一种分布光伏并网监控系统的设计与实现

2024-04-09吴小欢孟浩杰邓悦怀唐正涛赵明朗喻擎苍

科技创新与应用 2024年10期

吴小欢孟浩杰邓悦怀唐正涛赵明朗喻擎苍

摘要：在我国分布式光伏发电迅速发展情况下，该文针对目前电网对接入光伏的电能质量和孤岛防护缺乏有效监控等问题，设计并实现一种分布光伏并网监控系统。该系统包括本地监控系统和远方智能监管平台两大部分，具有电能质量监测，孤岛防护，电压、电流、频率微机保护等功能，并实时上传远方智能监管平台，能在远方智能监管平台操控本地断路器实现远程调控。该系统组合出多种形式的一次柜。

关键词：分布光伏；并网；电能质量；监控；监管平台

中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）10-0039-04

Abstract： With the rapid development of distributed photovoltaic power generation in China， this paper designs and implements a distributed photovoltaic grid-connected monitoring system in view of the lack of effective monitoring of the power quality of connected photovoltaic and island protection. The system includes two parts： the local monitoring system and the remote intelligent supervision platform， which has the functions of power quality monitoring， island protection， voltage， current and frequency microcomputer protection， and uploads the remote intelligent supervision platform in real time. It can operate the local circuit breaker in the remote intelligent supervision platform to realize remote control. The system combines various forms of primary cabinets.

Keywords： distributed photovoltaic; grid-connected; power quality; monitoring; supervision platform

在全球生态环境持续恶化的背景下，风力发电、太阳能发电等新一代清洁能源已成为世界各国新能源发展的主要目标。光伏发电有建设周期短、使用寿命长、投资回报率高等特点，近几年来光伏电站发展迅猛，截至2016年底，我国光伏发电累计装机容量77.42 GW，位居全球第一[1]。根据国家能源局印发的《电力发展“十四五”规划工作方案》[2]，至2025年我国光伏发电规模将达到5 600 GW以上。

但光伏发电除了发电量不受控等问题外，对电网侧而言仍存在其他问题亟需解决，特别是对广大的分布式光伏[3]，主要有：①对接入的光伏电能质量缺少有效监控[4-5]，随着光伏占比的不断提升对电网电能质量的影响日益增加。②系统检修人员对每台逆变器的防孤岛装置是否已经正确动作、是否可能误重合缺少有效监控，存在引发检修人员人身事故的巨大风险。

近年来，对光伏电能质量监控的研究不断增加。黄海涛[6]设计了带有电能质量监测模块的以Zigbee网络协议为基础的工业用电一体化监控系统。宋池[7]针对性地设计了电能质量监测系统，利用搭建的光伏电站的仿真模型，模拟实际发电参数，利用差值解决精度差异，模拟不同状态下光伏电站的电能质量。李琴等[8]对于光伏电站的监控系统的检测数据类型不够广泛的问题，设计了一种基于NB-IoT的可以自主选择检测数据的光伏电站监控系统，但是并未提到光伏电能质量的检测数据类型。毛亚峰[9]设计一套具有实时数据监测、智能控制、远程监控、移动端数据监测、电能质量分析和数据库管理等功能的微电网监控系统。

本文设计并实现了一种分布光伏并网监控系统，该系统具有电能质量监测，孤岛监测和防护，电压、电压、频率微机保护等功能，并实时上传远方智能监管平台，能在远方智能监管平台操控本地断路器实现远程调控。该系统可用于光伏站进出线柜。

