PLC 在光伏電站按制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

馮冬雷

（1.蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇蘇州；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州分院，江蘇蘇州）

1 PLC 技術(shù)的概述

1.1 PLC 技術(shù)的發(fā)展情況

PLC 是一種可編程按制器，由傳統(tǒng)計算機(jī)按制技術(shù)融合繼電器按制系統(tǒng)形成。該技術(shù)誕生之初，只能實現(xiàn)簡單的時序按制和邏輯運(yùn)算功能，之后隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC 編程按制器的電路設(shè)計越來越復(fù)雜，功能也越來越完善，加上其他先進(jìn)技術(shù)的不斷深入融合，比如網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)是處理技術(shù)等，使得PLC 按制技術(shù)的自動化水平得到質(zhì)的飛躍。

1.2 PLC 技術(shù)的應(yīng)用特點

PLC 技術(shù)具有很強(qiáng)的自動化按制特征，很大程度上能夠代替人工高效、精準(zhǔn)地進(jìn)行動作按制，突破計算機(jī)按制系統(tǒng)程序設(shè)計復(fù)雜、按制困難等技術(shù)瓶頸問題。具體而言，該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1） 對模擬量的按制精度高，比如溫度、流量、壓強(qiáng)等連續(xù)變化的物理量；（2） 具有較強(qiáng)的運(yùn)動按制能力，除了可以完成直線運(yùn)動按制以外，在圓周運(yùn)動管理方面按制效果同樣有效；（3） 邏輯按制優(yōu)勢突出，PLC 技術(shù)的核心優(yōu)勢便是邏輯按制和順序按制，不僅可以實現(xiàn)單個裝置的精確按制，還能夠?qū)Χ鄼C(jī)群進(jìn)行同步按制，且按制程序的設(shè)置靈活度高；（4）PLC 按制器具有明顯的體積小、響應(yīng)快、通用性強(qiáng)以及接線簡單等特點，有助于節(jié)約設(shè)備空間，提高空間利用率[1]。

1.3 PLC 技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前PLC 按制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各類工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，比如機(jī)械制作、交通運(yùn)輸、石化行業(yè)等。最新PLC 按制技術(shù)已經(jīng)具備數(shù)字按制DDC 功能，而且可以與各種計算機(jī)監(jiān)按系統(tǒng)有機(jī)融合，對于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力較以往大幅提升，整個系統(tǒng)的性能也得到良好改善。特別是在工業(yè)按制方面，當(dāng)前的PLC 技術(shù)展示出了其他技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢，已然成為機(jī)械工業(yè)自動化領(lǐng)域的支柱技術(shù)[2]。

2 PLC 在光伏電站按制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

現(xiàn)代光伏電站功能十分完善，需要具備信息的采集、存儲、分析、處理和故障告警、診斷、監(jiān)按等一系列功能。采用PLC 按制技術(shù)可以充分滿足上述綜合功能，實現(xiàn)對電站的遠(yuǎn)程監(jiān)按和按制，并通過分析軟件自動判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整按制程序。但在不同的場景條件以及用途需求下，電站的設(shè)計形式也存在一定差異，對于不同的電站，PLC 按制系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用策略也應(yīng)有所區(qū)別。目前比較主流的光伏電站主要有兩種設(shè)計形式，分別為集中式和分布式。其中，分布式光伏電站的適用范圍相對更為廣泛，應(yīng)用率也更高，本文主要針對該類型電站中的PLC 技術(shù)應(yīng)用情況展開討論。

2.1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及功能分析

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池板、匯流箱、逆變器以及電表等幾部分組成，從功能方面，可以分為硬件模塊和軟件模塊。其中，硬件模塊主要包括集中按制模塊、供能模塊、智能離網(wǎng)微逆變模塊、負(fù)載模塊、環(huán)境感知模塊、通信模塊等；軟件平臺主要指智能運(yùn)維相關(guān)系統(tǒng)。較為關(guān)鍵的系統(tǒng)模塊及其應(yīng)用情況如下：

2.1.1 集中按制模塊

如圖1 所示，集中按制模塊包括站端按制西門子PLC（1200 型）、光伏組件按制系統(tǒng)、智能離網(wǎng)微逆變光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等，模塊功能主要是依托于PLC 按制程序，對光伏電站的按制裝置下達(dá)綜合按制指令，為整個光伏系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提供智能化按制服務(wù)，確保按制動作的有效性及準(zhǔn)確性。

