智能監(jiān)控在居民分布式光伏系統(tǒng)運(yùn)維中的應(yīng)用

陸曉靜 吳星亮 陳圣金 盧凱 陸川

摘 要：作為居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，光伏監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)光伏電站中主要設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，更有利于進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。目前，光伏電站的監(jiān)控技術(shù)仍處于發(fā)展階段，基本停留在數(shù)據(jù)的采集和上報(bào)。本文就監(jiān)控系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)相結(jié)合構(gòu)成的智能運(yùn)維系統(tǒng)進(jìn)行闡述，并對(duì)智能光伏運(yùn)維提出一定的展望。

關(guān)鍵詞：分布式光伏；智能監(jiān)控；大數(shù)據(jù)；智能運(yùn)維

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

光伏產(chǎn)業(yè)作為新興的朝陽產(chǎn)業(yè)，是未來全球先進(jìn)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。依托光伏發(fā)電技術(shù)的革新和國家及地方補(bǔ)貼政策的支持，居民分布式光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入飛速發(fā)展階段。但是過高的補(bǔ)貼比例，也使得光伏成產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整的重災(zāi)區(qū)，加快產(chǎn)業(yè)升級(jí)提高智能創(chuàng)新，降低光伏系統(tǒng)的運(yùn)維成本，是每一位光伏人必須思考的問題。光伏系統(tǒng)智能監(jiān)控，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，實(shí)時(shí)采集光伏系統(tǒng)中的主要技術(shù)參數(shù)，并上傳至云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、分析、故障檢測(cè)和報(bào)警等處理，快速實(shí)現(xiàn)光伏電站的集中管理與遠(yuǎn)程管理。

1 居民分布式光伏系統(tǒng)的原理

居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏組件、逆變器、配電箱、固定支架、監(jiān)控系統(tǒng)和線纜及其他附件。

典型的晶硅電池是一個(gè)半導(dǎo)體p-n結(jié)二極管。當(dāng)太陽光照射在電池片上時(shí)，束縛的高能級(jí)狀態(tài)下的電子被激發(fā)成為自由電子。帶負(fù)電的自由電子向N結(jié)定向移動(dòng)和聚集，余下帶正電的空穴向P結(jié)定向移動(dòng)和聚集，當(dāng)外部環(huán)路被閉合，便有電流產(chǎn)生。

發(fā)電原理圖如圖1所示。

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過增加適用于光伏系統(tǒng)的高效電力電子器件，同時(shí)利用自動(dòng)化信息抄讀技術(shù)、信息處理和控制技術(shù)，搭建智能化光伏運(yùn)維系統(tǒng)。

本系統(tǒng)中有3個(gè)主要構(gòu)件：光伏逆變器、智能電表箱、Web監(jiān)控平臺(tái)。智能系統(tǒng)構(gòu)架圖見表1。

逆變器：配套使用逆變器，具有一組RS485通信接口，通過RS485屏蔽線與智能電表箱中導(dǎo)軌表的GPRS通信接口相連，對(duì)逆變器數(shù)據(jù)進(jìn)行抄讀。讀取逆變器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不經(jīng)處理上傳至Web監(jiān)控平臺(tái)，逆變器與導(dǎo)軌表抄讀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

智能電表箱：其核心部件是智能導(dǎo)軌表，采用DIN35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌式安裝。將采集的系統(tǒng)電壓、電流信號(hào)送入計(jì)量Soc，Soc對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行計(jì)算裝換為電壓、電流、功率和電能等電參量，同時(shí)將數(shù)據(jù)送入MCU。另外，同時(shí)可實(shí)時(shí)采集電表箱內(nèi)溫度、元件狀態(tài)。導(dǎo)軌表采集數(shù)據(jù)及對(duì)逆變器抄讀的數(shù)據(jù)，可通過GPRS通信模組上傳至Web監(jiān)控平臺(tái)。電表箱一次電氣圖如圖2所示。 Web監(jiān)控平臺(tái)：接收導(dǎo)軌表上傳數(shù)據(jù)，根據(jù)已設(shè)定邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的在線分析、 故障告警、遠(yuǎn)程智能控制等功能。

3 重要功能介紹

該系統(tǒng)中核心器件為智能導(dǎo)軌表，設(shè)置其內(nèi)部程序，同時(shí)配合外接設(shè)備和Web監(jiān)控平臺(tái)，共同實(shí)現(xiàn)如下幾項(xiàng)重要功能。

3.1 溫度檢測(cè)與告警

外接兩組溫度傳感器，可檢測(cè)電表箱內(nèi)刀閘和導(dǎo)軌溫度并上報(bào)Web平臺(tái)，當(dāng)溫度超過設(shè)定值（60℃）時(shí)，平臺(tái)預(yù)警；若溫度繼續(xù)升高至溫度上限（75℃）時(shí)，平臺(tái)發(fā)起遠(yuǎn)程跳閘命令并聯(lián)動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)通知運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)排查。

3.2 電壓檢測(cè)與告警

具有3組電壓檢測(cè)功能，分別檢測(cè)進(jìn)線斷路器負(fù)載端、自動(dòng)重合閘負(fù)載端和浪涌保護(hù)開關(guān)出線端電壓，判斷電表箱中幾個(gè)重要元器件的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，出現(xiàn)異常則Web平臺(tái)進(jìn)行告警并聯(lián)動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)通知運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)排查。

