淺析光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)方案選擇

梅雷

摘要：本文重點研究了環(huán)網(wǎng)光纖通訊和無線通訊方案的特點，在綜合考慮設(shè)備需求、施工難易、運維檢修和建設(shè)成本等因素的前提下，給出不同類型的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)選擇方案。

關(guān)鍵詞：光伏電站;環(huán)網(wǎng)光纖技術(shù);無線通訊技術(shù)

0 引言

光伏場區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)可以為匯流箱、逆變器、箱變等提供全方面的監(jiān)控和實時控制，并為用戶提供豐富的信息界面，提供強大的分析處理功能和完善的報警監(jiān)測機制。針對屋頂、地面、山地、水面、沉陷區(qū)等不同的場址狀況，如何結(jié)合施工、運維、建設(shè)成本等條件，綜合比較不同監(jiān)控系統(tǒng)方案的實用性、經(jīng)濟性和綜合效益，將成為一個值得研究的課題。

1 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

國外在上世紀90年代就對光伏場區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)進行深入研究，且針對解決某一類特殊問題進行了部分系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的采集和分析，1995年，美國可再生能源實驗室對兩座6kV并網(wǎng)型光伏電站進行了數(shù)據(jù)采集，根據(jù)氣候條件對理論值和實際值分析比較，評價了各器件的效率問題。國內(nèi)也在早期開展了監(jiān)控系統(tǒng)的研究工作，合肥工業(yè)大學(xué)率先開發(fā)了并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件包;中科院電工所以“組態(tài)王”為軟件開發(fā)平臺，以RS485總線為骨干，采用分層分布式方式的方式構(gòu)建了監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò);近年來，華為技術(shù)有限公司按照云、管、端三層架構(gòu)設(shè)計，通過高速PLC載波和無線通信技術(shù)成功實現(xiàn)光伏場區(qū)監(jiān)控數(shù)據(jù)采集和傳輸。不同的場區(qū)通訊方案不僅在成本上存在差異，且對項目的施工、運維等也存在較大影響，在綜合考慮布線難度、后期維護、運行效率等情況的基礎(chǔ)上，最優(yōu)選擇通訊系統(tǒng)方案成為當(dāng)前亟待解決的問題。

2 通訊方案概述

光伏電站場區(qū)發(fā)電單元與主控室通信網(wǎng)絡(luò)是光伏電站系統(tǒng)的神經(jīng)，擔(dān)負著傳遞測控信息，反饋故障狀態(tài)，實現(xiàn)電站有功功率調(diào)節(jié)和無功功率調(diào)節(jié)，起到光伏電站精細化運維的關(guān)鍵作用，是光伏電站內(nèi)極其重要的通信網(wǎng)絡(luò)組成部分。

2.1環(huán)網(wǎng)光纖技術(shù)

光纖環(huán)網(wǎng)通信是光伏電站的主要通信方式之一，也是目前應(yīng)用最為廣泛的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)方案。每個發(fā)電單元內(nèi)設(shè)置一個逆變升壓裝置，裝置內(nèi)包含一臺集成環(huán)網(wǎng)交換機的箱變測控裝置，以此匯聚發(fā)電單元內(nèi)的匯流箱、逆變器、視頻監(jiān)控和火災(zāi)報警等設(shè)備數(shù)據(jù)，通過與發(fā)電單元所在集電線路同路徑敷設(shè)的環(huán)網(wǎng)光纖，將光伏場區(qū)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴龎赫荆ㄩ_關(guān)站）二次設(shè)備室內(nèi)的光伏區(qū)通訊柜，再經(jīng)柜內(nèi)布置的環(huán)網(wǎng)交換機完成信號轉(zhuǎn)換后，采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至站內(nèi)后臺監(jiān)控系統(tǒng)，進而完成數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制等功能。

2.2 無線通訊技術(shù)