1 光伏并网监控系统总体设计

本文设计并实现的光伏站并网监控系统包括本地监控系统和远方智能监管平台两大部分。这2套系统均采用功能模块化设计，具有系统扩展和后续升级的便利性。

1.1 本地监控系統

本地监控系统安装在光伏站的一次柜中，主要由电量采集、保护、断路器控制、通讯、主控器和本地显示等模块组成，如图1所示。

电量采集模块对电压、电流、频率等电气量进行采集，并得出偏差、谐波、波动和不平衡等数据。

保护模块提供过欠电压、高低频、电流三段、防孤岛和跳闸后自重合等保护动作。

断路器控制模块驱动电动操作机构，实施断路器的开合。

通讯模块中包含有线城域网和无线4G/5G与远方智能监管平台构成通讯，另外预留LoT用于本地柜子间通讯，减少柜间控制电缆的布线量。

主控器是枢纽功能部件，与上述各部件之间实行星形以太连接，协调电量采集、保护控制、远方通讯、断路器操作、远方遥控和保护参数遥调等。

1.2 远方智能监管平台

远方智能监管平台的功能层级如图2所示。这些模块按类型可分为用户管理、数据库操作、场站信息设置、保护参数设置、消息事件、数据分析和调度员指令等。

2 光伏并网监控系统的实现

2.1 主控制器与通讯

主控制器的主控芯片采用STM32H750，Cortex-M7内核，工作频率480 MHz，128 KB闪存，16 KBI缓存加16 KB的D缓存可实现零等待执行，具有双精度浮点单元，加密/哈希硬件加速，LCD-TFT控制器接口支持双层图形，JPEG硬件加速器，包括FD-CAN、USB 2.0高速/全速、以太网MAC和摄像头等35个通信接口，32位并行接口支持SDRAM存储器。

本文以STM32H750为基础的主控板实现如图3所示。根据与各部件的连接需求，引出一路485口连接电量采集模块，一路CAN连接断路器控制器模块，自定义改装一路485连接保护模块，一路串口连接串口屏作为本地显示。

考虑到通讯是必选的模块，因此本文将通讯部分直接布置在主控板上，以减少模块数量和连线布置。4G模块采用EC200N，支持WiFi，支持STA、AP模式，最大下行10 Mbps，最大上行5 Mbps。以太网口接自主控芯片。

2.2 保护与电量采集

保护与电量采集等装置和部件已有相当长时间的运行经验，装置和部件已较为成熟，可靠性高，并且相当一部分装置和部件具有一定能力的通讯能力。量产装置和部件的集成应用可极大拓展本系统的包容性并降低成本。

但目前大部分部件采用半双工485总线，也就是说只能由主控制器发起通讯来获取数据，部件无法主动发起汇报。此外，保护装置必须有断路器当前状态的输入才能正确动作，断路器当前状态的获取是将断路器的辅助触点接入保护装置，这种接入不是485总线能够直接提供的。

为了能将现有保护装置集成到系统中，本文设计并制作了一种保护融合板如图4所示，该板自定义了一种总线接口，在原来半双工485基础上利用了空余的绞线，增加了断路器状态线和中断线。工作流程如下：①断路器状态线通过迁移继电器将断路器的开合状态迁移到融合板上，再输入保护装置；②保护的跳闸和合闸出口接入融合板，合并后通过中断线向主控器提出中断申请；③主控器的中断立即发起標准485通讯，读取保护动作事件；④主控器根据动作事件，向断路器电操发出跳闸或合闸指令。

电量采集模块的集成。作为非即时响应模块，半双工485Modbus协议的第三方电量模块均可集成到本系统，采用115 200 bps波特率轮询读取电量参数，主要有：三相相电压、线电压、相电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、三相电压不平衡度，以及三相相电压和相电流的1～25次谐波等等。

2.3 本地控制与设置

为节省成本，本地显示是用户可选模块，本系统支持800*400触摸串口屏用作本地的显示、控制和设置，提供了一次接线图、总体电能质量、各次谐波参量、当前发电信息、本周发电信息、本月发电信息和设备参数设置7个页面。一次接线图以图形化方式显示了所配置的一次设备和断路器投切状态，反映一次系统的运行方式；电能质量界面展示了线电压、相电压、线电流、频率，以及有功、无功和视在功率等电量信息，作为电能质量重要参数的谐波包括了并网点相电压和出线相电流的1～25次谐波，电压偏差、频率偏差、三相不平衡、频率偏差和谐波等电能质量超标参数即用警示色显示，并立即上报远方智能监管平台。

