20 MW光伏电站监控系统设计与优化

姚珏菂，王延民，孙东旭

（北京华电天仁电力控制技术有限公司 北京 100039）

内蒙赤峰市某20 MWp光伏发电项目，一年中温差大，最高温度可达39℃，最低温度为-30.1℃，给监控系统设计带来了极大的挑战，而且该项目在原有的风场的基础上进行扩建，需要与原有的监控系统进行通讯获取相关参数，也增加了系统的复杂性。基于以上特点，本文设计了一套完整的光伏电站监控系统，不仅能适应现场的恶劣的环境，而且方便与其他系统通讯。

1 系统设计原则

项目原有风电场风机总装机容量为100 MW，拟建光伏发电站规划装机容量为20 MWp。已建风电场区域内已配套建设一座220 kV升压变电站，拟建光伏发电站所发电量以一回集电线路全部接入已有220 kV升压变电站。需对新建20 MWp光伏电站设计监控系统，并兼容升压站系统接口。220 kV升压站已建设监控系统，但是功能不完善，需进行扩容。

结合项目需要，依照《电力系统调度自动化设计技术规程》、DL/T 5002-2005《地区电网调度自动化设计技术规程》、《光伏发电站设计规范 GB50797－2012》、《内蒙古电网光伏电站接入电网技术规范》等国家标准、行业规范的要求，系统设计原则为[1]：

1）完整性

系统能够完成不同厂商不同种类不同型号设备的监测数据统一完整采集，提供实时数据、周期采样数据、事件数据的应用服务。

2）规范性

系统建设遵循有关国家标准、国际标准、电力行业有关标准。制定或完善相关标准规范，确保监测设备、监测数据通讯的规范性。界面设计遵循有关界面设计规范。

3）扩展性

硬件扩展性：系统能够广泛适配新接入监测设备的通信接口。软件扩展性：软件功能模块应可重用、可配置、可拆卸。

4）开放性

系统能够同各类专家系统进行数据信息交换。系统能够与电网调度等系统进行数据信息交换。

5）集成性

能够集成环境、安防、电能量、电能质量等监测数据，分类处理，分类存储，统一界面显示监测数据。

6）可操作性

界面友好，操作方便，注重用户体验。

7）适应性

适应光伏电站的内电磁及自然环境的复杂性。适应光伏电站各类系统的可接入性。

2 需求分析

按“无人值班、少人值守”的原则，针对赤峰市某20 MWp光伏发电项目的具体需要，对系统需求进行分解。

1）光伏发电监控系统及保护

本工程光伏发电系统由20个1 MWp的发电单元构成。每个发电单元包括光伏阵列、汇流箱、直流防雷柜、2台500 kW的逆变器、分裂变压器及相应的监控、保护设备组成。

每1 MWp光伏发电单元配置1面光伏阵列区网络通信屏，内设规约转换装置、交换机，就地安装于逆变器室内。箱变内配置箱变保护测控装置，实现对箱变的保护（电气量保护及非电气量保护）及测控。规约转换装置通过屏蔽双绞线（RS485总线）获取逆变器、汇流箱、箱变测控装置的运行参数、故障状态和发电参数。规约转换装置经光纤交换机通过单模铠装光缆接入升压变电站内光伏发电监控子系统，采用环网组网方式，实现升压变电站内对各光伏发电单元运行参数的监视、报警、历史数据储存等统一管理。

2）升压站监控

增加防误闭锁系统。微机防误操作系统前期已经装设，仅增加相应锁具，并对微机防误操作系统进行扩容。

保证监控系统与其它智能设备的通讯对接。对于重要的设备状态量信号或报警信号采用硬接点方式接入I/O测控装置，配置智能型公用接口装置，通过RS－485串口方式实现与智能设备之间的信息交换，经过规约转换后通过以太网传送至监控系统主机[2]。

3）系统调度自动化

实现采集35 kV线路的有功功率，无功功率，三相电流；全场光伏组件有功功率总和、无功功率总和、发电量、功率因数；单台逆变器的有功功率，无功功率，电压，电流；光伏电站辐照度、环境温度、事故总信号、35 kV线路断路器双位置、隔离手车位置及接地刀闸位置信号、光伏电站的运行事件记录，包括并网状态、单台逆变器投退状态、故障检修状态以及运行状态等信息。

4）恶劣环境运行

考虑到运行环境特殊性，系统应具有环境监测功能。系统由风速传感器、风向传感器、日照辐射表、测温探头及配套支架组成，可测量风速、风向、环境温度和太阳光辐射强度等参量，通过RS485总线或光缆传输方式将数据上传至光伏阵列区监控系统，实时显示、记录环境数据。

