淺談分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)
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易允恒
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(duì)光伏發(fā)電實(shí)行實(shí)時(shí)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(shí)鐘不同步等問(wèn)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(wèn)題。
關(guān)鍵詞：通信；ZigBee；離散分析；時(shí)鐘同步
0 引言
在國(guó)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)安全又可靠，由此看來(lái)，分布式光伏發(fā)電的發(fā)展是大勢(shì)所趨。正是在這種趨勢(shì)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(lái)，大量的分布式能源建成投產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源的監(jiān)控，滿足電力接入電網(wǎng)的要求，需對(duì)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(dòng)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(shí)鐘不同步等問(wèn)題。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(shí)鐘不同步等問(wèn)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)控中心、通信管理機(jī)、匯流箱及逆變器等設(shè)備。監(jiān)控中心用于通過(guò)下行目標(biāo)信道將數(shù)據(jù)請(qǐng)求無(wú)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(qǐng)求，并通過(guò)上行目標(biāo)信道將與所述數(shù)據(jù)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)無(wú)線反饋至監(jiān)控中心，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)控中心用于通過(guò)上行目標(biāo)信道接收所述運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)所述運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由中心節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)和分布式子網(wǎng)組成，如圖1所示，通過(guò)對(duì)中心節(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(hào)強(qiáng)度指示值，判斷所述信號(hào)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(duì)所述信號(hào)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)控中心還用于通過(guò)所述下行目標(biāo)信道發(fā)送時(shí)鐘同步命令至與所述下行目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的通信管理機(jī)。通信管理機(jī)基于所述時(shí)鐘同步命令進(jìn)行時(shí)鐘修正，并通過(guò)所述上行目標(biāo)信道將修正后的時(shí)鐘返回至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心與通信管理機(jī)采用冗余數(shù)據(jù)補(bǔ)抄標(biāo)識(shí)，確保數(shù)據(jù)的安全與完整性。
2 系統(tǒng)通信實(shí)施
在本文實(shí)施例中分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)中包括一個(gè)監(jiān)控中心、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(qǐng)求，并通過(guò)上行目標(biāo)信道將與數(shù)據(jù)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)無(wú)線反饋至監(jiān)控中心，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(tái)通信管理機(jī)通過(guò)串口線實(shí)時(shí)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(qǐng)求后，通過(guò)上行目標(biāo)信道將與該數(shù)據(jù)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)無(wú)線反饋至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過(guò)上行目標(biāo)信道接收運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
監(jiān)控中心還通過(guò)下行目標(biāo)信道將數(shù)據(jù)請(qǐng)求無(wú)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(qǐng)求，并通過(guò)上行目標(biāo)信道將與數(shù)據(jù)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)無(wú)線反饋至監(jiān)控中心。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文實(shí)施例中監(jiān)控中心基于無(wú)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(gè)信道中的ZigBee數(shù)據(jù)包的獲取過(guò)程都是相同的，針對(duì)某一信道，預(yù)先設(shè)置時(shí)間段，并將該時(shí)間段分成n個(gè)采集周期，在預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)，每隔一個(gè)采集周期從信道中的中心節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)的ZigBee設(shè)備上采集到1個(gè)ZigBee數(shù)據(jù)包，可以采集n個(gè)ZigBee數(shù)據(jù)包。若一個(gè)信道中的分布式子網(wǎng)由k個(gè)ZigBee設(shè)備構(gòu)成，在預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)，每隔一個(gè)采集周期從信道中的分布式子網(wǎng)中的k個(gè)ZigBee設(shè)備上采集到k個(gè)ZigBee數(shù)據(jù)包，一共可以采集k×n個(gè)ZigBee數(shù)據(jù)包。通過(guò)對(duì)中心節(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(hào)強(qiáng)度指示值。然后對(duì)信號(hào)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(duì)不滿足預(yù)設(shè)的信道要求的，可以通過(guò)調(diào)整ZigBee設(shè)備的位置，頻段的匹配調(diào)整或增加中繼，來(lái)提高系統(tǒng)的通信效果及通信的可靠性。