用户在屏幕上触摸断路器图标即可对该断路器进行开合操作，以改变运行方式。屏幕上可操作的断路器图标是由qt的QButton控件派生而成，以实例形式叠加于一次接线底图。图5为本地保护设置界面，本系统有过/欠电压、高/低频、逆功率、联跳、过流Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ段和跳后重合等保护，用户可设置保护压板是否投入、动作阈值和动作时延等。

2.4 远方智能监管平台

远方智能监管平台通过采用分布式服务框架、缓存和消息队列等中间件以及自动化测试和部署等技术，满足高并发访问、持久化存储和共享访问等需求。

后端服务采用Spring Boot和Spring Cloud框架，以及Spring Cloud中的Eureka、Feign、Hystrix等组件实现。后端服务采用微服务架构，包括用户认证、实时数据采集、远程命令管理、设备告警和设备管理等，通过REST API或RPC接口进行通信，使用Redis和ActiveMQ消息队列等中间件进行缓存和异步处理，以提高系统的并发性能和响应速度。

本文开发了数据采集前置机系统，将业务系统与数据采集和控制系统解耦，极大提升平台的可扩展性。数据库使用了多副本和分布式分区等技术，以保证数据的安全性和可用性。同时，还使用了MongoDB和HBase等NoSQL数据库作为辅助数据存储，以支持非结构化和半结构化数据存储和访问。

可视化展示和操作平台采用React和Redux框架，以JSON数据传输格式通过HTTP协议向后端发送请求，响应的数据以列表或地图模式显示。图6显示了监管区间内的光伏站，电源质量正常和异常的站点用不同颜色区分。

点击场站图标即可进入厂站子系统，图7显示的是该厂站主接线和即时运行状态。该图的每个可遥控断路器均用Ant Design UI组件库的Button控件设计，点击主接线图的断路器控件即可操作远方断路器的合闸与跳闸，断路器动作后该站点的主接线也会实时更新。

所有包括电能质量在内的电参量均上传到监管平台分析显示，也可在监管平台对远方的保护进行设置，在此不详细叙述。

3 光伏并网监控系统的应用

本地监控系统可设计出几种形式的一次柜。图8（a）显示了完整版进出线柜。对于没有进线的出线柜，可以精简掉电量采集和保护模块，通讯模块中也可以去除WAN和4G通讯模块，仅仅保留LoT与进出线柜的通讯，如图8（b）。简化进出线柜中精简掉一次侧出线断路器以降低成本，如图8（c），同时可以让现有光伏站保留原有的接线方式，减少改造施工量，相当于在升压器前增加了电能质量分析、防孤岛、低压保护和通讯等功能。

（a）进出线柜（b）出线柜（c）简化进出线柜

在出线回路数较多的场合，一台进出线柜可以与多台出线柜并接以扩大出线回路数，如图9所示。

4 结束语

本文设计并实现了一种分布光伏并网监控系统，该系统采用功能模块化设计，具有较好的扩展便利性和组合多样性。

该系统的本地监控系统集成了电量采集模块，能对光伏并网点实现有效的电能质量监控。设计的保护融合板能够兼容现有保护部件。模块间的连接线均采用标准8芯屏蔽绞线和RJ45插接头，有效减少柜内接线工作量，更换方便。

该系统的远方智能监管平台具有遥测、遥讯、遥调、遥控能力，界面直观，可视性强，操作方便。

参考文献：

[1] 陈东坡.2016—2017年中国光伏回顾与展望[J].电子产品世界，2017，24（4）：9-11，19.

[2] 中国“十四五”电力发展规划研究[R].北京：全球能源互联网发展合作组，2020：33.

[3] 裴哲義，丁杰，李晨，等.分布式光伏并网问题分析与建议[J].中国电力，2018，51（10）：80-87.

[4] 温鑫，姚文莹，何圣川，等.分布式光伏接入对系统电能质量的影响分析与应对措施[J].机电信息，2022（23）：22-24.

[5] 李清然.分布式光伏发电系统对配电网电能质量的影响研究[D].北京：华北电力大学，2017.