淺談分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

 

摘要：隨著光伏發(fā)電技術(shù)逐步趨于成熟和完善，為了滿足光伏發(fā)電并網(wǎng)需求，需對光伏發(fā)電實(shí)行實(shí)時監(jiān)控，當(dāng)前的分布式光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)主要采用硬連線的組網(wǎng)方式，存在著需挖溝走槽、布線復(fù)雜、通信不可靠、時鐘不同步等問題。鑒于此，提供了一種分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的上述問題。

關(guān)鍵詞：通信；ZigBee；離散分析；時鐘同步

 

  在國家的大力倡導(dǎo)下，分布式光伏電站如今開始興起，它充分利用了閑置的屋頂、樓頂、廠房頂、農(nóng)業(yè)大棚等，而且低壓并網(wǎng)又可靠，由此看來，分布式光伏發(fā)電的發(fā)展是大勢所趨。正是在這種趨勢的引導(dǎo)下，很多從事電氣行業(yè)的電氣公司開始紛紛轉(zhuǎn)移到分布式能源上來，大量的分布式能源建成投產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)對分布式能源的監(jiān)控，滿足電力接入電網(wǎng)的要求，需對分布式能源的合理調(diào)配、集中監(jiān)控、電網(wǎng)分析、配網(wǎng)自動化及日常維護(hù)等進(jìn)行統(tǒng)一管理。然而，當(dāng)前的分布式光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)主要采用硬連線的組網(wǎng)方式進(jìn)行監(jiān)控，而硬連線的組網(wǎng)方式存在著需挖溝走槽、布線復(fù)雜、通信不可靠、時鐘不同步等問題。

 

  本文的主要目的在于提供一種分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)存在的需挖溝走槽、布線復(fù)雜、通信不可靠、時鐘不同步等問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本文提供了一種分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括監(jiān)控、通信管理機(jī)、匯流箱及逆變器等設(shè)備。監(jiān)控用于通過下行目標(biāo)信道將數(shù)據(jù)請求無線發(fā)送至通信管理機(jī)；通信管理機(jī)用于接收所述數(shù)據(jù)請求，并通過上行目標(biāo)信道將與所述數(shù)據(jù)請求對應(yīng)的設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控，其中，運(yùn)行數(shù)據(jù)為通信管理機(jī)采集并保存設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。監(jiān)控用于通過上行目標(biāo)信道接收所述運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對所述運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)和分布式子網(wǎng)組成，如圖1所示，通過對節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)ZigBee數(shù)據(jù)包和分布式子網(wǎng)ZigBee數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到信號強(qiáng)度指示值，判斷所述信號強(qiáng)度指示值是否滿足預(yù)設(shè)的信道要求，若滿足所述信道要求，則對所述信號強(qiáng)度指示值進(jìn)行離散率分析，得到離散率值。根據(jù)所述離散率值確定所述下行目標(biāo)信道及所述上行目標(biāo)信道。

圖1 分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

  監(jiān)控還用于通過所述下行目標(biāo)信道發(fā)送時鐘同步命令至與所述下行目標(biāo)信道對應(yīng)的通信管理機(jī)。通信管理機(jī)基于所述時鐘同步命令進(jìn)行時鐘修正，并通過所述上行目標(biāo)信道將修正后的時鐘返回至監(jiān)控。監(jiān)控與通信管理機(jī)采用冗余數(shù)據(jù)補(bǔ)抄標(biāo)識，確保數(shù)據(jù)的與完整性。

 

  在本文實(shí)施例中分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)中包括一個監(jiān)控、若干通信管理機(jī)及若干設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)與通信管理機(jī)之間進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ǖ婪Q之為信道，分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)中可以存在多條信道。其中，下行目標(biāo)信道表示信息傳輸方向由監(jiān)控系統(tǒng)至通信管理機(jī)，且網(wǎng)絡(luò)良好、信道噪聲小、傳輸誤碼率小的信道。通信管理機(jī)用于接收數(shù)據(jù)請求，并通過上行目標(biāo)信道將與數(shù)據(jù)請求對應(yīng)的設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控，其中運(yùn)行數(shù)據(jù)為通信管理機(jī)采集并保存的設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

在本文實(shí)施例中，上行目標(biāo)信道及下行目標(biāo)信道表示相匹配的信道，可以是同一信道也可以是不同的信道，上行目標(biāo)信道及下行目標(biāo)信道中的上行與下行僅表示信息傳輸方向，不具有其他限定含義。

