基于SolarWeb的监控系统设计与实现

王浩诒

(江苏德威系统集成有限公司，江苏 常州 213000)

新能源是21世纪世界经济发展中最具决定性的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，太阳能资源的利用是国家可持续发展战略的重要内容。而光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点。近年来，随着世界各国对新能源和可再生能源技术发展的支持，光伏发电得到了迅猛发展。

SolarWeb光伏新能源监控系统不仅拥有实时监测系统、远程控制功能和告警功能，还具有统计分析功能。系统具有在线统计分析功能，能生成各种统计报表，如:告警统计表、操作控制统计报表、日总发电量、累计发电量计算、安全运行天数累计等，且可存储及打印。

1 系统概述

随着大型光伏电站并网发电比例的逐步上升和BIPV/BAPV的广泛应用，对光伏发电设备及并网设备等的监控和电站维护、运营管理的专业化和智能化要求越来越高。光伏电站各设备的运行状态、发电产能、运行调度必须有一套安全可靠的系统进行监控和管理。

SolarWeb光伏监控系统包括监控中心SC(Supervision Centre)、监控站SS(Supervision Station)和监控单元SU(Supervision Unit)三部分，其功能如下:

1)采集各光伏监控子站站内各设备数据，传送到光伏电站集控中心。

2)处理光伏电站集控中心给各光伏监控子站下发的配置和控制命令。

3)根据住建部光伏建筑一体化示范项目数据要求，向住建部光伏建筑一体化示范项目数据信息中心上传实时数据。

4)根据示范项目管理要求，向其信息中心上传实时数据。

5)根据当地电网公司管理要求，向电网公司上传数据，实现远程管理。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 SolarWeb光伏监控系统设计及模块分析

根据常州天合光能光伏发电系统的组成和监控需要，基于安全性、稳定性、可靠性、可维护性、可扩充性和开放性的设计原则，对SolarWeb光伏监控系统进行了设计与分析，其系统构成如图2所示。

图2 Solarweb光伏监控系统设计框图

2.1 前端数据采集模块原理

实时数据采集子系统具有数据采集和预处理功能，通过逆变器室配置的光伏监控采集通信单元(SPMS)、集成数据单元(ISU)和集控中心的数据服务器，实现实时数据采集。如智能设备提供串口，则通过串口接入SPMS/ISU的方式将其纳入监控;如智能设备提供网络接口，则通过网络平台接入数据服务器，由数据服务器通过加载设备DLL的方式将其纳入监控。SPMS/ISU和数据服务器之间传输报文在线可视化，互相保持心跳报文测试，如有异常及时报警。

集控中心数据服务器具有实时数据库功能和历史数据库管理功能，监控子站的数据库数据会自动同步并上传到数据库服务器。服务器本身采用硬件RAID技术镜像数据文件，另外单独配置外置磁盘阵列，可有效保存至少5年的历史数据。

2.1.1 智能化采集通信单元SPMS模块

采集通信单元SPMS采用Intel CPU平台，稳定可靠，处理速度快，兼容性好，方便软件升级;SPMS采用模块化设计，配置灵活，扩展方便;支持常用电力通信规约MODBUS/TCP(部颁CDT规约、电力101-104规约和IEC61850规约等)。运用高性能的嵌入式工控机技术，稳定可靠，功能强大，可接入多种气象站和各种气象传感器(风向、风速、辐射、照度、雨量等气象量)，可接入各种智能设备(气象监测仪、逆变器、汇流箱、智能电表、智能门禁、变压器)，支持安防检测，包括烟雾告警检测、红外入侵检测、门磁开门告警检测，提供双网口，其中一个还可以接入高清IP摄像头进行视频监控。支持4路控制信号，以提供智能控制或者远程控制功能;支持星形组网或者环形组网，支持以太网、光纤、无线传输(需要选配相应的模块);支持VGA显示器和10″LCD真彩触摸屏，具有直观的图形操作界面，可以显示所有气象信息、各种智能设备的运行状态及本采集器工作状态;提供4个USB接口，可接入键盘、鼠标、移动存储介质，方便用户以习惯的方式操作浏览信息、数据拷贝以及软件升级。监控管理单元SPMS真正实现了光伏现场测控的全面集成解决方案。

实时监测汇流箱的运行参数，主要包括光伏组串各路输入直流电流、输入直流功率、汇流母排的直流电压、输出总电流、总发电功率、总发电量、各输入支路异常运行状态检测(断路、偏差、过流、反向)、空气开关状态、故障信息等。

