基于PS6000+的光伏电站电气监控系统设计

2011-04-24张棋

综合智慧能源 2011年3期

张棋

(国电南京自动化股份有限公司，江苏南京 210003)

0 引言

近年来，由于全球能源紧缺、环境恶化，改变能源的消费结构，在能源供应方面走可持续发展的道路已成为人们的共识［1］，大力发展新能源和可再生能源，发展“低碳”经济已经成为重中之重。光伏发电技术以其无污染、可再生等优点，得到了越来越多的关注与发展。

作为一种新兴的电源项目，越来越多的光伏电站将接入主电网系统，与常规变电站综合自动化系统相比，光伏电站总装机容量在系统中所占比例较小，在电压偏差、谐波问题、无功平衡等方面对主电网产生的影响也越来越值得注意［2］。

因此，提高光伏电站系统接入的电气自动化水平及运行管理水平，加强对电能质量的监测研究，具有重要意义。本文结合青海锡铁山10 MW并网光伏电站项目，以光伏电站的电气监控实施为例进行相关分析。

1 工程概述

青海锡铁山10MW并网光伏电站项目位于青海省海西州锡铁山，实际建设装机容量为10.0062MW。

在光伏发电场建设1座110 kV升压站，该期10 MW光伏发电系统以每500kW为一个子系统，以10 kV电压等级接入光伏发电场升压站，光伏发电场升压站出单回110 kV线路至锡铁山(盐湖)330 kV变电站的110 kV侧。

该工程电压分110 kV和10 kV 2个电压等级，有2台主变压器。110 kV为单母线接线，主变压器进线2回，110 kV出线1回，变压器110 kV中性点经隔离开关直接接地;变压器10 kV侧为单母线分段接线，变压器进线2回，馈线108回，电容馈线2回，所变馈线2回，均为电缆引出，变压器10 kV中性点不接地;无功补偿电容器为2组;光伏阵列每500 kW作为一个单元，合计20套逆变器。

主变压器容量(1×31500+1×25000)kV·A，为高原型三相双绕组油浸风冷有载调压电力变压器。

110 kV侧配电装置为户外组合电气，SF6断路器配电动弹簧操动机构;隔离开关、检修开关及快速接地开关配电动操动机构。10 kV侧配电装置选型为户内真空开关柜，配弹簧操动机构。

光伏电站接收道海西州调度所调度，光伏发电场的信号通过光伏发电场的通信系统传到区调度所的计算机，由海西州调度所提供调度信息。

2 电气监控系统的范围

根据该工程的电气主接线和厂用电接线，电气进入光伏电站监控管理系统及分散控制系统(DCS)监测和控制对象如图1所示。

系统配置1套监控装置，实时监测并网发电系统的运行参数和工作状态。光伏全站监控管理系统采用以下方式运行:

(1)通过现场总线或网络信道实时采集光伏终端(电池方阵、汇流箱、跟踪器等)运行数据和状态信息，实现远程监视与控制。

(2)采集逆变器室内直流汇流柜、逆变器柜、交流配电柜、变压器柜及其所含逆变器等装置运行数据和状态信息，实现逆变器室的远程监视与控制。

(3)采集主变压器保护、母线保护、馈线保护等装置的运行数据和状态信息。

(4)系统具备独立运行能力，完成电气系统的管理、控制、监视、测量、继电保护、数据输入和输出、联锁、逻辑编程、信号、报警、通讯等全部功能。

图1 监测和控制系统示意图

3 总体设计方案

锡铁山光伏电站监控系统由升压站监控系统主网、方阵子站层(汇流箱系统子网，逆变器系统子网)和其他非电气控制系统通讯网络组成。

3.1 升压站监控系统主网

根据GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》［3］的要求配置了相应的#1及#2主变压器保护测控屏、110 kV母线测控屏、分散安装的综合保护装置;各种智能设备以双以太网(远距离可使用光纤)的方式接入后台系统(如图2所示);同时，配置了全站GPS授时系统及微机“五防”系统。

