浅谈智能化分布式光伏运维监控系统的设计与实现

任运业

江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214405

   摘要：为解决光伏电站监控系统光伏阵列监测不足、故障不易定位等问题，笔者设计了集数据采集和处理的智能化光伏电站监控系统。根据企业光伏电站布局，提出了光伏电站智能监控系统方案，完成了该监控系统的硬件选型和软件开发。仿真结果表明：该监控系统具备光伏电站运行参数分析、光伏设备实时在线监控、报警功能，保障了光伏电站的可靠运行和集中管理。

   关键词：光伏电站；智能监控系统；分布式光伏运维；实时在线

0、引言

   随着世界能源产业结构的调整和人类对环境问题的重视，太阳能凭借资源丰富、布局灵活的优势，成为当今新能源发展的主流，当前越来越多的光伏电站投入运营。光伏电站的可靠运行，需要汇流箱、逆变器等设备在没故障状态下运行，对光伏设备的状态监测十分重要。目前，光伏电站主要采用人工定期检查、网络化监控的方式对设备进行监测。由于人力资源有限及传统光伏监测系统智能化不足，这两种方式都存在光伏阵列监测不足、遇到故障时无法快速定位的问题。

   在此背景下，本文对某企业屋顶光伏电站的监测系统进行了智能化设计。该监控系统为光伏电站汇流箱、逆变器等设备配备通信模块，利用RS485总线与各通信模块相连，将运行数据传输至上位机，并利用组态软件在上位机建立监控界面，对运行数据进行分析，实现光伏电站运行状态实时动态监测，设备故障时上位机通过监控界面发出报警信号，提高了光伏电站的安全性。

1、光伏电站布局

   企业厂区4个屋顶被分成A、B、C、D四个光伏发电区域，采用集中式和分布式相结合的方式发电。C区厂房面积较大且自用电较少，故对C区厂房采用集中式结构，根据工厂屋顶面积配置与之相对应的光伏面板，并以20路为一组接入直流汇流箱，汇流箱的电流输入到集中式逆变器。A、B、D区采用分布式结构，使用组串式逆变器将直流转换为交流后直接并入电网，最后再将四个区域通过交流电缆将电流输送至并网柜。

2、智能监控系统设计方案

   为了能够在光伏设备发生故障时快速定位故障点，在硬件上选用智能型的汇流箱、逆变器；使用组态软件构建一个界面，将每个智能元器件在界面上显示出来，通过RS485总线将数据汇总到机柜串口后，通过光纤与上位机进行连接从而实现监视功能。该系统实现数据采集和状态监控的同时，可进行简单、直观的人机交互。其中，数据采集、状态监控和简单的数据分析由各种智能元器件来实现，人机交互通过组态软件实现；在组态软件中建立监控界面，将实时数据导入其中进行分析处理，两者之间的连接通过建立在C区的串口机柜实现，数据传输示意图如图1所示。

   设备故障时报警设计方案如下：在监测系统中设有报警装置，当光伏面板发电量低于正常值便会发出报警信号。晴天时，软件系统及时响应所有的故障告警信号；阴雨天，软件屏蔽逆变器孤岛保护及回流量0A电流输入的告警，但是响应其他的告警；晚上不响应任何故障告警。

   根据上述设定，采用一台通过GPS校时的上位机电脑，查询当地历史平均每个月或者每10天，日出、日落的时间。超出日出、日落范围的时间认为是晚上，不响应故障告警；在该范围内的时间认为是晴天，响应所有故障告警。此外，由于软件算法很难计算阴雨、多云、低光照强度的天气，因此，该工作由值班人员完成。软件提供功能开关，值班人员可以在阴雨天气，关闭孤岛保护和0A电流输入的告警。

3、硬件选型

3.1直流汇流箱

   直流汇流箱需要监视各个光伏面板的输出电流，当任意一个回路发生电流故障，该模块提供报警信号。另外，汇流箱要采集保护断路器的触点信号，了解该断路器的位置，在发生跳闸后需要及时送出信号。因此，直流汇流箱选用常熟开关制造有限公司生产的CXPV-16/Z光伏直流汇流箱。

3.2逆变器

   根据设计要求，逆变器需提供远程控制功能，并且发生故障时，能够及时输出报警信号。因此选用两种型号的逆变器，一种为CS1并网型光伏逆变器。该型号逆变器具有较多的通信接口和远程控制功能，且输入电压范围宽，使其适用于小型组串低压设备。另一种选用SUN2000-60KTL-M0组串式逆变器。这种型号的组串式逆变器基于模块化的设计，能够减少电池组件较佳工作点不匹配逆变器的情况，大幅增加发电量。

