智能化光伏电站监测与运维系统设计

2024-05-13张太亮庞金龙孙记忠

通信电源技术 2024年4期

张太亮，庞金龙，孙记忠

（1.山东尚禾电力工程咨询有限公司，山东济南 250000；2.山东新能电力科技有限公司，山东济南 250000）

0 引言

光伏电站作为太阳能利用的重要方式，已在全球范围内得到广泛推广和应用。目前，光伏电站要求汇流箱、逆变器等关键设备必须在无故障状态下高效运行[1]。但由于人力资源的有限性和传统监测系统在智能化方面的不足，电站监测常存在盲区多、故障定位慢的问题，影响光伏电站的运行效率，还可能带来安全隐患。

1 光伏电站布局与设备配置

1.1 光伏电站布局规划

1.1.1 区域划分与设备分布

光伏方阵区主要用于安装光伏组件，形成大面积的光伏阵列，以捕捉太阳能并转换为电能。布置方式需考虑地形、设备特点和施工条件，通常采用单元模块化的布置[2]。方位角一般采用正南方向，排、列间距确保互不遮挡。逆变升压区结合光伏方阵单元模块化布置，一般位于光伏方阵单元模块的中部，靠近主要通道，主要负责将光伏方阵产生的直流电逆变为交流电，并升压至符合电网要求的电压等级。站内道路与交通区包括主干道、次干道和通向建筑物的人行引道，需要设计满足设备运输、安装和运行维护要求的道路系统。主要道路与城镇现有公路连接，方便行车，避免与铁路交叉。供排水与防洪区设计排水系统，确保场地排水畅通，防止积水。在山区或丘陵地区设有防止山洪流入站区的设施，供水系统根据站区需求和生活用水标准设计。

1.1.2 并网方式选择

发电站的并网接入方式应优先满足本地负载的需求。发电站的电力负载较大，因此需要确保光伏发电系统发出的电能能够优先满足系统内负载需求，提高能源利用率，减少能源传输损失，保证发电站的稳定运行。对于大型发电站，可以考虑选择中压电网接入方式。中压并网系统常用于太阳能电池阵列额定功率较大的系统，可以减少电网的传输能量损耗，提高电能的利用效能。并网接入方式对比数据如表1 所示。

表1 并网接入方式对比数据

低压电网接入系统组成相对简单，对太阳阴影的耐受性强，适用于小型至中型光伏发电系统。然而，其直流侧电流较大，需要选用大截面的直流电缆，且发电功率受低压电网容量的限制。中压电网接入适用于大型光伏发电系统，具有高电压、低电流、电缆线径较小等优点，与逆变器匹配更佳，逆变器的转换效率更高。中压电网接入对太阳阴影的耐受性较差，系统设计复杂且成本高。

1.2 关键设备配置

1.2.1 光伏组件与逆变器选型

多数光伏组件的工作电压为1 000 V，但部分光伏组件的工作电压可达到1 500 V。使用高电压光伏组件可以减少电缆和连接器的数量，降低系统成本和损耗。逆变器的输入电压范围必须与光伏组件的工作电压相匹配。逆变器的功率必须与光伏组件的功率相匹配，过大或过小的逆变器功率可能会影响系统的性能和稳定性。优化逆变器功率与组件功率的匹配，可以降低系统的成本和维护成本。逆变器的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）工作范围必须与组件的开路电压和短路电流相匹配，如果超出工作范围，会导致逆变器无法正常跟踪最大功率点，影响系统的效率。

1.2.2 汇流箱与配电柜配置

为满足家庭用电需求，最理想的配电箱回路数量（即电闸数量）应该是“1+X+Y+Z”的形式。1 代表主开关；X代表房间数量，用于控制每个房间的普通插座；Y代表大功率电器的数量，用于控制每一个大功率电器的供电（需要使用明装断路器或16 A 三孔插座的电器都属于大功率电器）；Z代表照明回路的数量（对于灯具较多的情况，可以采用2～3个回路；一般情况下，只需1 个回路就能满足需求）。通过合理配置回路数量，满足家庭用电的安全要求。1P 断路器适用于仅控制火线的通断，对火线提供保护的场景。1P+N断路器介于1P 和2P 之间，适用于同时控制火线的通断，并对零线和火线提供保护的场景。2P断路器能同时控制零火线的通断，并对零火线提供保护，功能最为全面。

