劉細鳳
江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405
摘要:為解決光伏電站監(jiān)控系統光伏陣列監(jiān)測不足、故障不易定位等問題,筆者設計了集數據采集和處理的智能化光伏電站監(jiān)控系統。根據企業(yè)光伏電站布局,提出了光伏電站智能監(jiān)控系統方案,完成了該監(jiān)控系統的硬件選型和軟件開發(fā)。仿真結果表明:該監(jiān)控系統具備光伏電站運行參數分析、光伏設備實時在線監(jiān)控、報警功能,保障了光伏電站的可靠運行和集中管理。
關鍵詞:光伏電站;智能監(jiān)控系統;分布式光伏運維;實時在線
0、引言
隨著世界能源產業(yè)結構的調整和人類對環(huán)境問題的重視,太陽能憑借資源豐富、布局靈活的優(yōu)勢,成為當今新能源發(fā)展的主流,當前越來越多的光伏電站投入運營。光伏電站的可靠運行,需要匯流箱、逆變器等設備在狀態(tài)下運行,對光伏設備的狀態(tài)監(jiān)測十分重要。目前,光伏電站主要采用人工定期檢查、網絡化監(jiān)控的方式對設備進行監(jiān)測。由于人力資源有限及傳統光伏監(jiān)測系統智能化不足,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。
在此背景下,本文對某企業(yè)屋頂光伏電站的監(jiān)測系統進行了智能化設計。該監(jiān)控系統為光伏電站匯流箱、逆變器等設備配備通信模塊,利用RS485總線與各通信模塊相連,將運行數據傳輸至上位機,并利用組態(tài)軟件在上位機建立監(jiān)控界面,對運行數據進行分析,實現光伏電站運行狀態(tài)實時動態(tài)監(jiān)測,設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。
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)廠房采用集中式結構,根據工廠屋頂面積配置與之相對應的光伏面板,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)采用分布式結構,使用組串式逆變器將直流轉換為交流后直接并入電網,最后再將四個區(qū)域通過交流電纜將電流輸送至并網柜。
2、智能監(jiān)控系統設計方案
為了能夠在光伏設備發(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總線將數據匯總到機柜串口后,通過光纖與上位機進行連接從而實現監(jiān)視功能。該系統實現數據采集和狀態(tài)監(jiān)控的同時,可進行簡單、直觀的人機交互。其中,數據采集、狀態(tài)監(jiān)控和簡單的數據分析由各種智能元器件來實現,人機交互通過組態(tài)軟件實現;在組態(tài)軟件中建立監(jiān)控界面,將實時數據導入其中進行分析處理,兩者之間的連接通過建立在C區(qū)的串口機柜實現,數據傳輸示意圖如圖1所示。
設備故障時報警設計方案如下:在監(jiān)測系統中設有報警裝置,當光伏面板發(fā)電量低于正常值便會發(fā)出報警信號。晴天時,軟件系統及時響應所有的故障告警信號;陰雨天,軟件屏蔽逆變器孤島保護及回流量0A電流輸入的告警,但是響應其他的告警;晚上不響應任何故障告警。
根據上述設定,采用一臺通過GPS校時的上位機電腦,查詢當地歷史平均每個月或者每10天,日出、日落的時間。超出日出、日落范圍的時間認為是晚上,不響應故障告警;在該范圍內的時間認為是晴天,響應所有故障告警。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,值班人員可以在陰雨天氣,關閉孤島保護和0A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)生跳閘后需要及時送出信號。因此,直流匯流箱選用常熟開關制造有限公司生產的CXPV-16/Z光伏直流匯流箱。
3.2逆變器
根據設計要求,逆變器需提供遠程控制功能,并且發(fā)生故障時,能夠及時輸出報警信號。因此選用兩種型號的逆變器,一種為CS1并網型光伏逆變器。該型號逆變器具有較多的通信接口和遠程控制功能,且輸入電壓范圍寬,使其適用于小型組串低壓設備。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計,能夠減少電池組件較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系統設計該光伏電站的工業(yè)現場信息。采集到的元器件數據RiyearPowerNet系統進行儲存,建立歷史及實時數據庫,在系統發(fā)生故障時,利用存儲的數據對故障進行分析定位。
4.1軟件結構
智能硬件系統通過Modbus驅動程序與上位機相連接,人機界面就可以顯示設備數據的記錄、數據報警等,系統軟件結構如圖2所示。
4.2軟件設計與實現
首先,添加組態(tài),選用常熟開關設備制造有限公司的兩種I/O組態(tài);其次,為了能夠讀取數據,需要定義好數據庫;其三,定義中間變量。在定義數據庫變量之前,需要先確定設備類型和設備模塊,數據由Modbus標準命令采集,存儲在各種寄存器中,便于軟件讀取數據。在設備配置中根據相關要求設置設備地址、串口編號以及相關通信參數。數據庫變量的作用域包括整個應用程序。定義數據庫即定義地址,將變量與對應的設備連接起來。此時,在進行連接時就可以依靠事先設定好的地址,準確地找到想要的數據。
當設備發(fā)生故障,經過軟件判斷需要給予響應時,及時切換至該設備的故障界面,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,系統故障報警顯示如圖3所示。