  在本文實(shí)施例中，每一臺通信管理機(jī)通過串口線實(shí)時獲取與自身連接的設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將獲取到的運(yùn)行數(shù)據(jù)保存在該通信管理機(jī)內(nèi)，通信管理機(jī)在接收到數(shù)據(jù)請求后，通過上行目標(biāo)信道將與該數(shù)據(jù)請求對應(yīng)的設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控。監(jiān)控通過上行目標(biāo)信道接收運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。

監(jiān)控還通過下行目標(biāo)信道將數(shù)據(jù)請求無線發(fā)送至通信管理機(jī)，通信管理機(jī)用于接收數(shù)據(jù)請求，并通過上行目標(biāo)信道將與數(shù)據(jù)請求對應(yīng)的設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文實(shí)施例中監(jiān)控基于無線通信的冗余離散分析算法，提高了分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)通信的可靠性，大大降低了項(xiàng)目的投資成本。

  在分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)中，每一個信道中的ZigBee數(shù)據(jù)包的獲取過程都是相同的，針對某一信道，預(yù)先設(shè)置時間段，并將該時間段分成n個采集周期，在預(yù)設(shè)時間段內(nèi)，每隔一個采集周期從信道中的節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)的ZigBee設(shè)備上采集到1個ZigBee數(shù)據(jù)包，可以采集n個ZigBee數(shù)據(jù)包。若一個信道中的分布式子網(wǎng)由k個ZigBee設(shè)備構(gòu)成，在預(yù)設(shè)時間段內(nèi)，每隔一個采集周期從信道中的分布式子網(wǎng)中的k個ZigBee設(shè)備上采集到k個ZigBee數(shù)據(jù)包，一共可以采集k×n個ZigBee數(shù)據(jù)包。通過對節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)的ZigBee數(shù)據(jù)包和分布式子網(wǎng)ZigBee數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，可以得到不同的信號強(qiáng)度指示值。然后對信號強(qiáng)度指示值進(jìn)行離散率分析，根據(jù)得到離散率值就可以判斷，滿足預(yù)設(shè)的信道要求表示該信道所處的網(wǎng)絡(luò)性能良好，信道噪聲比??；不滿足預(yù)設(shè)的信道要求表示該信道所處的網(wǎng)絡(luò)性能較差，信道噪聲比大。針對不滿足預(yù)設(shè)的信道要求的，可以通過調(diào)整ZigBee設(shè)備的位置，頻段的匹配調(diào)整或增加中繼，來提高系統(tǒng)的通信效果及通信的可靠性。

 

  由于節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)與分布式子網(wǎng)之前是無線傳輸?shù)?，所以監(jiān)控和通信管理機(jī)之間信息傳輸會存在延遲，并且串口線之間進(jìn)行信息傳輸也需要傳輸時間。例如，在某一時刻，監(jiān)控獲取當(dāng)?shù)貢r間為T，監(jiān)控進(jìn)行信息打包處理時間為ΔT1，監(jiān)控將打包處理后的信息傳輸給通信管理機(jī)的時間為ΔTc，通信管理機(jī)接收到打包處理后的信息后進(jìn)行解包處理，解包處理時間為ΔT2，通信管理機(jī)如果將T作為當(dāng)前時間修正本地時鐘，則這次修正是不正確的，因?yàn)橥ㄐ殴芾頇C(jī)修改本地時鐘的那一時刻，標(biāo)準(zhǔn)時間應(yīng)該是T+ΔT1+ΔTc+ΔT2，因此，若監(jiān)控在T時刻，將T+ΔT1+ΔTc+ΔT2作為標(biāo)準(zhǔn)時間發(fā)送至通信管理機(jī)，時鐘修正才是準(zhǔn)確的。

  其中，ΔT1+ΔTc+ΔT2的確定方法是通過測延遲報文來實(shí)現(xiàn)，測延遲報文通常是在初始化時和通信鏈接中斷后又恢復(fù)時進(jìn)行的，測延遲報文的具體流程為：在T+ΔT1+ΔTc+ΔT2時刻，通信管理機(jī)收到時鐘同步命令后，通信管理機(jī)同時發(fā)送確認(rèn)命令，確認(rèn)命令的長度與收到的時鐘同步命令的長度相同，彎曲部位易受到管壁的摩擦和機(jī)械損傷從而導(dǎo)致110 kV高壓電纜產(chǎn)生扭曲，管壁和電纜線之間發(fā)生摩擦損傷。如果在設(shè)計階段沒有充分考慮施工時對電纜的影響，尤其是當(dāng)電纜路徑的轉(zhuǎn)彎半徑不足或轉(zhuǎn)彎處的側(cè)壓力過大時，管道中的殘渣將對電纜的外護(hù)套造成致命損傷，并且可能會導(dǎo)致金屬護(hù)套變形、主絕緣變形，這將給后面的電纜附件制作造成難題，也給后期的運(yùn)行維護(hù)埋下隱患。

