iP9000系统在密云光伏电站监控系统改造中的应用

2023-01-04史小杰谷亚飞张宏艳

水电站机电技术 2022年12期

史小杰，谷亚飞，张宏艳

（1.北京华电水电有限公司,北京 101500；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

华电（北京）新能源发展有限公司所辖光伏电站占地约54 hm2，共有集中式光伏装机容量20 MW，包含地面固定式、单轴跟踪式及双轴跟踪式；分布式光伏装机容量0.3 MW，包含屋顶分布式、车棚分布式及农业大棚分布式。发电系统由8万块多晶硅光伏组件产生直流电，经375台汇流箱送至直流配电柜，经42台逆变器逆变为符合电网要求的交流电能后，再经过21台箱式变压器升压至10 kV，由4条线路送出至太子务及统军庄变电站。电站设计年度发电量2 500万kW时，减排标煤8 750 t，减排二氧化碳25 000 t，为北京市第一个投产的大型地面光伏电站项目、北京市荒滩治理示范项目、北京市节能减排示范项目。

电力监控系统中接入逆变器、汇流箱、箱变及开关、线路高压柜的各种模拟量及开关量信号，实现对这些设备的监视及控制。原电力监控系统是由深圳市金宏威技术股份公司开发的PVS2000（V1.0）综合自动化系统，至今已运行超过10年。由于原电力监控设备老化、数据通信不稳定，经常会发生死机问题，操作逻辑不清晰，报表计算需要大量时间等问题，且不符合如今电站安全要求等因素，同时为了满足电力监控系统与调度数据网接入需要，对原监控系统整体进行替换、改造。改造采用北京中水科水电科技开发有限公司（以下简称“中水科技”）自主研发的iP9000智能一体化平台作为华电密云光伏电站的全分布开放式网络控制系统，实现对电站整体进行信号数据监控、数据整合分析、统一运行维护等。

1 系统结构

基于iP9000智能一体化平台建设的电站监控系统整体结构采用开放式分层分布结构，按功能和地理分布划分为站控层及现地层，在现地层和站控层间采用加密通信方式，保证了数据的完整性和安全性，大大加强了电站整体数据的安全等级。

站控层的中控设备布置在变电站主控制楼内的计算机室及主控制室内，作为中控系统主要负责光伏区域监控数据的采集处理、操作控制、经济运行及优化调度、综合计算、运行档案管理、事故故障信号的分析处理。

现地层的采集、控制设备为中水科技自主研发的0208通信控制器，布置在光伏阵列区逆变器室通信控制柜内。现地共有21个光伏阵列，每两个子阵共用一套现地设备，共为11套现地控制设备，现地设备采用光纤环形网络连接组成整个现地层。现地层设备主要完成相应光伏子阵相关设备的实时运行数据采集功能，上送至站控层；同时接收站控层的开停机控制指令和负荷分配调节指令等，并下发指令至逆变器、汇流箱、箱变等设备。

电站控制网硬件主要由站控层的双冗余热备主干网交换机以及与现地层的环网交换机构成。站控层网络选用以太网结构，物理结构为双星型，网络传输速率为1 000 Mbps且为自适应式，采用TCP／IP协议，网络传输介质为双绞线，站控层各设备挂在控制网交换机上，采用双网冗余接入方式。现地层网络采用环网结构，通过光纤将11个光伏区环网交换机和监控系统的汇聚环网交换机连接起来，挂在该层网络上的设备为现地控制级设备，各通信控制器与站控层实时监控服务器的通信链路之间部署纵向加密装置，实现对数据加密保护功能，保证电站数据的安全性和保密性要求。每个通信控制器通过RS-485联通汇流箱系统、逆变器系统以及箱变系统，均采用Modbus串口协议通信，数据采集整合后再通过IEC104规约上送站控层采集设备。整体系统结构如图1所示。

图1 监控系统网络结构图

电站控制层设备按照精简的方式配置，共由2台操作员工作站、2台实时监控服务器、2台远动通信服务器、1台AGC服务器、主干网交换机、汇聚纵向加密装置、环网汇聚交换机组成。

2套操作员工作站，其作用完全相同，为双机热备工作方式。操作员工作站作为操作员人机接口工作平台，负责全厂的运行监视、控制及调节命令发出，设定或变更工作方式，各种图表曲线、报表的生成、打印，及人机界面等功能。通常，全厂所有设备的运行监控都在操作员工作站上进行。

2套实时监控服务器，也为双机热备工作方式，因光伏电站的数据量不大，且采用了精简配置，实时监控服务器承担了数据采集、实时库处理、系统管理及历史库服务的功能。负责厂站层的数据采集、处理及卫星系统时钟管理等；完成历史数据的生成、存储，事件、告警信息存储等，历史数据库数据在不同机器的磁盘中进行备份储存；同时负责本系统电站层计算机综合计算、运行档案管理、事故故障信号的分析处理及其他应程序运行等任务。

2台无盘工作站作为远动通信工作站与调度通信，具有远动数据处理、规约转换及通信功能，满足调度自动化的要求，并具有串口输出和网络口输出能力，能通过调度数据网通道（实时控制A、B网）与各级调度端主站系统通信的要求。