5）有功功率控制（AGC）系统

根据本工程可研阶段设计及相关要求，光伏电站配置有功功率控制系统，具备有功功率调节能力、参与电力系统调频、调峰和备用的能力。光伏电站通过有功功率控制系统接受并自动执行电力系统调度机构下达的有功功率及有功功率变化的控制指令，确保光伏电站有功功率及有功功率变化（包含10 min和1 min有功功率变化）按照电力调度部门的要求运行。

6）无功电压控制（AVC）系统

光伏电站应配置无功电压控制系统。光伏电站应能根据电力调度部门指令，自动调节其无功功率，控制并网点电压在正常运行范围内，其调节速度计控制精度应满足电力系统电压调节的要求[3]。

无功功率和电压调节控制的对象包括逆变器无功功率、风电机组无功功率、升压变电站无功补偿装置、主变分接头等，优先采用逆变器、风电机组无功功率及无功补偿装置进行调节。

7）光伏发电功率预测系统

光伏发电功率预测系统通过采集数值天气预报数据、实时环境气象数据、光伏电站实时输出功率数据、光伏组件运行状态等信息，可按照电网调度技术要求，实现标准格式的短期功率预测、超短期功率预测（短期光伏功率预测预测光伏电站未来0～72 h的光伏输出功率，时间分辨率为15 min。超短期光伏功率预测预测未来15 min～4 h的光伏输出功率，时间分辨率为15 min），以及光伏电站实时气象数据、装机容量、投运容量、最大出力等信息的上报。

根据《电力二次系统安全防护规定》的要求，光伏发电功率预测系统配置隔离装置、防火墙等安防设备以满足电力二次系统安全防护规定的要求，确保系统运行于电力系统安全II区。

3 系统方案

3.1 系统架构

为了解决监测设备分散独立、无法进行远程集中监控和诊断的问题，本系统接入所有的光伏电站在线监测设备，进行设备统一管理，设备运行数据统一采集、查看和分析，提供综合全面的运行状态监测、运行告警发现与通知、数据查询分析、设备运行管理[4]。

为实现设备的动态扩展接入，系统应能实现在不进行二次开发的情况下即能完成新增监控设备的接入。设备数据接入后进行分级存储，分类汇总统计，利用监测数据和事件信息，可以实现电站设备的集中远程监控，也可以为故障诊断提供技术手段和数据支持，亦为电站管理提供全面的统计数据和各类报表。

系统架构如图1所示。系统分为4个层次实现：应用层、服务层、设备驱动层、数据层，每个层次负责各自的处理，最终通过组合形成使用者可使用的系统功能。应用层负责与使用者进行交互，它负责将使用者所需数据以直观、合理的方式按照使用者的需要展现给使用者，并记入使用者的输入信息或操作指令，以传递给服务层进行处理；服务层负责进行业务的实际处理、数据运算、处理流程的控制；设备驱动层负责与设备进行通讯，从设备中获取数据，并进行解析，转换成系统能够识别的数据格式；同时，还提供以上的逆向处理，即将系统希望发送给设备的信息组织成设备能识别的格式并传送给设备。

图1 系统架构图Fig.1 System architecture

3.2 系统拓扑

系统采用分层环网式结构，上层网络采用光纤环网结构，下层光伏监控子系统采用了通信管理机与站内智能设备进行通信接口，如图2所示。通信管理机是一种通信协议转换 装 置[5]， 支 持 包 括 Modbus、DNP3.0，IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104等在内的常用电力通信规约，通信管理机提供12、24个通信口，每个通信口都可以支持RS232、RS485和RS422通讯，因此对于同一类型的通讯装置，可以采用RS485总线接入到通讯管理机其中的一个口，即通过通讯管理机的一个口可以接入多台设备，因此系统具有很强的扩展功能[6]。本系统通过通信管理机接入所有的光伏电站在线监测设备，进行设备统一管理，设备运行数据统一采集、查看和分析，提供综合全面的运行状态监测、运行告警发现与通知、数据查询分析、设备运行管理。

图2 系统拓扑图Fig.2 System topology

为实现设备的动态扩展接入，系统能实现在不进行二次开发的情况下即能完成新增监控设备的接入，设备数据接入后进行分级存储，分类汇总统计，利用监测数据和事件信息，可以实现电站设备的集中远程监控，为故障诊断提供技术手段和数据支持，也为电站管理提供全面的统计数据和各类报表。

图3 系统运行逻辑图Fig.3 System operation logic

系统控制逻辑如图3所示。各个通讯管理机具有逻辑控制功能，可以根据现场需要完成复杂的逻辑运算功能。如实现对负荷的最优分配，开关量逻辑的连锁，闭锁等逻辑，可以有效实现系统的最优运行，极大的减轻运行人员的工作强度，并能实现系统的安全稳定运行。

