智能化分布式光伏運維監控系統的設計與實現

王璐月

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

   摘要：為解決光伏電站監控系統光伏陣列監測不足、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控系統。根據企業光伏電站布局，提出了光伏電站智能監控系統方案，完成了該監控系統的硬件選型和軟件開發。仿真結果表明：該監控系統具備光伏電站運行參數分析、光伏設備實時在線監控、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

   隨著世界能源產業結構的調整和人類對環境問題的重視，太陽能憑借資源豐富、布局靈活的優勢，成為當今新能源發展的主流，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下運行，對光伏設備的狀態監測十分重要。目前，光伏電站主要采用人工定期檢查、網絡化監控的方式對設備進行監測。由于人力資源有限及傳統光伏監測系統智能化不足，這兩種方式都存在光伏陣列監測不足、遇到故障時無法快速定位的問題。

   在此背景下，本文對某企業屋頂光伏電站的監測系統進行了智能化設計。該監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，并利用組態軟件在上位機建立監控界面，對運行數據進行分析，實現光伏電站運行狀態實時動態監測，設備故障時上位機通過監控界面發出報警信號，提高了光伏電站的安全性。

1、光伏電站布局

   企業廠區4個屋頂被分成A、B、C、D四個光伏發電區域，采用集中式和分布式相結合的方式發電。C區廠房面積較大且自用電較少，故對C區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，最后再將四個區域通過交流電纜將電流輸送至并網柜。

2、智能監控系統設計方案

   為了能夠在光伏設備發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視功能。該系統實現數據采集和狀態監控的同時，可進行簡單、直觀的人機交互。其中，數據采集、狀態監控和簡單的數據分析由各種智能元器件來實現，人機交互通過組態軟件實現；在組態軟件中建立監控界面，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：在監測系統中設有報警裝置，當光伏面板發電量低于正常值便會發出報警信號。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

   直流匯流箱需要監視各個光伏面板的輸出電流，當任意一個回路發生電流故障，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，大幅增加發電量。

4、軟件開發

   利用Riyear-PowerNet系統設計該光伏電站的工業現場信息。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，選用常熟開關設備制造有限公司的兩種I/O組態；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。逆變器發生故障時，系統主界面顯示區域閃爍，使值班人員能夠快速定位故障發生區域，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送數據。如果發送失敗，則再連續嘗試發送三次，如果仍然未能發送成功，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域，在故障解除之后軟件系統回到正常狀態。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：站點監測，逆變器監測，發電統計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環境監測，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，及時掌握光伏發電效率和發電收益。

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企業屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發展迅速。

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視分布在區域內各建筑的光伏電站的運行狀態（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態、發電功率曲線、是否并網、當前發電量、總發電量等信息）。

5.4.1光伏發電

5.4.1.1綜合看板

●顯示所有光伏電站的數量，裝機容量，實時發電功率。

●累計日、月、年發電量及發電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發電量

5.4.1.2電站狀態

●電站狀態展示當前光伏電站發電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數。

●統計當前光伏電站的日、月、年發電量及發電收益。

●攝像頭實時監測現場環境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●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

●逆變器基本參數顯示。

●日、月、年發電量及發電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環境輻照度曲線。

●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電站發電統計

●展示所選電站的時、日、月、年發電量統計報表。

5.4.1.5逆變器發電統計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發電量統計報表

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，發生時間以及確認狀態。

5.4.3運行環境

●視頻監控：通過安裝在現場的視頻攝像頭，可以實時監視光伏站運行情況。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并網的光伏發電系統多用于居民屋頂光伏發電，裝機功率在8kW左右。

   部分小型光伏電站為自發自用，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企業屋頂光伏，自發自用，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的相關規定，以及相關標準、規程要求。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380V電網，實現自發自用，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電量，同時在企業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，用于光伏發電補貼和上網電量結算。

   部分光伏電站并網點需要監測并網點電能質量，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測裝置。部分光伏電站為自發自用，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模適中，可通過云平臺采用光伏發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、光伏發電項目建設有關事項通知》（國發新能〔2019〕49號），對于需要國家補貼的新建工商業分布式光伏發電項目，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模的分布式光伏電站穩控系統、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，本文設計并開發了光伏電站智能監測系統。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、在線監測。光伏設備發生故障時，監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。該監測系統保障了光伏電站的可靠運行和集中管理。