实时监测直流配电柜的运行参数，主要包括汇流母排的直流电压、开关状态、防雷器状态、各支路电流、绝缘监测信号。

实时监测每台逆变器的运行参数，主要包括直流电压、直流电流、直流功率、交流电压、交流电流逆变器内温度、功率因数、当前发电功率、日发电量、累积发电量、累积CO2减排量等。

实时监测升压变压器的运行参数，主要包括保护动作信号、保护装置故障信号、超温跳闸、变压器温度过高报警信号、断路器故障跳闸信号、接地刀位置等。

实时监测高压开关柜的运行参数，主要包括开关、刀闸位置、断路器弹簧储能情况、测控保护信号、电压、电流、有无功功率、功率因数、测控保护装置故障信号、通讯中断信号等。

实时监测无功补偿装置(SVG)的运行参数，主要包括工作状态、输出无功功率、功率因数。测控保护信息，实时发出无功数据及累计发出无功量数据，实时监测电能质量(利用智能电表和电能质量测量仪):有功发电量、无功发电量、线电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等。

气象环境监测包括风速、风向、光照强度、环境湿度、环境温度、PV温度。

实时监测生产管理数据，主要包括配电室和中控室室内温度(以便控制排风制冷设备，控制设备的温度在正常工作范围内)、电子安保告警(通过安装门磁监视配电室、中控室门的开关)、火灾防护告警(通过安装烟雾、温度传感器监视火灾的发生)、视频图像采集(图像监视各生产设备的工作情况，如监视光伏组件表面的积尘情况)。

2.1.2 集成数据单元ISU模块

ISU是艾默生监控核心产品，功能强大，经济实用，可同时实现数据监控与图像监控，支持各种传输组网模式，具有16个光电隔离RS485接口，1个IP口，1个调试口，采用ARM9200 CPU，32M 内存，16 M固态Flash，支持双220 V供电和DC48 V供电，全端口防雷3 000 A，电源口防雷5 000 A。

2.2 中心信息处理

数据库服务器完成各子监控站监测数据的存储和备份后，由上层管理服务器对其提供的数据库数据进行处理。值班管理人员通过各自的监控管理工作站调用管理服务器上的监控信息，对系统进行维护管理、功能开发和测试。

2.3 通讯网络

由于光伏电站数量庞大、分布零散、位置偏僻，辅设专网难度大，因此集控中心和各地监控子站之间的通信通道需基于Internet搭建。系统划分为三级组网结构，具体说明如下。

1)集控中心的宽带接入。集控中心内所有服务器及监控管理工作站位于同一局域网内，通过三层局域网交换机组网。在内外网之间加防火墙，对内网数据加以保护。集控中心网络防火墙必须绑定独立的公网静态IP地址，需要与监控子站进行数据通讯的服务器在防火墙上配置好端口映射及访问策略，以便与各子站设备进行数据通讯。

2)各监控站的接入。在通讯建立前由监控站将其分配的IP地址主动告知集控中心(固定静态IP地址)，以便通讯链路的建立。

3)通信协议。对于实时遥测数据的通信协议采用IEC60780-104/MODBUS-TCP生产管理的传输协议和艾默生内部通信协议。视频监视传输协议采用业内通用的视频传输协议H.264。

2.4 SolarWeb管理软件模块设计

根据现场实际情况，实现SolarWeb监控系统功能要求，软件结构如图3所示。

图3 软件结构图

SolarWeb光伏监控系统的客户端软件分别是二级中心、三级中心、C/S客户端、B/S客户端和SPMS C/S客户端。各客户端的功能基本相同，主要包含4个模块，即组态(分布图和接线图)、报表管理、告警管理和视频管理。

B/S客户端:SolarWeb光伏监控系统的B/S客户端采用Asp.net+Silverlight混合开发模式，用于组态控件的呈现，而其他如报表管理、告警管理和视频管理在任何一款浏览器上打开Solar-Web网站便可以使用。

C/S客户端:SolarWeb光伏监控系统的C/S客户端采用C#Winfrom+WPF混合开发模式，WPF主要用于组态控件的呈现，组态采用直接访问数据库的方式，支持Oracle和MySQL数据库。用户需要在自己的机器上安装C/S客户端软件才可以使用监控系统。软件流程如图4所示。

