基于Web 平臺的光伏電站預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與分析

田 亮

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

隨著近年來油價上漲、化石燃料開采對環(huán)境的污染加劇以及全球經(jīng)濟危機對低成本能源的需求，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展［1］。光伏電站具有區(qū)域分散大、各地環(huán)境造成發(fā)電效能差異大等特點。用戶或電力公司需將分散在各個地方的光伏電站納入統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)進行集中管理。在這種新的模式下，開發(fā)一種可以根據(jù)用戶的電能需求和電站運行成本來監(jiān)管和控制光伏電站發(fā)電的集成系統(tǒng)尤為重要［2］。現(xiàn)有解決方案是基于CAN、LabVIEW、MCGS 等各種控制程序的電網(wǎng)控制系統(tǒng)［3-5］。但由于各光伏電站都配備了各自的技術(shù)運行和管理人員，各電站之間缺乏有效協(xié)調(diào)與監(jiān)控。且不同品牌、不同容量、不同型號的逆變器設(shè)備缺乏集中監(jiān)測和統(tǒng)一管理，難以實現(xiàn)不同區(qū)域范圍內(nèi)多座電站的遠程集中監(jiān)測。另外，為有效應(yīng)對電站的突發(fā)狀況，也亟須設(shè)計和開發(fā)一種實時性強、運行穩(wěn)定、界面友好、操作簡單、智能化程度高的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)。

設(shè)計一套由分布式傳感器、數(shù)據(jù)采集、分析軟件和執(zhí)行器組成的監(jiān)控系統(tǒng)，可監(jiān)測與分析光伏系統(tǒng)設(shè)備的運行參數(shù)。采用多通道通信方式，保證信息傳遞、數(shù)據(jù)分析、能源生產(chǎn)控制、視頻監(jiān)控管理等功能的有效性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)控系統(tǒng)由嵌入式終端主機、攝像頭、逆變器、穿線盒、輻射傳感器、調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備組成，系統(tǒng)集成如圖1 所示。嵌入式終端主機是實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備，主要用于監(jiān)控逆變器和輻射傳感器［6］。

圖1 系統(tǒng)集成

逆變器可以將光伏太陽能板產(chǎn)生的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為市電頻率交流電，可以反饋回商用輸電系統(tǒng)，或是供離網(wǎng)的電網(wǎng)使用。本系統(tǒng)逆變器選用固德威DT 系列的GW15K-DT 型，其額定直流功率是15.4 kW，最大允許接入的組串功率為19.5 kW，額定輸出工頻為50 Hz，正常工作條件下偏差在±1%以內(nèi)。

調(diào)制解調(diào)器是嵌入式終端主機與本地網(wǎng)的中繼傳輸設(shè)備，由發(fā)送、接收、控制、接口及電源等部分組成。可以對來自終端主機光信號進行調(diào)制與解調(diào)。其光波長為1 310 nm，發(fā)送光功率不小于－10 dBm，接收靈敏度不大于－37 dBm，接口速率支持10／100 M自適應(yīng)接入，傳輸速率支持純2 M 及透明傳輸純10 M兩種，用戶可根據(jù)實際需要自行選擇。

穿線盒是介于太陽能電池方陣和太陽能充電控制裝置之間的連接裝置，由盒體、線纜及連接器3 部分構(gòu)成，其主要作用是連接和保護太陽能光伏組件，將太陽能電池產(chǎn)生的電力與外部線路連接，傳導(dǎo)光伏組件所產(chǎn)生的電流。其最大工作電流為16 A，最大耐壓1 000 V，使用溫度為-40～90 ℃，最大工作濕度為5%～95%（無凝結(jié)），防水等級為IP65，連接線直徑為4 mm。

輻射傳感器用于測量太陽的短波輻射量，其利用硅光探測器產(chǎn)生一個正比于入射光的電壓輸出信號，為了減小余弦誤差，在儀器內(nèi)安置一個余弦修正器，該輻射計可直接與數(shù)字電壓表或數(shù)采器相連，進行輻射強度的測量。選用TBQ-2C 型熱電型總輻射傳感器，其測量波長范圍為300～3 200 nm，測量輻射強度范圍0～2 000 W／m2。

溫度傳感器具有定點數(shù)據(jù)上傳功能，以無線發(fā)射電臺為通信平臺，具有不受地理限制、穩(wěn)定、可靠和成本低等優(yōu)點。選用2 組NTC 型Pt100 鉑熱電阻溫度傳感器測量光伏組件的溫度。工作溫度為-20～60 ℃，天線阻抗為50 Ω，測量范圍為-200～400 ℃，熱響應(yīng)時間<30 s，允許通過的最大電流為5 mA，傳感器具備穩(wěn)定性好、抗震動、耐高壓等特點［4］。