3 系統(tǒng)時(shí)鐘同步實(shí)施
由于中心節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)與分布式子網(wǎng)之前是無(wú)線傳輸?shù)模员O(jiān)控中心和通信管理機(jī)之間信息傳輸會(huì)存在延遲，并且串口線之間進(jìn)行信息傳輸也需要傳輸時(shí)間。例如，在某一時(shí)刻，監(jiān)控中心獲取當(dāng)?shù)貢r(shí)間為T，監(jiān)控中心進(jìn)行信息打包處理時(shí)間為ΔT1，監(jiān)控中心將打包處理后的信息傳輸給通信管理機(jī)的時(shí)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(shí)間為ΔT2，通信管理機(jī)如果將T作為當(dāng)前時(shí)間修正本地時(shí)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(shí)鐘的那一時(shí)刻，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間應(yīng)該是T+ΔT1+ΔTc+ΔT2，因此，若監(jiān)控中心在T時(shí)刻，將T+ΔT1+ΔTc+ΔT2作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間發(fā)送至通信管理機(jī)，時(shí)鐘修正才是準(zhǔn)確的。
其中，ΔT1+ΔTc+ΔT2的確定方法是通過(guò)測(cè)延遲報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)，測(cè)延遲報(bào)文通常是在初始化時(shí)和通信鏈接中斷后又恢復(fù)時(shí)進(jìn)行的，測(cè)延遲報(bào)文的具體流程為：在T+ΔT1+ΔTc+ΔT2時(shí)刻，通信管理機(jī)收到時(shí)鐘同步命令后，通信管理機(jī)同時(shí)發(fā)送確認(rèn)命令，確認(rèn)命令的長(zhǎng)度與收到的時(shí)鐘同步命令的長(zhǎng)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(jì)階段沒有充分考慮施工時(shí)對(duì)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(guò)大時(shí)，管道中的殘?jiān)鼘?duì)電纜的外護(hù)套造成致命損傷，并且可能會(huì)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)埋下安全隱患。
4 安科瑞光伏電站電力監(jiān)控裝置及解決方案
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(guó)家能源局網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)，截至2021年6月底，全國(guó)累計(jì)納入2021年國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼規(guī)模戶用光伏項(xiàng)目裝機(jī)容量為586.14萬(wàn)千瓦，這相當(dāng)于6個(gè)月在居民屋頂建造了四分之一個(gè)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(duì)于光伏電站的管理者來(lái)說(shuō)，通過(guò)云平臺(tái)來(lái)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(guó)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(jì)量點(diǎn)，計(jì)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(gè)計(jì)量點(diǎn)均應(yīng)裝設(shè)雙向電能計(jì)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(guó)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(jì)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(dòng)采集。
光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過(guò)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(jì)量電表用于計(jì)量光伏發(fā)電量，同時(shí)在企業(yè)電網(wǎng)和公共電網(wǎng)連接處也需要安裝雙向計(jì)量電表，用于計(jì)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(cè)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(cè)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(guò)云平臺(tái)采用光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和儲(chǔ)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(guó)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(guó)發(fā)新能〔2019〕49號(hào)），對(duì)于需要國(guó)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)行安全技術(shù)要求的前提下，通過(guò)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(guò)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(duì)公共電網(wǎng)造成比較大的干擾，因此供電部門對(duì)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(cè)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(cè)裝置。
上圖為一個(gè)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(guò)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(guò)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(cè)控設(shè)備比較多，主要如下表：
5 結(jié)束語(yǔ)
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(chǎng)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
【參考文獻(xiàn)】
[1]李鐘實(shí).分布式光伏電站設(shè)計(jì)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(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.
作者簡(jiǎn)介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電
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