图4 SolarWeb软件流程图

SolarWeb光伏监控系统客户端软件，支持组态功能，即用户可根据提供的组态配置工具配置出用户需要的界面，大大增加了软件的灵活性，而这种灵活性同时受益于C/S客户端和B/S客户端，即用户仅仅需要一份自己组装好的组态界面，既可以用于C/S客户端，也可以用B/S客户端。

3 工程应用实例

根据工程实际情况和客户需求，采用Solar-Web光伏监控管理系统对天合光能厂区2 MW项目、科教城1.099 4 MW 项目、奔牛机场150 kW项目、常州高铁站200 kW项目及即将建成的盐城50 MW项目、武威50 MW项目进行采样和监控。建立一个SolarWeb光伏监控系统平台，接入天合光能现有光伏电站。

3.1 传输解决方案

采集器位于逆变器或中控室，通过串行总线或以太网进行数据采集和传输，如图5所示。

图5 数据传输方案

监控中心内所有工作服务器和工作站，采用局域网连接。根据客户需要，采用双网备份方式，采集器与监控中心可采用因特网或局域网。

3.2 光伏新能源系统的功能与特点

1)实时监测功能。实时监测汇流箱运行参数以及各运行设备的运行参数。

2)远程控制功能。操作命令的优先级是就地控制大于远程控制。同一时间只允许一种控制方式有效，对任何操作方式，只有在上一次操作步骤完成后，才能进行下一步操作。

3)告警功能。设备发生故障时，发出告警信息，如电网电压过高、电网电压过低、逆变器过载等故障预警。

4)统计分析功能。系统具有在线统计分析功能，能生成各种统计报表，且可存储及打印。如告警统计表，操作控制统计报表，日总发电量，累计发电量计算，安全运行天数等。

5)系统容量大，组网能力强。系统软硬件设计采用模块化可扩充结构及标准化模块接口，便于系统适应不同规模和功能要求的监控网络系统。系统网络通行协议符合国际网络协议标准，操作系统选用国际通用的Windows操作平台，数据库管理系统选用通用的大型关系型数据库系统，总网络可实现大规模监控，区域容量可达5 000个站点，总网络容量达50 000个站点。

6)系统冗余设计。SPMS提供2路上报网口，可实现主备冗余通信。现场SPMS可独立完成光伏监控数据的采集、配量、存储。

7)安全性保障。系统在监控中心上位机发生故障或退出运行的情况下，各现场间隔级保护功能不受影响。通讯网络出现故障时，各间隔级保护功能不受影响。某一间隔级单元出现故障时，其他间隔级保护功能不受影响。现场SPMS可独立完成光伏监控数据的采集、配置和存储。

8)完善电站运营综合管理。系统除了提供基本监控功能外，为了满足电站运营管理的需求，还增加了以下管理功能:

①统计分析电站各类设备输出质量，并给出异常情况告警原因分析;

②提供各设备运营维护成本变化的统计分析，并给出引发异常情况的原因;

③维护人员绩效量化考核，系统具有故障派修工作票签发、批准、监护、终结电子化及维护工时自动统计的闭环管理能力。

3.3 系统主要性能指标

1)系统可用性指标:双机系统可用率≥99.9%。

2)快速实时响应能力:动态画面响应时间≤2 s，开关量变化传送时间≤1 s。

3)高可靠性:系统平均故障间隔时间(MTBF)≥20 000 h。

4)控制操作正确率100%，遥控动作成功率≥99.99%。

经工程现场调研和分析，在运行维护、综合管理及基本统计分析状态等方面，均达到规定指标，用户对设计、施工、运营表示满意。

4 结语

通过SolarWeb光伏监控及运营管理系统在常州天合光能有限公司的应用，表明该系统满足了电站的设计要求，并结合智能电网对分布式发电网精细管理的特点，为电站设备运行、维护及管理决策提供了一种全新、直观、高效的全面管理平台。

［1］茆美琴，苏建微，张国荣，等.大型光伏并网系统的建模与仿真［J］.合肥工业大学学报:自然科学版，2005，28(9):1069-1072.

［2］国家电监会.2010年度发电业务情况通报［EB/OL］.［2013-05-01］.http://www.serc.gov.cn/ywdd/201109/20110901_15292.htm.

［3］Stine W B，Harrigan P W.Solar Energy Fundamentals and Design with Computer Applications［M］.New York:John Wiley ﹠ Sons，1985.