 

4.1 交流220V并網(wǎng)

  交流220V并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多用于居民屋頂光伏發(fā)電，裝機(jī)功率在8kW左右。戶用光伏電站今年發(fā)展非常迅猛，根據(jù)國家能源局網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)，截至2021年6月底，全國累計納入2021年國家財政補(bǔ)貼規(guī)模戶用光伏項(xiàng)目裝機(jī)容量為586.14萬千瓦，這相當(dāng)于6個月在居民屋頂建造了四分之一個三峽水電站。

 

  部分小型光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護(hù)裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能。光伏電站規(guī)模較小，而且比較分散，對于光伏電站的管理者來說，通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

4.2 交流380V并網(wǎng)

  根據(jù)國家電網(wǎng)Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，8kW~400kW可380V并網(wǎng)，這類分布式光伏多為工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。分布式光伏接入配電網(wǎng)前，應(yīng)明確計量點(diǎn)，計量點(diǎn)設(shè)置除應(yīng)考慮產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)外，還應(yīng)考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點(diǎn)均應(yīng)裝設(shè)雙向電能計量裝置，其設(shè)備配置和技術(shù)要求符合DL/T 448的相關(guān)規(guī)定，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表，技術(shù)性能應(yīng)滿足國家電網(wǎng)公司關(guān)于智能電能表的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。用于結(jié)算和考核的分布式電源計量裝置，應(yīng)安裝采集設(shè)備，接入用電信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電信息的遠(yuǎn)程自動采集。

 

  光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過匯流箱接入逆變器，然后接入企業(yè)380V電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。在380V并網(wǎng)點(diǎn)前需要安裝計量電表用于計量光伏發(fā)電量，同時在企業(yè)電網(wǎng)和公共電網(wǎng)連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業(yè)上網(wǎng)電量，數(shù)據(jù)均應(yīng)上傳供電部門用電信息采集系統(tǒng)，用于光伏發(fā)電補(bǔ)貼和上網(wǎng)電量結(jié)算。

部分光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)需要監(jiān)測并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨(dú)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護(hù)裝置，避免往電網(wǎng)輸送電能。

這種并網(wǎng)模式單體光伏電站規(guī)模適中，可通過云平臺采用光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和儲能系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

 

4.3 10kV或35kV并網(wǎng)

  根據(jù)《國家能源局關(guān)于2019年風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)通知》（國發(fā)新能〔2019〕49號），對于需要國家補(bǔ)貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，需要滿足單點(diǎn)并網(wǎng)裝機(jī)容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)要求的前提下，通過內(nèi)部多點(diǎn)接入配電系統(tǒng)。

  此類分布式光伏裝機(jī)容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓后接入電網(wǎng)。由于裝機(jī)容量較大，可能對公共電網(wǎng)造成比較大的干擾，因此供電部門對于此規(guī)模的分布式光伏電站穩(wěn)控系統(tǒng)、電能質(zhì)量以及和調(diào)度的通信要求都比較高。

光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)需要監(jiān)測并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨(dú)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。

  上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖，光伏陣列接入光伏匯流箱，經(jīng)過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據(jù)情況可不設(shè)置)，經(jīng)過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網(wǎng)。由于光伏電站裝機(jī)容量比較大，涉及到的保護(hù)和測控設(shè)備比較多，主要如下表：

      

         

          

 

 

  本文所提供的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于屋頂分布式光伏發(fā)電、漁光互補(bǔ)發(fā)電、農(nóng)光互補(bǔ)發(fā)電等多種場景，運(yùn)行穩(wěn)定，通信可靠，大大節(jié)省了項(xiàng)目的投資成本，用戶反應(yīng)良好

 

[1]李鐘實(shí).分布式光伏電站設(shè)計施工與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[2]李小秋.分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā).

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.

 

楊翠，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無線測溫系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用