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進行網絡連通,連接完成后初始化各個串口,根據地址向硬件設備發(fā)送數據。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,則判斷該臺設備離線;如果成功,在智能設備接收數據信息后,將自身數據回饋至上位機,軟件接收數據后存入實時數據庫,并在人機界面讀取數據。將各個串口互相連接通信并將歷史數據加載讀取。如果智能設備出現故障,將向系統發(fā)送故障數據,系統根據定義好的算法判斷設備的故障類型,在界面上顯示報警區(qū)域,在故障解除之后軟件系統回到正常狀態(tài)。流程圖如圖4所示。
5、安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹
5.1概述
AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監(jiān)測光伏站點的逆變器設備,氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括:站點監(jiān)測,逆變器監(jiān)測,發(fā)電統計,逆變器一次圖,操作日志,告警信息,環(huán)境監(jiān)測,設備檔案,運維管理,角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺,及時掌握光伏發(fā)電效率和發(fā)電收益。
5.2應用場所
目前我國的兩種分布式應用場景分別是:廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏,這兩類分布式光伏電站今年都發(fā)展迅速。
5.3系統結構
在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表,通過網關將采集的數據上傳至服務器,并將數據進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺,及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結構如圖所示。
5.4系統功能
AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構,任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據權限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內各建筑的光伏電站的運行狀態(tài)(如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態(tài)、發(fā)電功率曲線、是否并網、當前發(fā)電量、總發(fā)電量等信息)。
5.4.1光伏發(fā)電
5.4.1.1綜合看板
●顯示所有光伏電站的數量,裝機容量,實時發(fā)電功率。
●累計日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。
●累計社會效益。
●柱狀圖展示月發(fā)電量
5.4.1.2電站狀態(tài)
●電站狀態(tài)展示當前光伏電站發(fā)電功率,補貼電價,峰值功率等基本參數。
●統計當前光伏電站的日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。
●攝像頭實時監(jiān)測現場環(huán)境,并且接入輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數。
●顯示當前光伏電站逆變器接入數量及基本參數。
5.4.1.3逆變器狀態(tài)
●逆變器基本參數顯示。
●日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益顯示。
●通過曲線圖顯示逆變器功率、環(huán)境輻照度曲線。
●直流側電壓電流查詢。
●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數查詢。
5.4.1.4電站發(fā)電統計
●展示所選電站的時、日、月、年發(fā)電量統計報表。
5.4.1.5逆變器發(fā)電統計
●展示所選逆變器的時、日、月、年發(fā)電量統計報表
5.4.1.6配電圖
●實時展示逆變器交、直流側的數據。
●展示當前逆變器接入組件數量。
●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數。
●展示逆變器型號及廠商。
5.4.1.7逆變器曲線分析
●展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線。
5.4.2事件記錄
●操作日志:用戶登錄情況查詢。
●短信日志:查詢短信推送時間、內容、發(fā)送結果、回復等。
●平臺運行日志:查看儀表、網關離線狀況。
●報警信息:將報警分進行分級處理,記錄報警內容,發(fā)生時間以及確認狀態(tài)。
5.4.3運行環(huán)境
●視頻監(jiān)控:通過安裝在現場的視頻攝像頭,可以實時監(jiān)視光伏站運行情況。對于有硬件條件的攝像頭,還支持錄像回放以及云臺控制功能。
5.5系統硬件配置
5.5.1交流220V并網
交流220V并網的光伏發(fā)電系統多用于居民屋頂光伏發(fā)電,裝機功率在8kW左右。