3.3 遠(yuǎn)程控制功能

具有一組自動(dòng)重合閘斷路器控制接口，可接受主站的命令，當(dāng)出現(xiàn)異?；蚱渌枞藶殛P(guān)斷、合閘的情況時(shí)，可遠(yuǎn)程對(duì)自動(dòng)重合閘斷路器進(jìn)行控制。

3.4 電參量測(cè)量功能

能測(cè)量當(dāng)前的電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)等運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)上報(bào)數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時(shí)，Web平臺(tái)告警或平臺(tái)發(fā)起遠(yuǎn)程跳閘命令并聯(lián)動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)通知運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)排查。

3.5 計(jì)量功能

導(dǎo)軌表可對(duì)系統(tǒng)的正向有功、反向有功電能進(jìn)行計(jì)量，并可以據(jù)此設(shè)置為組合有功電能，同時(shí)具有一定時(shí)間的日凍結(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。精度等級(jí)為1.0級(jí)，解決了逆變器發(fā)電量計(jì)量不準(zhǔn)確的痛點(diǎn)。另外，導(dǎo)軌表內(nèi)設(shè)有超級(jí)電容，當(dāng)市電停電可上報(bào)停電信息。

3.6 其他功能

除此之外，可對(duì)逆變器進(jìn)行抄讀與設(shè)置，支持導(dǎo)軌表自身及外掛逆變器的遠(yuǎn)程升級(jí)，實(shí)現(xiàn)戶用光伏電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 優(yōu)勢(shì)分析

如圖3所示，目前監(jiān)控系統(tǒng)主要停留在故障記錄、數(shù)據(jù)記錄和簡單的數(shù)據(jù)分析階段，在故障發(fā)生之前無法提前進(jìn)行預(yù)警避免故障發(fā)生，同時(shí)由于逆變器對(duì)發(fā)電量的計(jì)量存在誤差，導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)真實(shí)發(fā)電性能的評(píng)估存在難度。針對(duì)以上問題進(jìn)行探討，研發(fā)出這套智能系統(tǒng)，有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

4.1 故障預(yù)警與處理

實(shí)時(shí)檢測(cè)上傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)，當(dāng)偏離正常范圍是，平臺(tái)進(jìn)行預(yù)警或者關(guān)斷操作，將事故扼殺在發(fā)生之前。

4.2 精準(zhǔn)發(fā)電量

導(dǎo)軌表發(fā)電量計(jì)量，相對(duì)逆變器精度有明顯提高，誤差可控制在千分級(jí)，使數(shù)據(jù)更加有可信度。

4.3 故障點(diǎn)定位

由于導(dǎo)軌表可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各電氣元件的運(yùn)行狀態(tài)和電壓等參數(shù)，當(dāng)故障發(fā)生之后，可通過歷史記錄查詢故障時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)中各元件的參數(shù)，精確分析故障原因和故障點(diǎn)。

4.4 節(jié)省運(yùn)維成本

系統(tǒng)后端可準(zhǔn)確進(jìn)行故障預(yù)警和故障分析處理，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)功能。避免依靠人工反復(fù)趕往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)和管理，減少了大量的人力和物力的浪費(fèi)，節(jié)省了運(yùn)維成本。安能寶監(jiān)控界面展示如圖3所示。

5 應(yīng)用實(shí)例

目前，此智能監(jiān)控系統(tǒng)已在浙江部分地區(qū)投產(chǎn)試用。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)該過程中，也發(fā)現(xiàn)一定問題需要繼續(xù)改進(jìn)。

5.1 協(xié)議兼容

要求系統(tǒng)中逆變器和導(dǎo)軌表通信協(xié)議需滿足兼容要求，同時(shí)多個(gè)平臺(tái)接口對(duì)接穩(wěn)定。

5.2 硬件要求

要求核心部件—導(dǎo)軌表的穩(wěn)定性非常高，對(duì)數(shù)據(jù)的采集上報(bào)需準(zhǔn)確及時(shí)。

電表箱內(nèi)接線如圖4所示。

5.3 Web平臺(tái)開發(fā)

要求Web平臺(tái)開發(fā)滿足系統(tǒng)要求的控制邏輯，可根據(jù)導(dǎo)軌表上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確告警或其他關(guān)斷操作。

上報(bào)數(shù)據(jù)曲線如圖5所示：其中兩條趨勢(shì)線分別表示逆變器、電表箱內(nèi)刀閘開關(guān)、電表箱內(nèi)導(dǎo)軌溫度。

結(jié)語

在光伏電站25年的運(yùn)營期內(nèi)，故障情況不可避免。后期運(yùn)維耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，運(yùn)維成本在整個(gè)系統(tǒng)中占比較大。智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，使故障點(diǎn)的判斷更加精準(zhǔn)，甚至在故障發(fā)生之前就能進(jìn)行預(yù)警和聯(lián)動(dòng)處理。同時(shí)，更加準(zhǔn)確計(jì)量光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，對(duì)光伏電站的性能評(píng)估和優(yōu)化電站設(shè)計(jì)起到很好的指導(dǎo)作用。

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