分层式部署架构平台采用SOA架构将涉及诸多的资源都抽象为服务，利用高效统一的API接口和数据交换格式，通过服务间的组合和交互形成全面完整的系统应用。各服务间各自独立，分层部署，完全松耦合，各服务可独立升级和维护，不影响其他功能的应用。通过服务管理对各服务进行注册，通过服务调用流程LUA后台逻辑动态控制业务逻辑，形成各种应用。

设备ADP分为物理层、协议层、数据层和控制层，物理层与设备对接，支持不同的接口类型（RS232，RS485，网络接口等），并在物理层实现消息路由功能，提供数据透传。协议层对物理层上送的数据进行规约匹配和解析，解析的数据上发给服务层处理。同时对服务层下发的消息进行规约组装，通过物理层下发给设备。数据层分析采集数据，进行分类和分级存储，对偏差不大的数据进行过滤，对异常情况（数据偏差大，有告警，数值超过阀值等）发送消息通知应用层以及是地展示或通知给使用者。任务管理对采集或设备远程控制任务进行控制，实现数据的自动采集，动态变化采集频率，实现数据的补采和重采。

通过这种拓扑设计新建监控系统能够很好地兼容升压站监测数据，且对原系统工作不产生影响。

4 应用效果

该系统于2013年底投入使用以来，运行稳定，完全达到了项目预期要求。20 MWp光伏电站监控系统运行情况见图4～图 6。

系统有效实现了单设备监控、设备群监控、运行监控、远程调度、环境监控等各项功能，达到光伏电站自动化调度的目标。

5 结 论

图4 20MW系统连接运行图－北区Fig.4 20 MW system running－north district

图5 控制系统连接运行图Fig.5 Control system running

针对项目需求，讨论了在已有系统下扩容和新建光伏电站监控系统的方法。采用设备ADP和设备规约库的智能数据采样体系电站设备种类和型号各异，各设备的通信接口和协议也都有差别，即便是同种设备也由于厂商、型号的不同而不同。针对这种情况，对每个设备进行单独开发接口已不合适。为解决这个问题，本系统采用设备适配器（ADP）模式（智能设备适配器）实现智能采集。

由于光伏电站建设地区环境通常比较恶劣，在系统设计时应着重考虑设备环境适应能力，特别是温度、湿度等因素。

随着光伏电站及分布式光伏发电的发展，国家对光伏发电的投入也在加大。由于新能源及分布式发电本身的特征，对电网的稳定性是一大挑战，电网有效的调度重要性突现出来。监控系统作为光伏电站控制自动化和调度自动化的基础，不断研究优化其设计方法具有实际意义。

图6 20MW系统主要设备通讯状态Fig.6 20MW the main equipment system state

[1]孙悦红，司慧琳，林建进.光伏电站远程监控系统设计[J].微计算机信息，2012，28（7）:34-36.SUN Yue-hong，SI Hui-lin，LIN Jian-jin.The designof the remote monitoring systemfor PV powerplant[J].Micro Computer Information.2012，28（7）:34-36.

[2]张筱文，郑建勇.光伏电站监控系统的设计[J].电工电气，2010（9）:12-13.ZHANG Xiao-wen，ZHENG Jian-yong.Design of monitoring System for photovoltaic power station[J].Jiangsu Electrical Apparatus，2010（9）:12-13.

[3]王成福，李锐，刘辉荣，等.光伏发电监控系统的设计与实现[J].电力系统通信，2011，32（224）:53-54.WANGCheng-fu，LIRui，LIU Hui-rong，et al.The design and implementation of photovoltaic power generation monitoring system[J].Telecommunications for Electric Power System，2011，32（224）:53-54.

[4]邓清闯，李朝锋，胡韵华.光伏电站监控系统方案设计[J].电力建设，2013，34（12）:28-31.DENG Qing-chuang，LI Chao-feng，HU Yun-hua.Scheme design of monitoring system for photovoltaic power station[J].Electric Power Construction，2011，32（224）:53-54.

[5]黄海宏，朱晶晶，梁平.通用型光伏电站监控系统的研制[J].电气自动化，2010，32（5）:30-33.HUAG Hai-hong，ZHU Jing-jing，LIANG Ping.Development of general purpose monitoring system for PV power station[J].Electrical Automation，2010，32（5）:30-33.

[6]李旭阳，马亮，林锥，等.光伏电站监控系统的研究与开发[J].电子设计工程，2013，21（19）:69-72.LI Xu-yang，MA Liang，LIN Zhui，et al.Research and development of photovoltaic plant’s monitoring system[J].Electronic Design Engineering，2013，21（19）:69-72.