地圖模式顯示。圖6顯示了監(jiān)管區(qū)間內(nèi)的光伏站，電源質(zhì)量正常和異常的站點(diǎn)用不同顏色區(qū)分。

點(diǎn)擊場站圖標(biāo)即可進(jìn)入廠站子系統(tǒng)，圖7顯示的是該廠站主接線和即時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。該圖的每個(gè)可遙控?cái)嗦菲骶肁nt Design UI組件庫的Button控件設(shè)計(jì)，點(diǎn)擊主接線圖的斷路器控件即可操作遠(yuǎn)方斷路器的合閘與跳閘，斷路器動作后該站點(diǎn)的主接線也會實(shí)時(shí)更新。

所有包括電能質(zhì)量在內(nèi)的電參量均上傳到監(jiān)管平臺分析顯示，也可在監(jiān)管平臺對遠(yuǎn)方的保護(hù)進(jìn)行設(shè)置，在此不詳細(xì)敘述。

3? 光伏并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

本地監(jiān)控系統(tǒng)可設(shè)計(jì)出幾種形式的一次柜。圖8（a）顯示了完整版進(jìn)出線柜。對于沒有進(jìn)線的出線柜，可以精簡掉電量采集和保護(hù)模塊，通訊模塊中也可以去除WAN和4G通訊模塊，僅僅保留LoT與進(jìn)出線柜的通訊，如圖8（b）。簡化進(jìn)出線柜中精簡掉一次側(cè)出線斷路器以降低成本，如圖8（c），同時(shí)可以讓現(xiàn)有光伏站保留原有的接線方式，減少改造施工量，相當(dāng)于在升壓器前增加了電能質(zhì)量分析、防孤島、低壓保護(hù)和通訊等功能。

（a）? 進(jìn)出線柜? ? ? ?（b）? 出線柜? ? ?（c）? 簡化進(jìn)出線柜

在出線回路數(shù)較多的場合，一臺進(jìn)出線柜可以與多臺出線柜并接以擴(kuò)大出線回路數(shù)，如圖9所示。

4? 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種分布光伏并網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用功能模塊化設(shè)計(jì)，具有較好的擴(kuò)展便利性和組合多樣性。

該系統(tǒng)的本地監(jiān)控系統(tǒng)集成了電量采集模塊，能對光伏并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有效的電能質(zhì)量監(jiān)控。設(shè)計(jì)的保護(hù)融合板能夠兼容現(xiàn)有保護(hù)部件。模塊間的連接線均采用標(biāo)準(zhǔn)8芯屏蔽絞線和RJ45插接頭，有效減少柜內(nèi)接線工作量，更換方便。

該系統(tǒng)的遠(yuǎn)方智能監(jiān)管平臺具有遙測、遙訊、遙調(diào)、遙控能力，界面直觀，可視性強(qiáng)，操作方便。

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