4、软件开发

   利用Riyear-PowerNet系统设计该光伏电站的工业现场信息。采集到的元器件数据RiyearPowerNet系统进行储存，建立历史及实时数据库，在系统发生故障时，利用存储的数据对故障进行分析定位。

4.1软件结构

   智能硬件系统通过Modbus驱动程序与上位机相连接，人机界面就可以显示设备数据的记录、数据报警等，系统软件结构如图2所示。

4.2软件设计与实现

   首先，添加组态，选用常熟开关设备制造有限公司的两种I/O组态；其次，为了能够读取数据，需要定义好数据库；其三，定义中间变量。在定义数据库变量之前，需要先确定设备类型和设备模块，数据由Modbus标准命令采集，存储在各种寄存器中，便于软件读取数据。在设备配置中根据相关要求设置设备地址、串口编号以及相关通信参数。数据库变量的作用域包括整个应用程序。定义数据库即定义地址，将变量与对应的设备连接起来。此时，在进行连接时就可以依靠事先设定好的地址，准确地找到想要的数据。

   当设备发生故障，经过软件判断需要给予响应时，及时切换至该设备的故障界面，同时播放报警声音。逆变器发生故障时，系统主界面显示区域闪烁，使值班人员能够快速定位故障发生区域，系统故障报警显示如图3所示。

4.3软件运行流程

   首先启动软件，加载完成软件基本环境后，TCP/IP进行网络连通，连接完成后初始化各个串口，根据地址向硬件设备发送数据。如果发送失败，则再连续尝试发送三次，如果仍然未能发送成功，则判断该台设备离线；如果成功，在智能设备接收数据信息后，将自身数据回馈至上位机，软件接收数据后存入实时数据库，并在人机界面读取数据。将各个串口互相连接通信并将历史数据加载读取。如果智能设备出现故障，将向系统发送故障数据，系统根据定义好的算法判断设备的故障类型，在界面上显示报警区域，在故障解除之后软件系统回到正常状态。流程图如图4所示。

5、安科瑞分布式光伏运维云平台介绍

5.1概述

          AcrelCloud-1200分布式光伏运维云平台通过监测光伏站点的逆变器设备，气象设备以及摄像头设备、帮助用户管理分散在各地的光伏站点。主要功能包括：站点监测，逆变器监测，发电统计，逆变器一次图，操作日志，告警信息，环境监测，设备档案，运维管理，角色管理。用户可通过WEB端以及APP端访问平台，及时掌握光伏发电效率和发电收益。

5.2应用场所

   目前我国的两种分布式应用场景分别是：广大农村屋顶的户用光伏和工商业企业屋顶光伏，这两类分布式光伏电站今年都发展迅速。

5.3系统结构

   在光伏变电站安装逆变器、以及多功能电力计量仪表，通过网关将采集的数据上传至服务器，并将数据进行集中存储管理。用户可以通过PC访问平台，及时获取分布式光伏电站的运行情况以及各逆变器运行状况。平台整体结构如图所示。

5.4系统功能

          AcrelCloud-1200分布式光伏运维云平台软件采用B/S架构，任何具备权限的用户都可以通过WEB浏览器根据权限范围监视分布在区域内各建筑的光伏电站的运行状态（如电站地理分布、电站信息、逆变器状态、发电功率曲线、是否并网、当前发电量、总发电量等信息）。

