逆变器直流柜监控系统的改造

刘加勇

（中节能东台太阳能发电有限公司 江苏盐城 224000）

因中节能东台电站发电项目中的一、二期60MW电站建设较早，组串没有采用智能监控汇流箱，而且现有北京四方继保的监控系统中，虽有逆变器的实时数据显示，但对汇流箱或逆变器进线侧无法监控到位、故障诊断。为提升电站发电管理，从源头上减少发电损失，利于电站运维，结合中节能已有系统基础，通过在118台直流柜侧加装霍尔传感器实现对824个汇流箱电流的监测。

1 改造的内容及方案

1.1 改造内容

实时显示118台逆变器（每台逆变器房有两台逆变器）直流侧各个回路电流采集状态。

逆变器直流侧电流显示数据和报警情况；可进行直流柜电流平均值对比、故障统计等功能。

1.2 改造方案

为了增加监控精细度，在原直流柜的正极电缆增加开口式霍尔传感器，精度为0.2级，每路霍尔传感器二次侧通过电缆接至信息采集单元；电源输入通过光伏熔断器接至信息采集单元。信息采集单元通过RS485接至监控管理机。

因增加对逆变器直流侧（汇流箱）的监控，结合电站已有监控设施，实现本地数据采集、网络传输、数据存储与应用三层组网方案，组网方式考虑在放置监控管理机的逆变房之间铺设通讯光缆，通过光纤环网交换机组成光纤环网，监控管理机通过光纤交换机完成数据的上传，其它逆变房的直流柜通过RS485与每区的监控管理机相连，完成数据的上传。

综合考虑RS485的通讯距离和减少通讯电缆铺设的工程量，相邻逆变房的光伏子系统使用1台监控管理主机。

升级后的系统具有：

（1）采用开口式霍尔，施工方便，施工周期短，无需改变原设备主回路；

（2）支持母线电压测量；

（3）隔离的RS485 Modbus-RTU通讯，提高了系统安全；

（4）采用模块接口丰富，可靠性高，采用单个模块加以组合即可以实现直流柜的采样功能；

（5）监控管理机协议兼容性强，可以批量采集大量的数据；

（6）采用光纤环网拓扑，可靠性高。

2 监控系统

兆瓦级及以上光伏电站占地广、设备数量及种类庞大、建设集中。目前最为广泛采用的是有线监控方式。本次监控改造系统整体架构包括本地数据采集、数据传输、数据存储与处理3部分。

2.1 本地数据采集

通过数据采集器与底层设备相连接，采集设备的实时数据，汇流箱电流，物理层广泛采用工业RS485总线，MODBUS协议作为总线协议。

2.2 数据传输

本次数据采集器与监控中心通讯网络间距较远，所以采用工业以太网光纤连接。基于TCP/IP的以太网是开放式网络，光线组网可采用星形拓扑结果或者环网拓扑结果。

星形拓扑结构属于集中控制性网络，整个网络由中心节点执行集中式通讯控制管理，各分节点均直接与中心节点连接，中心节点与分节点之间直接进行数据交互，若某节点总线缆出现故障，将导致数据无法传输；总布线距离长。

环网拓扑结果可利用它的自愈性能，将线路切换至备用线路上，从而保证信号的实时畅通，实现高可靠性、多备份和信号迅速恢复的要求。

中节能东台电站项目本次改造采用的就是光仟环网即环形拓扑结构。该项目为直流侧升级改造项目，及在直流侧增加电流传感器采集汇流箱电流。

2.3 工业以太网优点

工业以太网基于TCP/IP协议，为标准开放网络，兼容性和互操作性好，资源共享能力强，数据传输距离远，传输速率高，易于Internet互联，成本低，与计算机、服务器的接口十分方便，技术支持广泛，采用RS485转工业以太网的形式，将底层设备的运行数据上传至电站监控中心。

3 改造功能

电流采集曲线，显示直流柜总电流采集曲线。

直流侧通讯，实时显示各汇流箱工作状态：红灯为报警、绿灯为通讯畅通，黄灯通讯中断。

实时监控-直流柜窗口：

直流柜窗口功能模块包括：电站实时直流柜数据、功能按钮、汇流箱。

直流柜数据：

显示逆变房中两个直流柜的实时数据；及组串位置及状态图。

报警记录窗口：

报警记录窗口功能模块：显示逆变器报警和组串报警功能。

4 监控系统施工流程和其软件算法实现

4.1 施工流程

（1）对118台逆变器直流柜8个回路进线安装开口霍尔。

（2）对118台逆变器直流柜中各安装一套数据采集器（模拟信号转换成数字信号）、电压测量装置、模块电源装置，并用485通讯线连接至监控管理机。

（3）每套监控（通讯）管理机（485-以太网）、光纤环网交换机（以太网-尾纤）、光纤终端盒（尾纤-光纤）。

（4）在主控楼二次设备室通讯柜中安装一套光纤转换器（光纤-尾纤）和光纤环网交换机（尾纤-以太网）。

（5）在主控室后台监盘桌上安装一套服务器（主机）和显示屏，便于各逆变器直流侧进线回路电流实时监控。

4.2 监控原理和软件算法

直流侧数据是通过数据采集模块将电流传感器采出的模拟信号转换为数字信号，然后通过通信管理机将数字信号转换为TCP信号，最后通过光纤环网交换机将TCP信号转换为光信号传送至电站主控室监控中心。

电站监控系统将每路电流与每路的装机容量进行单位装机电流实时计算，并与相近位置的直流电流进行比较。若电流数据与相近位置的直流电流上下浮动超出10%的范围，即刻弹出声光报警，显示出报警所在地理位置并记录到报警记录中，便于对设备发生情况进行追踪、分析。当发生通讯线路问题引起通讯中断时，同时发出声光报警，显示出报警所在地理位置，并记录到报警记录中。

5 改造结论

改造前，我们少则一天、多则半个月才能发现汇流箱跳闸未运行（通过逆变器之间发电量的对比），总共824个汇流箱，按照一个汇流箱下含有336块太阳能组件，根据年发电量统计，每块组件日平均发电量为1度左右，1个汇流箱每天发电量为336度左右，根据现有运行维护统计，按照故障率为0.5%算，平均每日有4.12个汇流箱故障，按照日发电量算为1384度电，按照上网电价1.4元算，日损失为1938元（这还是按一天后及时发现的情况下），通过这次对电站逆变器直流侧的升级改造，根据现场监控设备数据的采集、比对、分析、并生成报表、曲线、图形、音响报警和弹出报警对话框提示等，使我们随时掌握逆变器下侧的汇流箱以及逆变器的运行状态，提高了监盘人员对设备告警、故障发生后的判断反映速度，缩短了维修时间，提高了电站的运行维护效率，变相的保证了和提高了发电量，保证了电站年度运营经济指标。