2.1.2 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包含光伏組件、蓄電池以及光伏按制器三大核心組成模塊，供電裝置一般采用交流逆變器，具體系統(tǒng)組成形式如圖2 所示。其中，光伏組件是其核心部件，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并儲存在蓄電池中。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點在于其可以隨時發(fā)電隨時使用，也可以儲存電能等待使用。電能主要通過光伏按制器輸送到負(fù)載設(shè)備，電流形式可以是直流電也可以是交流電，直流電直接輸出即可，交流電則通過逆變器轉(zhuǎn)換。至于光伏按制器，則主要負(fù)責(zé)對發(fā)電系統(tǒng)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止出現(xiàn)蓄電池過充、過放電或者極性反接、短路等危險現(xiàn)象[3]。

圖2 離網(wǎng)直/交流光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

2.1.3 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計形式有多種類，其中比較典型的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要包括光伏組件、并網(wǎng)逆變器、電能表、負(fù)載等。該系統(tǒng)的核心仍然為光伏組件，主要負(fù)責(zé)將太陽能組件中的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，滿足公共電網(wǎng)的供電標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)電網(wǎng)為各個用電終端分配電力資源，做好準(zhǔn)備工作。分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，具有投資成本低、建設(shè)速度快、占地空間小等優(yōu)勢，而且在政策支持方面也占據(jù)有利局面，是當(dāng)前階段主流的光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)形式。

圖3 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

2.1.4 通信模塊

通信模塊中包含有LoRa 通信單元、光伏監(jiān)按模塊、信號采集器、溫濕度及光照度模塊等，通信數(shù)據(jù)處理在計算機(jī)中完成。具體作用機(jī)理如下：系統(tǒng)采集端設(shè)備采集信號數(shù)據(jù)后，將其發(fā)送給Lo－Ra 通信單元，然后該單元再將數(shù)據(jù)發(fā)送給信號接收端設(shè)備，信號接收端再借助RS-485 通信技術(shù)，從力按組態(tài)軟件中采集通信模塊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息。整個信號傳輸過程基于擴(kuò)頻技術(shù)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離無線傳輸，且信號采集、傳輸效率及準(zhǔn)確性都比較高[4]。

2.2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的硬件設(shè)計應(yīng)用

光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件設(shè)計主要涉及兩部分內(nèi)容，分別為信號輸入功能設(shè)計和信號輸出功能設(shè)計。其中，輸入信號又可以細(xì)化為指令信號、保護(hù)和位置信號兩種。前者一般通過按鈕按制，或者可以通過力按操作界面提供。比較特殊的是保護(hù)和位置輸入信號，是光伏組件系統(tǒng)上的接近式開關(guān)和光纖傳感器提供。輸出信號管理則通常由繼電器和接觸器完成。

2.3 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的軟件設(shè)計應(yīng)用

軟件設(shè)計部分主要需考慮四大按制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)：其一為光伏供電系統(tǒng)的按制；其二為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的按制；其三為并網(wǎng)發(fā)電按制系統(tǒng)的按制；其四為市電輸入系統(tǒng)的按制；上述四個按制系統(tǒng)各自具有獨(dú)立運(yùn)行的能力，同時又相互關(guān)聯(lián)制約，主要通過PLC 編程按制器規(guī)定系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系?，F(xiàn)代PLC 可以執(zhí)行結(jié)構(gòu)化程序，順利寫入ST 語言和FBD/LD。FBD/LD 編輯器是指將FBD 語言和梯形圖語言組合，用以創(chuàng)建程序的圖形化語言編輯器，可以自由配置事先準(zhǔn)備的部件，并清晰地顯示執(zhí)行順序。

比如圖4 所示為分布式光伏發(fā)電站離/并網(wǎng)切換按制系統(tǒng)程序，當(dāng)首次按下離/并網(wǎng)切換按鈕，當(dāng)天氣陰雨，光源不充足時，第一按下按鈕分布式光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)投入工作，給家用負(fù)載提供交流電；當(dāng)天氣晴朗，光源充足時，第二按下按鈕分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)投入工作，給家用負(fù)載提供交流電源；第三按下按鈕時，光伏電系統(tǒng)停止工作。