5.4.1光伏发电

5.4.1.1综合看板

●显示所有光伏电站的数量，装机容量，实时发电功率。

●累计日、月、年发电量及发电收益。

●累计社会效益。

●柱状图展示月发电量

5.4.1.2电站状态

●电站状态展示当前光伏电站发电功率，补贴电价，峰值功率等基本参数。

●统计当前光伏电站的日、月、年发电量及发电收益。

●摄像头实时监测现场环境，并且接入辐照度、温湿度、风速等环境参数。

●显示当前光伏电站逆变器接入数量及基本参数。

5.4.1.3逆变器状态

●逆变器基本参数显示。

●日、月、年发电量及发电收益显示。

●通过曲线图显示逆变器功率、环境辐照度曲线。

●直流侧电压电流查询。

●交流电压、电流、有功功率、频率、功率因数查询。

5.4.1.4电站发电统计

●展示所选电站的时、日、月、年发电量统计报表。

5.4.1.5逆变器发电统计

●展示所选逆变器的时、日、月、年发电量统计报表

5.4.1.6配电图

●实时展示逆变器交、直流侧的数据。

●展示当前逆变器接入组件数量。

●展示当前辐照度、温湿度、风速等环境参数。

●展示逆变器型号及厂商。

5.4.1.7逆变器曲线分析

●展示交、直流侧电压、功率、辐照度、温度曲线。

5.4.2事件记录

●操作日志：用户登录情况查询。

●短信日志：查询短信推送时间、内容、发送结果、回复等。

●平台运行日志：查看仪表、网关离线状况。

●报警信息：将报警分进行分级处理，记录报警内容，发生时间以及确认状态。

5.4.3运行环境

●视频监控：通过安装在现场的视频摄像头，可以实时监视光伏站运行情况。对于有硬件条件的摄像头，还支持录像回放以及云台控制功能。

5.5系统硬件配置

5.5.1交流220V并网

   交流220V并网的光伏发电系统多用于居民屋顶光伏发电，装机功率在8kW左右。

   部分小型光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能。光伏电站规模较小，而且比较分散，对于光伏电站的管理者来说，通过云平台来管理此类光伏电站非常有必要，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：

5.5.2交流380V并网

   根据国家电网Q/GDW1480-2015《分布式电源接入电网技术规定》，8kW~400kW可380V并网，超出400kW的光伏电站视情况也可以采用多点380V并网，以当地电力部门的审批意见为准。这类分布式光伏多为工商业企业屋顶光伏，自发自用，余电上网。分布式光伏接入配电网前，应明确计量点，计量点设置除应考虑产权分界点外，还应考虑分布式电源出口与用户自用电线路处。每个计量点均应装设双向电能计量装置，其设备配置和技术要求符合DL/T448的相关规定，以及相关标准、规程要求。电能表采用智能电能表，技术性能应满足国家电网公司关于智能电能表的相关标准。用于结算和考核的分布式电源计量装置，应安装采集设备，接入用电信息采集系统，实现用电信息的远程自动采集。

   光伏阵列接入组串式光伏逆变器，或者通过汇流箱接入逆变器，然后接入企业380V电网，实现自发自用，余电上网。在380V并网点前需要安装计量电表用于计量光伏发电量，同时在企业电网和公共电网连接处也需要安装双向计量电表，用于计量企业上网电量，数据均应上传供电部门用电信息采集系统，用于光伏发电补贴和上网电量结算。

   部分光伏电站并网点需要监测并网点电能质量，包括电源频率、电源电压的大小、电压不平衡、电压骤升/骤降/中断、快速电压变化、谐波/间谐波THD、闪变等，需要安装单独的电能质量监测装置。部分光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能，系统图如下。

   这种并网模式单体光伏电站规模适中，可通过云平台采用光伏发电数据和储能系统运行数据，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：

5.5.310kV或35kV并网

   根据《国家能源局关于2019年风电、光伏发电项目建设有关事项通知》（国发新能〔2019〕49号），对于需要国家补贴的新建工商业分布式光伏发电项目，需要满足单点并网装机容量小于6兆瓦且为非户用的要求，支持在符合电网运行安全技术要求的前提下，通过内部多点接入配电系统。

   此类分布式光伏装机容量一般比较大，需要通过升压变压器升压后接入电网。由于装机容量较大，可能对公共电网造成比较大的干扰，因此供电部门对于此规模的分布式光伏电站稳控系统、电能质量以及和调度的通信要求都比较高。

   光伏电站并网点需要监测并网点电能质量，包括电源频率、电源电压的大小、电压不平衡、电压骤升/骤降/中断、快速电压变化、谐波/间谐波THD、闪变等，需要安装单独的电能质量监测装置。

   上图为一个1MW分布式光伏电站的示意图，光伏阵列接入光伏汇流箱，经过直流柜汇流后接入集中式逆变器(直流柜根据情况可不设置)，最后经过升压变压器升压至10kV或35kV后并入中压电网。由于光伏电站装机容量比较大，涉及到的保护和测控设备比较多，主要如下表：

5、结束语

   毋庸置疑，设备监测对光伏电站的安全运行、管理具有重要意义。为了便于电站智能化、精细化管理，本文设计并开发了光伏电站智能监测系统。该系统对光伏电站的设备进行数据采集，然后利用RS485总线将数据传输至上位机；随后，利用RiyearPowerNet软件把电站的历史和实时运行数据建成数据库。基于此，该软件实现对电站的实时、在线监测。光伏设备发生故障时，监测系统通过对数据库数据分析，可以快速、准确地定位故障位置。该监测系统保障了光伏电站的可靠运行和集中管理。

【参考文献】

[1]顾超，宋树平，方凯.智能化光伏电站监控系统设计与实现[J].交流园地，2022年3月上

[2]丁坤，陈富东，翁帅等．基于I-V特性灰色关联分析的光伏阵列健康状态评估[J].电网技术，2021，45（8）:3087-3095

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

作者简介：

任运业，男，江苏安科瑞电器制造有限公司，主要从事智能电网供配电相关的研究和应用。