能量計數(shù)器能夠檢測溫度傳感器上的異常變化，且能夠自動校準電流和電壓通道，ADE9153B1型能量計數(shù)器是一款高精度、單相能量計量，具有傳感器監(jiān)控和自動校準。

由于不同電站的裝機規(guī)模、所處環(huán)境以及電網(wǎng)接入要求各不相同，主要部件的配置可根據(jù)不同電站實際需求進行選型。監(jiān)控系統(tǒng)主機對逆變器輸出的相電壓、線電壓、相電流、功率、功率因數(shù)、電量、頻率和開關(guān)狀態(tài)量等參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，同時通過溫度傳感器采集實際運行陣列周圍的空氣溫度，通過輻射傳感器采集太陽短波輻射量，通過攝像頭監(jiān)測警戒區(qū)域，并進行在線氣候數(shù)據(jù)分析和產(chǎn)能預(yù)警［7］，對異常情況及時報警。以上主要部件均通過調(diào)制解調(diào)器與主機進行數(shù)據(jù)通信。

由于光伏產(chǎn)能主要受光照輻射、面板溫度的影響，因此，監(jiān)控系統(tǒng)可通過與上述的信息存儲組件集成，在預(yù)期產(chǎn)能和實際產(chǎn)能間存在顯著差異時發(fā)出警告。主機與網(wǎng)站平臺進行聯(lián)絡(luò)，以供運行人員實時監(jiān)控電站運行狀態(tài)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)主機配置

監(jiān)控系統(tǒng)采用嵌入式PC 平臺，Linux 操作系統(tǒng)［8］。軟件開發(fā)平臺為LabVIEW2011，通信方式用xml 格式文件進行描述。數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序為NI-DAQmx9.4，利用LabSQL 數(shù)據(jù)庫工具包對采集數(shù)據(jù)進行管理，即完成了數(shù)據(jù)的保存、查詢、修改、刪除等功能［9］。具有采集數(shù)據(jù)精度高、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、界面友好、操作簡單、實時性強等優(yōu)勢。

監(jiān)控系統(tǒng)組成：1 個數(shù)據(jù)記錄器，用于從光伏發(fā)電廠設(shè)備收集數(shù)據(jù)；1 個控制器，用于修改植入行為；1 個xml 數(shù)據(jù)庫，用于存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫具有報警處理、數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)維護功能，通過信息轉(zhuǎn)換模塊向系統(tǒng)用戶傳輸信息。

監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2 所示。數(shù)據(jù)記錄器處理與光伏植入系統(tǒng)之間的通信支持TCP／IP 和RTU版本的MODBUS 協(xié)議。在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，可以通過英特網(wǎng)建立有線或無線連接；在無網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，可以通過RS232／485 和USB 建立連接。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)

控制器通過MODBUS 協(xié)議與光伏植入物進行交互，可接收來自用戶或上級網(wǎng)格控制系統(tǒng)的命令。如能源過剩時，根據(jù)電網(wǎng)控制要求減少注入電網(wǎng)的能量；當(dāng)處理程序請求以不同于正常的相位向網(wǎng)絡(luò)中注入電流時，可重新對網(wǎng)絡(luò)進行相位調(diào)整。控制器能夠迅速響應(yīng)外部命令，使系統(tǒng)實時與智能電網(wǎng)建立通信。

數(shù)據(jù)庫從數(shù)據(jù)記錄器和其他模塊收集數(shù)據(jù)。模塊間交換的所有數(shù)據(jù)使用xml 格式，數(shù)據(jù)分析模塊可提供來自原始數(shù)據(jù)的聚合數(shù)據(jù)：最小值、最大值、平均值、方差和瞬時值。

數(shù)據(jù)分析模塊可將太陽輻射實測數(shù)據(jù)和公共數(shù)據(jù)庫提供的預(yù)期數(shù)據(jù)進行比較［10］。報警處理程序驗證每個參數(shù)是否在xml 配置文件指定的約束內(nèi)。維護模塊自檢警報功能是否正常，并驗證是否執(zhí)行了警報程序所需的每個步驟。視頻監(jiān)控模塊可處理植入部位的攝像機，并提供防盜功能。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸模塊將來自監(jiān)控系統(tǒng)的所有信息傳輸?shù)接脩?。上述信息在網(wǎng)絡(luò)平臺上發(fā)布，如果報警，會及時通過短信和郵件通知用戶，并在網(wǎng)絡(luò)界面上更改顏色。圖3 為用于發(fā)布信息和與用戶交互的Web 界面。

