分布式光伏監控系統的應用開發

更新時間：2023-11-23

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摘要：隨著光伏發電技術逐步趨于成熟和完善，為了滿足光伏發電并網需求，需對光伏發電實行實時監控，當前的分布式光伏發電監控系統主要采用硬連線的組網方式，存在著需挖溝走槽、布線復雜、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控系統，旨在解決傳統監控系統存在的上述問題。

關鍵詞：通信；ZigBee；離散分析；時鐘同步

0 引言

在國家的大力倡導下，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、農業大棚等，而且低壓并網安全又可靠，由此看來，分布式光伏發電的發展是大勢所趨。正是在這種趨勢的引導下，很多從事電氣行業的電氣公司開始紛紛轉移到分布式能源上來，大量的分布式能源建成投產。為實現對分布式能源的監控，滿足電力接入電網的要求，需對分布式能源的合理調配、集中監控、電網分析、配網自動化及日常維護等進行統一管理。然而，當前的分布式光伏發電監控系統主要采用硬連線的組網方式進行監控，而硬連線的組網方式存在著需挖溝走槽、布線復雜、通信不可靠、時鐘不同步等問題。

1 系統設計

本文的主要目的在于提供一種分布式光伏監控系統，旨在解決現有光伏發電監控系統存在的需挖溝走槽、布線復雜、通信不可靠、時鐘不同步等問題。為實現上述目的，本文提供了一種分布式光伏監控系統，該系統包括監控中心、通信管理機、匯流箱及逆變器等設備。監控中心用于通過下行目標信道將數據請求無線發送至通信管理機；通信管理機用于接收所述數據請求，并通過上行目標信道將與所述數據請求對應的設備的運行數據無線反饋至監控中心，其中，運行數據為通信管理機采集并保存設備的運行數據。監控中心用于通過上行目標信道接收所述運行數據，并對所述運行數據進行監測。

本系統網絡結構由中心節點子網和分布式子網組成，如圖1所示，通過對中心節點子網ZigBee數據包和分布式子網ZigBee數據包進行解析，得到信號強度指示值，判斷所述信號強度指示值是否滿足預設的信道要求，若滿足所述信道要求，則對所述信號強度指示值進行離散率分析，得到離散率值。根據所述離散率值確定所述下行目標信道及所述上行目標信道。

圖1 分布式光伏監控系統網絡結構圖

監控中心還用于通過所述下行目標信道發送時鐘同步命令至與所述下行目標信道對應的通信管理機。通信管理機基于所述時鐘同步命令進行時鐘修正，并通過所述上行目標信道將修正后的時鐘返回至監控中心。監控中心與通信管理機采用冗余數據補抄標識，確保數據的安全與完整性。

2 系統通信實施

在本文實施例中分布式光伏監控系統中包括一個監控中心、若干通信管理機及若干設備。監控系統與通信管理機之間進行信息傳輸的通道稱之為信道，分布式光伏監控系統中可以存在多條信道。其中，下行目標信道表示信息傳輸方向由監控系統至通信管理機，且網絡良好、信道噪聲小、傳輸誤碼率小的信道。通信管理機用于接收數據請求，并通過上行目標信道將與數據請求對應的設備的運行數據無線反饋至監控中心，其中運行數據為通信管理機采集并保存的設備的運行數據。

在本文實施例中，上行目標信道及下行目標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，上行目標信道及下行目標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。

在本文實施例中，每一臺通信管理機通過串口線實時獲取與自身連接的設備的運行數據，并將獲取到的運行數據保存在該通信管理機內，通信管理機在接收到數據請求后，通過上行目標信道將與該數據請求對應的設備的運行數據無線反饋至監控中心。監控中心通過上行目標信道接收運行數據，并對運行數據進行監測。

監控中心還通過下行目標信道將數據請求無線發送至通信管理機，通信管理機用于接收數據請求，并通過上行目標信道將與數據請求對應的設備的運行數據無線反饋至監控中心。與現有技術相比，本文實施例中監控中心基于無線通信的冗余離散分析算法，提高了分布式光伏監控系統通信的可靠性，大大降低了項目的投資成本。