無線通信方案可以提供快速部署、高速通信、堅強安全的網(wǎng)絡(luò)，支撐端到端光伏電站建設(shè)。方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由信息采集層、終端設(shè)備層、無線接入層、核心設(shè)備及業(yè)務(wù)層組成，其中信息采集層包含數(shù)據(jù)采集器，由無線收發(fā)終端、手機終端等設(shè)備組成終端設(shè)備層，寬帶基站、路由系統(tǒng)等設(shè)備組成無線接入層，核心層及業(yè)務(wù)層則提供無線接入層和終端層的管理。

集中式光伏發(fā)電單元中的匯流箱、逆變器、箱變等設(shè)備信號均通過RS485通訊方式接入到獨立的通訊管理機或集成通訊管理機的箱變測控裝置的通訊串口，經(jīng)過集中式接入方式將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綗o線收發(fā)終端;組串式光伏發(fā)電單元中的組串式逆變器借助交流電纜，通過PLC載波將設(shè)備數(shù)據(jù)匯聚到交流匯流箱，再經(jīng)過RS485通訊方式將信號傳輸至數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器再將數(shù)據(jù)包以組串式接入方式傳送給無線收發(fā)終端。無線數(shù)據(jù)接入終端通過網(wǎng)口與信息采集設(shè)備相連，將數(shù)據(jù)包通過空中無線電磁波傳送給基站，借助基站天線將數(shù)據(jù)包接收下來，然后傳送給核心網(wǎng)，核心網(wǎng)依據(jù)路由器將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到電站控制和業(yè)務(wù)中心。

3 方案對比分析

3.1 設(shè)備需求和成本分析

以100MWp光伏電站為主要類型，按照每個光伏方陣裝機容量為1MWp、5條集電線路、同一項目不同通訊方案考慮，對傳統(tǒng)環(huán)網(wǎng)光纖和無線通訊方案所需設(shè)備需求和成本進行分析（同一靜態(tài)計算基準期），詳見表1和表2 ：

3.2 施工和運維方面

傳統(tǒng)環(huán)網(wǎng)光纖方案施工難度主要體現(xiàn)在光纖敷設(shè)方面，環(huán)網(wǎng)光纖方案設(shè)備節(jié)點較多、敷設(shè)路徑較遠，以山地光伏電站為例，在采用電纜溝或直埋敷設(shè)方式下，在不考慮支架、蓋板等材料消耗的前提下，存在開挖難度較大、取土不易、溝內(nèi)積水等問題;漁光互補光伏電站存在電纜橋架消耗量過大、水平力影響考慮樁基直徑加大等問題;沉陷區(qū)水上漂浮光伏電站存在穿管、固定、水位變化造成的電纜損壞等問題;此外，在上述因素影響下，導(dǎo)致的施工周期拉長、安裝成本較高，在一定程度上給具有“短、頻、快”特點的光伏電站帶來了不利影響。但是，傳統(tǒng)光纖環(huán)網(wǎng)方案在數(shù)據(jù)傳輸上的可靠性也為電站的后期運維帶來了一定便利。

無線通訊方案的主要設(shè)備集中在站內(nèi)二次設(shè)備室，每個光伏發(fā)電單元只需安裝一個無線數(shù)據(jù)模塊，不受地形影響，設(shè)備節(jié)點較少，施工周期較短，且能通過配備手持終端，利用無線網(wǎng)絡(luò)進行集群通訊、視頻回傳和調(diào)度等運維、巡檢相關(guān)的通信功能，便于維護人員日常運維的同時，提高了現(xiàn)場的指揮調(diào)度能力，縮短了搶修時間，提高了應(yīng)急能力。但是無線通信在成本、數(shù)據(jù)可靠性和安全性上存在一定劣勢。

4 結(jié)語

綜上所述，結(jié)合考慮施工難易、建設(shè)成本、運維檢修和數(shù)據(jù)可靠性等因素，無線通訊方案在按照相關(guān)要求設(shè)立安全接入?yún)^(qū)，并部署安全隔離、訪問控制和身份認證等安全措施的情況下，山地光伏、水上光伏可以考慮無線通訊方案;綜合環(huán)網(wǎng)光纖在成本、故障率低等優(yōu)勢，地面光伏和屋頂分布式光伏電站布線空間不受限、開挖或穿管易于實現(xiàn)等特點，建議考慮環(huán)網(wǎng)光纖方案。

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