圖3 操作界面

3.1 電站運行能力分析

監(jiān)控系統(tǒng)控制器（如圖2 所示）中嵌入智能導(dǎo)軌表，采集精度相對逆變器精度有明顯提高，誤差可控制在千分級，使數(shù)據(jù)更加有可信度?？蓪⒉杉南到y(tǒng)電壓、電流信號送入能量計數(shù)器，進而對采樣信號進行計算轉(zhuǎn)換為電壓、電流、功率和電能等電參量。導(dǎo)軌表采集當(dāng)前的電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)等運行參數(shù)，可通過GPRS 通信模組上傳至Web監(jiān)控平臺［11-13］。實時顯示日發(fā)電量、總發(fā)電量、機內(nèi)溫度、總有功功率等電參數(shù)。當(dāng)上報數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時，Web 平臺告警或平臺發(fā)起遠程跳閘命令并聯(lián)動運維系統(tǒng)通知運維人員現(xiàn)場排查。

3.2 電站維護

光伏面板通過表面溫度傳感器采集系統(tǒng)參數(shù)。由于光伏面板效率隨著溫度的升高而降低，為有效監(jiān)控光伏面板的工作效率，監(jiān)控系統(tǒng)需采集2 個重要參數(shù)： 一是當(dāng)電池板溫度與太陽輻射產(chǎn)生熱量發(fā)生異常時，采集電池板故障的發(fā)生頻次數(shù)據(jù)；二是預(yù)期發(fā)電量與實際發(fā)電量的誤差值。

采集光伏組件溫度時，在緊貼光伏組件處外接2組溫度傳感器。據(jù)現(xiàn)場檢測，在晴天13∶00 左右，光伏組件溫度最高，可達50 ℃左右。當(dāng)溫度超過設(shè)定值60 ℃時，控制器平臺預(yù)警；若溫度繼續(xù)升高至溫度上限75 ℃時，控制器發(fā)起遠程跳閘命令并聯(lián)動運維系統(tǒng)通知運維人員現(xiàn)場排查。

3.3 電站安全遠程監(jiān)控

監(jiān)控系統(tǒng)具有一組自動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枰藶殛P(guān)斷、合閘的情況時，可遠程對自動重合閘斷路器進行控制。具有3 組電壓檢測功能，分別檢測進線斷路器負載端、自動重合閘負載端電壓，判斷電表箱中重要元器件的運行狀態(tài)是否正常。同時，監(jiān)測逆變器實時電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)等運行參數(shù)。當(dāng)上報數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時，Web 平臺告警或平臺發(fā)起遠程跳閘命令并聯(lián)動運維系統(tǒng)通知運維人員現(xiàn)場排查。

3.4 電站集中管理

監(jiān)控系統(tǒng)對不同級別的用戶賦予了不同權(quán)限，從而保證系統(tǒng)在運行過程中的安全性和可靠性。除需要操作員級用戶輸入操作口令外，還需要監(jiān)護人或工程師級用戶輸入確認口令后方可完成該操作。

4 結(jié)語

設(shè)計一套監(jiān)控系統(tǒng)，可利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)與光伏電站的設(shè)備進行集成。可實現(xiàn)不同區(qū)域范圍內(nèi)多座電站的遠程集中監(jiān)測，為現(xiàn)有離網(wǎng)電站的管理和后續(xù)電站的建設(shè)提供了有力支撐。

監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測上傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)，當(dāng)偏離正常范圍時，系統(tǒng)進行預(yù)警或者關(guān)斷操作，避免事故發(fā)生；引入智能導(dǎo)軌表，采集精度相對逆變器精度有明顯提高，誤差可控制在千分級，使數(shù)據(jù)更加有可信度；由于導(dǎo)軌表可實時監(jiān)測各電氣元件的運行狀態(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。對光伏電站的性能評估和優(yōu)化電站設(shè)計起到很好的指導(dǎo)作用。

同時，系統(tǒng)后端可準確進行故障預(yù)警和故障分析處理，同時可實現(xiàn)遠程升級功能。避免依靠人工反復(fù)趕往現(xiàn)場進行維護和管理，減少了大量的人力和物力浪費，節(jié)省了運維成本。