3.2 逆变器系统

图2 基于PS6000+的光伏电站综合自动化系统结构图

并网逆变器是光伏并网发电系统的重要设备之一。太阳电池组件把太阳能转化为直流电能，经并网逆变器转变为与交流电网同频率、同相位的正弦波电流，馈入电网实现并网发电功能。可以采集及监视各项运行数据、故障数据、历史故障数据、总发电量数据和历史发电量数据等［4－5］;逆变器提供RS485或以太网通讯接口，接入方阵单元子站系统(如图3所示)。

图3 方阵单元(汇流排、逆变器)子站配置图

3.3 汇流箱系统

汇流箱的接线方式为16进1出，即把相同规格的16路电池串列输入经汇流后输出1路直流。汇流箱配有16路电流监控装置，对每1路电池串列进行电流监控，可以通过RS485通讯接口上传到方阵单元子站系统。

3.4 其他智能IED设备

电能监测、电费计量、直流防雷配电柜等智能IED设备通过规约转换器的方式接入网络层。

3.5 同办公自动化系统的互联

办公自动化系统(OA)可以通过网页浏览的方式对光伏电站的电气监控系统进行管理和观测，极大地满足了生产管理的需要。

3.6 同远程监控系统的互联

系统支持远程监控系统对光伏电站的电气监控系统进行管理和观测［6］，远距离光伏电站工程实现了远程监控，节省了大量的人力和物力。

4 系统特点

4.1 系统安全及防护

根据国家经济贸易委员会［2002］第30号令《电网与电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》，遵循国家电监会电监安全［2006］34号文《全国电力二次系统安全防护总体方案》的技术要求，该系统暂分为3个安全区(留有扩展接口)，即安全区Ⅰ(实时控制区)、安全区Ⅱ(非控制生产区)、安全区Ⅲ(生产管理区)。

安全区Ⅰ与安全区Ⅱ之间采用硬件防火墙或相当的设备进行逻辑隔离，禁止 E－mail，Telnet，Rlogin等服务穿越安全区之间的隔离设备。

安全区Ⅰ与安全区Ⅲ之间采用专用安全隔离装置进行物理隔离。

4.2 冗余式、一体化设计

监控系统采用双网双主机热备用冗余式设计，极大地提高了运行可靠性。10 kV保护、测控为一体化设计，可以直接采集TA及TV的数据以及断路器开关位置信息等，这些数据均通过双以太网的方式进入监控系统，避免了数据的重复采集。

4.3 系统特点

PS6000+系统采用跨平台技术，支持Windows，Linux，Unix系统，可实现混合平台应用，根据用户需求灵活选择软硬件资源配置，进一步提高了系统的可靠性、易用性、经济性等各项指标。

PS6000+系统的保护、测控等单元设备直接采用嵌入式以太网通信技术，设备内部各模块之间采用无瓶颈的平衡式通信方式，大大减少了二次电缆的施工量，实现了整套系统的快速响应，为实现数字化电厂提供保障，最大限度地实现了信息的共享和系统集成。

在保证系统自身的安全性和完整性的同时，还充分考虑了其他智能IED设备的接入便利性。

5 存在的问题

如果考虑光伏电站监控系统同外部用户办公系统(或远程Web子系统)互联的话，不得不考虑网络安全问题，工程上采用电力系统专用纵向加密系统及硬件防火墙技术。

电力专用纵向加密认证网关位于电力控制系统的内部局域网与电力调度数据网络的路由器之间，用于安全区I/III的广域网边界保护(如图2所示)，可为本地安全区I/II提供一个网络屏障，同时为上、下级控制系统之间的广域网通信提供认证与加密服务，实现数据传输的机密性、完整性保护。硬件防火墙技术用于安全区I/II的广域网边界保护(如图2所示)，是阻挡外部不安全因素影响的内部网络屏障，其作用是防止外部网络用户未经授权的访问。