1.2.3 升压变压器及其他电气设备

在光伏升压站中，升压变压器将光伏电池板输出的低压直流电升压为高压交流电，以便能够并网输送至电网。电抗器补偿变压器的输入和输出电流，以减小电流变化对系统的影响。电抗器一般分为输入电抗器和输出电抗器，分别连接在变压器的输入端和输出端，最大限度地降低电流波动。开关设备用于控制光伏升压站中的电流回路，并确保在发生故障时能够及时切断电流，保护设备和人身安全。断路器在异常情况下自动切断电流，隔离开关在检修时隔离电流，负荷开关在正常状态下控制电流的通断。为保证光伏升压站中电气设备的正常运行和延长其使用寿命，必须采取合理的维护管理措施，定时校准和整定电气设备的保护装置，确保其在异常情况下能够正确动作。

2 智能化监测系统设计

2.1 数据采集与传输技术

2.1.1 传感器选择与布局

利用RS-485 总线与各通信模块相连，将运行数据传输至上位机，结合组态软件构建监控界面，监测和分析企业厂区的光伏发电系统。该系统将厂区的4个屋顶划分为A、B、C 以及D 发电区域，并采用集中式和分布式相结合的方式进行发电[3]。其中，C 区厂房面积较大且自用电较少，因此采用集中式结构，根据工厂屋顶面积配置相应数量的光伏面板，并以20 路为一组接入直流汇流箱，再将汇流箱的电流输入集中式逆变器进行处理。

2.1.2 通信协议与接口设计

在光伏升压站中，智能型汇流箱、逆变器等设备间的通信需遵循统一的通信协议，RS-485 总线接口用于传输汇流箱、逆变器等智能设备与机柜间的数据，采用差分信号传输方式，光纤接口用于机柜与上位机之间的数据传输，通过光纤介质进行高速数据传输。人机交互接口利用组态软件构建监控界面，使用户能够对光伏升压站的数据和设备进行控制。报警装置接口接收来自汇流箱、逆变器设备集成驱动器电子（Integrated Drive Electronics，IDE）故障信号，并在故障发生时及时预警，提醒运维人员及时处理。

2.1.3 数据采集频率与精度要求

数据采集频率与精度数据如表2 所示。

表2 数据采集频率与精度数据

由表2 可知，光伏电站的数据采集系统能够按照设定的频率稳定地采集数据。利用该数据能够评估电站的监控性能。

2.2 实时监测与故障诊断系统

2.2.1 实时监测功能设计

实时监测功能是确保光伏发电站稳定、高效运行的关键[4]。系统需要具有实用性，选用XL87 机台监控终端，支持快速数据采集与实时数据传输。软件则需要优化数据处理流程，减少数据传输和处理的时延。系统需要具备准确性，采用XL51TH 温湿度传感器、XLSWS 风速传感器，真实可靠地采集环境参数。在软件层面对数据进行校验和修正，进一步提高数据准确度。数据需要具备完整性，系统需全面覆盖光伏电站关键监测点，设计多层次的数据采集网络，覆盖电站的每一个角落。实时监测功能具有直观的图表、曲线和数据面板，运维人员可以清晰地掌握电站的实时运行状态。

2.2.2 故障诊断算法与实现

故障诊断算法应基于电站的历史数据和实时数据，结合物理模型、统计分析和机器学习，准确诊断电站的各种潜在故障。通过分析逆变器的输出电压和电流波形，诊断逆变器内部的功率管故障、电容老化现象。同时，故障诊断算法根据电站的运行数据不断优化诊断模型。在诊断模型优化的过程中，应收集分析运行数据，更准确地预测电站的运行状况并及时做出相应的调整和优化。

2.2.3 故障预警与报警机制

预警机制应基于故障诊断算法的输出，当检测到潜在故障时，及时发出预警信息，提醒运维人员进行检查和维修。报警机制则应在故障发生时立即启动，通过声光报警、短信通知等方式迅速通知运维人员处理[5]。智能化光伏电站监测与运维数据如表3 所示。

表3 智能化光伏电站监测与运维数据

智能化光伏电站监测与运维系统通过实时收集和分析光伏板温度、逆变器输出功率、总辐射量等关键数据，成功构建了一个高效的预警和报警机制。故障诊断算法检测出潜在故障时，系统会及时发出预警信息。例如，在2023 年5 月1 日11:00，逆变器输出功率的下降被及时捕捉并预警，运维人员得以及时响应并处理。而当实际故障发生时，如逆变器故障和停机，报警机制则通过声光报警、短信通知等方式，确保运维人员能够迅速得知并处理，减少故障对电站运行的影响。