为满足计算机监控系统安全稳定运行、调度数据网接入需求，服务器和网络设备均采用国产化设备，操作系统为国产凝思操作系统，并完成各设备的安全加固配置，达到二级等保测评的要求。

2 iP9000计算机监控系统功能

本系统采用的iP9000智能一体化平台，是一套完整的计算机实时控制系统，在提高数据精度、丰富数据属性、数据质量标志、数据趋势报警、智能报警处理等方面的研究开发显著提高了系统的数据处理功能[1]。

2.1 数据的高效处理

为提高监控系统的实时性，减少数据传输量，现地通信控制器对实时数据采用不变不送加定时全送的方式，对模拟量无变化时不传送，当变化超过传送死区或数据品质有变化时传送；状态量有状态变位或数据品质有变化时才传送，同时当达到定时周期时进行全数据传送，更新监控系统实时数据库。

2.2 运行设备的监视

光伏电站的现地层占地面积较大，维护起来比较困难，因此监控系统可以实时采集主要设备的运行状态和运行参数，并作必要的预处理、计算，存于实时数据库，可进行画面显示、控制调节、记录检索、统计报表、运行指导和事故分析等。

采集的信息包括现地层各逆变器的运行参数和运行状态，通信控制器的状态及与光伏区各设备的通信状态，站控层服务器的CPU及负载、内存及磁盘状态、网络接口状态、系统安装的软件列表、系统运行的进程列表等，交换机的CPU、内存、网络接口、端口状态等信息。这些信息的采集和显示能够更好对全厂各设备的状态进行安全监控，当它们发生异常、运行状态发生变更或参数超越设定限值等时，及时产生告警，报告值班运行人员进行精准地快速处理，同时进行实时记录，以便分析查验，极大地提高了处理故障的效率。

2.3 友好安全的人机操作

为方便报警记录信息查询，iP9000系统提供灵活的历史数据查询手段，如过滤器功能，对各种报警历史数据进行分类、筛选形成报告，并可打印。

系统根据设定的事故追忆点及事故追忆采样周期，对追忆量进行前若干秒追忆，后若干秒记录，形成事故追忆记录(事故追忆采样周期可设定)。事故发生时，可根据预置的追忆信息快速地将事故报警信息、追忆数据等从历史数据中提取显示。

iP9000系统还在控制方面具有独特而完善的防误操作功能，可以确保由计算机系统发出的命令安全可靠。控制具有防误闭锁和互锁功能，当控制点被选择后，在控制过程结束或中断以前它处于闭锁状态，其他人不能对它进行控制和操作。监控系统会对各项操作指令进行条件判断，满足预置条件则执行，不满足条件则闭锁，并弹出操作条件显示判断窗口，给运行人员提示闭锁原因，当满足操作条件时才可将命令下达通信控制器，并作用于各设备。

iP9000系统在光伏电站监控方面具有很多高效且实用的优势：画面显示数据及时、准确，可以实时查看日、月、年发电量数据、发电功率、发电时间、环境数据等参数报表、曲线等。且通过数据整合分析、计算可以清晰了解发电情况和电站运行数据，提高了电站整体管理效率，降低了运维人员监盘的难度。

3 改造难点及系统优化

3.1 通信规约复杂性

原电站的监控系统已运行超过10年，资料已不完全，除了新改造的逆变器有完整的点表资料、规约外，箱变、汇流箱都没有针对实际情况留下的点表资料和通信协议，且旧系统数据点表无法导出查看地址。为了保证新监控系统数据采集的准确性，在数据实际接入监控系统的之前，由调试笔记本搭建模拟站控层监控系统，直接采集箱变、汇流箱等数据，与原监控系统进行核对，不断摸索数据地址和参数，最终确定正确的规约和点表地址，消除各种由数据点不确定带来的隐患。

3.2 新老系统无缝切换

原监控系统的现地层也为环网结构，为了保障新老系统无缝切换，保障电站的运行安全性。在调试过程中，选择一个通信控制器管理的光伏子站进行试点调试：①采用调试笔记本对现地各设备采集参数和规约进行核对，确保上行数据和下令命令的正确性；②将新监控的现地设备替换老设备，并接入环网中，直接与新站控层的监控系统进行通信，同时保留老的监控设备，如果在调试过程中出现问题，可迅速切换到老监控系统进行监盘；③逐步把每一个光伏区的通信控制器替换为新系统的设备，并依次核对数据和进行控制试验，直至全部替换完成；④拆除原监控系统的站控层及现地层设备，平稳地将老系统过渡为新系统，并且无长时间数据采集中断的问题，确保了光伏电站安全、连续的监控工作。

3.3 智能报警及统计分析

相比于旧系统，新系统采用更先进的计算逻辑，根据实时采集到的数据进行周期、定时计算分析，形成各种有实际分析意义的实时或历史数据，帮助运行人员对电站设备的运行进行全面监视与综合管理。例如：发电量日、月、年报表分析，发电减排统计，辐照度、室外温度变化等环境数据记录，主要设备运行工况统计计算等。并且实现了通过防火墙与安全Ⅱ区的功率预测系统通信，发送电站发电数据并接收预测信息用来优化发电效率等功能。

对于某些特定数据，采用了条件报警的功能，只在某些特定的情况下才产生报警，过滤了大量无用的变位数据，精准定位到故障信息，减轻了运维的压力。