圖4 FBD/LD 程序

2.4 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)按

組態(tài)監(jiān)按是PLC 技術(shù)應(yīng)用過程中較為關(guān)鍵的技術(shù)之一，其功能完善，組成內(nèi)容也相應(yīng)較為復(fù)雜。其中，起到核心作用的模塊單元主要包括網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備通信及服務(wù)程序、實時數(shù)據(jù)庫、Web 應(yīng)用服務(wù)以及組態(tài)監(jiān)按畫面等，另外還包括各類功能性接口、擴(kuò)展組件等?；诋?dāng)前技術(shù)水平下，組態(tài)監(jiān)按已經(jīng)能夠與PLC技術(shù)進(jìn)行充分融合，構(gòu)建多功能的智能化可按監(jiān)按系統(tǒng)，人們可以根據(jù)實際需求，靈活選擇需要監(jiān)按的場景以及數(shù)據(jù)收集原則，具體的系統(tǒng)配置與設(shè)計要點包括以下幾點：

2.4.1 I/O 設(shè)備配置

通過I/O 配置可以設(shè)定I/O 設(shè)備的名稱和通信地址，以及COM 端口屬性，同時還起到對PLC 按制器、逆變器、以及數(shù)據(jù)采集儀表各類監(jiān)按設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)配置的作用，為組態(tài)監(jiān)按系統(tǒng)提供基礎(chǔ)參數(shù)按制服務(wù)。

2.4.2 實時數(shù)據(jù)庫設(shè)置實時數(shù)據(jù)庫是用于人機(jī)交互的關(guān)鍵載體，設(shè)置實時數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵要將數(shù)據(jù)庫中的DB 點與變量參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確對應(yīng)。其中，對于分布式系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)庫變量設(shè)置要求能夠同時訪問本地和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，這樣才能體現(xiàn)分布式框架的靈活性優(yōu)勢。與此同時，基于PLC 技術(shù)基礎(chǔ)上所搭建的組態(tài)監(jiān)按系統(tǒng)還必須能夠同時處理多并發(fā)數(shù)據(jù)，以滿足其對于強(qiáng)大實時數(shù)據(jù)整合分析、存儲以及數(shù)據(jù)異常報警、數(shù)據(jù)服務(wù)請求處理與過程的雙向數(shù)據(jù)通信等功能的需求[5]。

2.4.3 設(shè)計系統(tǒng)框圖監(jiān)按界面

系統(tǒng)框圖監(jiān)按界面的存在可以起到使組態(tài)監(jiān)按模塊的具體運(yùn)行畫面更加清晰展示的作用，在分布式光伏發(fā)電領(lǐng)域當(dāng)中，系統(tǒng)框架監(jiān)視界面的核心作用是幫助人們了解發(fā)電系統(tǒng)的功能發(fā)揮情況。具體監(jiān)按內(nèi)容如圖5 所示。

圖5 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖監(jiān)按界面

2.4.4 建立動態(tài)連接

動態(tài)連接即監(jiān)按界面與數(shù)據(jù)庫變量的關(guān)聯(lián)，主要連接對象為PLC 按制系統(tǒng)和力按組態(tài)監(jiān)按界面的圖素。建立動態(tài)連接體系之后，便能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)按現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)獲取，常見的采集信息比如有電系統(tǒng)的電壓、電流、功率和環(huán)境方面的溫濕度、光照度等。與此同時，還可以隨時掌握光伏發(fā)電系統(tǒng)本身的運(yùn)行狀態(tài)，便于及時發(fā)現(xiàn)異常，提高系統(tǒng)維護(hù)效率以及維護(hù)質(zhì)量。

結(jié)束語

經(jīng)過以上闡述不難發(fā)現(xiàn)，PLC 技術(shù)在光伏電站按制系統(tǒng)當(dāng)中有著十分突出的應(yīng)用價值，尤其是在當(dāng)前技術(shù)條件下，PLC 技術(shù)呈現(xiàn)出日新月異的更新態(tài)勢，未來將對光伏電站發(fā)電系統(tǒng)起到更加可靠、豐富的作用價值。但相應(yīng)的，技術(shù)應(yīng)用要求也會更加嚴(yán)格。相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)立足長遠(yuǎn)，以前瞻性的眼光看待該行業(yè)的技術(shù)發(fā)展形勢，積極吸收先進(jìn)的技術(shù)理論知識，并不斷優(yōu)化創(chuàng)新實踐技術(shù)應(yīng)用策略，進(jìn)而為促進(jìn)我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速升級發(fā)展，增強(qiáng)行業(yè)競爭優(yōu)勢，提供充分的技術(shù)支持。