部分小型光伏電站為自發(fā)自用,余電不上網模式,這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置,避免往電網輸送電能。光伏電站規(guī)模較小,而且比較分散,對于光伏電站的管理者來說,通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要,安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面:
5.5.2交流380V并網
根據國家電網Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網技術規(guī)定》,8kW~400kW可380V并網,超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點380V并網,以當地電力部門的審批意見為準。這類分布式光伏多為工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏,自發(fā)自用,余電上網。分布式光伏接入配電網前,應明確計量點,計量點設置除應考慮產權分界點外,還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置,其設備配置和技術要求符合DL/T448的相關規(guī)定,以及相關標準、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表,技術性能應滿足國家電網公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置,應安裝采集設備,接入用電信息采集系統,實現用電信息的遠程自動采集。
光伏陣列接入組串式光伏逆變器,或者通過匯流箱接入逆變器,然后接入企業(yè)380V電網,實現自發(fā)自用,余電上網。在380V并網點前需要安裝計量電表用于計量光伏發(fā)電量,同時在企業(yè)電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表,用于計量企業(yè)上網電量,數據均應上傳供電部門用電信息采集系統,用于光伏發(fā)電補貼和上網電量結算。
部分光伏電站并網點需要監(jiān)測并網點電能質量,包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等,需要安裝單獨的電能質量監(jiān)測裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用,余電不上網模式,這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置,避免往電網輸送電能,系統圖如下。
這種并網模式單體光伏電站規(guī)模適中,可通過云平臺采用光伏發(fā)電數據和儲能系統運行數據,安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面:
5.5.310kV或35kV并網
根據《國家能源局關于2019年風電、光伏發(fā)電項目建設有關事項通知》(國發(fā)新能〔2019〕49號),對于需要國家補貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目,需要滿足單點并網裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求,支持在符合電網運行安全技術要求的前提下,通過內部多點接入配電系統。
此類分布式光伏裝機容量一般比較大,需要通過升壓變壓器升壓后接入電網。由于裝機容量較大,可能對公共電網造成比較大的干擾,因此供電部門對于此規(guī)模的分布式光伏電站穩(wěn)控系統、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。
光伏電站并網點需要監(jiān)測并網點電能質量,包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等,需要安裝單獨的電能質量監(jiān)測裝置。
上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖,光伏陣列接入光伏匯流箱,經過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據情況可不設置),最后經過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網。由于光伏電站裝機容量比較大,涉及到的保護和測控設備比較多,主要如下表:
5、結束語
毋庸置疑,設備監(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、精細化管理,本文設計并開發(fā)了光伏電站智能監(jiān)測系統。該系統對光伏電站的設備進行數據采集,然后利用RS485總線將數據傳輸至上位機;隨后,利用RiyearPowerNet軟件把電站的歷史和實時運行數據建成數據庫?;诖?,該軟件實現對電站的實時、在線監(jiān)測。光伏設備發(fā)生故障時,監(jiān)測系統通過對數據庫數據分析,可以快速、準確地定位故障位置。該監(jiān)測系統保障了光伏電站的可靠運行和集中管理。
【參考文獻】
[1]顧超,宋樹平,方凱.智能化光伏電站監(jiān)控系統設計與實現[J].交流園地,2022年3月上
[2]丁坤,陳富東,翁帥等.基于I-V特性灰色關聯分析的光伏陣列健康狀態(tài)評估[J].電網技術,2021,45(8):3087-3095
[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版
作者簡介:
劉細鳳,女,本科,江蘇安科瑞電器制造有限公司,主要從事智能電網供配電相關的研究和應用