在分布式光伏監控系統中，每一個信道中的ZigBee數據包的獲取過程都是相同的，針對某一信道，預先設置時間段，并將該時間段分成n個采集周期，在預設時間段內，每隔一個采集周期從信道中的中心節點子網的ZigBee設備上采集到1個ZigBee數據包，可以采集n個ZigBee數據包。若一個信道中的分布式子網由k個ZigBee設備構成，在預設時間段內，每隔一個采集周期從信道中的分布式子網中的k個ZigBee設備上采集到k個ZigBee數據包，一共可以采集k×n個ZigBee數據包。通過對中心節點子網的ZigBee數據包和分布式子網ZigBee數據包進行解析，可以得到不同的信號強度指示值。然后對信號強度指示值進行離散率分析，根據得到離散率值就可以判斷，滿足預設的信道要求表示該信道所處的網絡性能良好，信道噪聲比小；不滿足預設的信道要求表示該信道所處的網絡性能較差，信道噪聲比大。針對不滿足預設的信道要求的，可以通過調整ZigBee設備的位置，頻段的匹配調整或增加中繼，來提高系統的通信效果及通信的可靠性。

3 系統時鐘同步實施

由于中心節點子網與分布式子網之前是無線傳輸的，所以監控中心和通信管理機之間信息傳輸會存在延遲，并且串口線之間進行信息傳輸也需要傳輸時間。例如，在某一時刻，監控中心獲取當地時間為T，監控中心進行信息打包處理時間為ΔT1，監控中心將打包處理后的信息傳輸給通信管理機的時間為ΔTc，通信管理機接收到打包處理后的信息后進行解包處理，解包處理時間為ΔT2，通信管理機如果將T作為當前時間修正本地時鐘，則這次修正是不正確的，因為通信管理機修改本地時鐘的那一時刻，標準時間應該是T+ΔT1+ΔTc+ΔT2，因此，若監控中心在T時刻，將T+ΔT1+ΔTc+ΔT2作為標準時間發送至通信管理機，時鐘修正才是準確的。

其中，ΔT1+ΔTc+ΔT2的確定方法是通過測延遲報文來實現，測延遲報文通常是在初始化時和通信鏈接中斷后又恢復時進行的，測延遲報文的具體流程為：在T+ΔT1+ΔTc+ΔT2時刻，通信管理機收到時鐘同步命令后，通信管理機同時發送確認命令，確認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械損傷從而導致110 kV高壓電纜產生扭曲，管壁和電纜線之間發生摩擦損傷。如果在設計階段沒有充分考慮施工時對電纜的影響，尤其是當電纜路徑的轉彎半徑不足或轉彎處的側壓力過大時，管道中的殘渣將對電纜的外護套造成致命損傷，并且可能會導致金屬護套變形、主絕緣變形，這將給后面的電纜附件制作造成難題，也給后期的運行維護埋下安全隱患。

4 安科瑞光伏電站電力監控裝置及解決方案

4.1 交流220V并網

交流220V并網的光伏發電系統多用于居民屋頂光伏發電，裝機功率在8kW左右。戶用光伏電站今年發展非常迅猛，根據國家能源局網站提供的數據，截至2021年6月底，全國累計納入2021年國家財政補貼規模戶用光伏項目裝機容量為586.14萬千瓦，這相當于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自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能。光伏電站規模較小，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

根據國家電網Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網技術規定》，8kW~400kW可380V并網，這類分布式光伏多為工商業企業屋頂光伏，自發自用，余電上網。分布式光伏接入配電網前，應明確計量點，計量點設置除應考慮產權分界點外，還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術要求符合DL/T 448的相關規定，以及相關標準、規程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足國家電網公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置，應安裝采集設備，接入用電信息采集系統，實現用電信息的遠程自動采集。

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380V電網，實現自發自用，余電上網。在380V并網點前需要安裝計量電表用于計量光伏發電量，同時在企業電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業上網電量，數據均應上傳供電部門用電信息采集系統，用于光伏發電補貼和上網電量結算。

部分光伏電站并網點需要監測并網點電能質量，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，需要安裝單獨的電能質量監測裝置。部分光伏電站為自發自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能。

這種并網模式單體光伏電站規模適中，可通過云平臺采用光伏發電數據和儲能系統運行數據，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

根據《國家能源局關于2019年風電、光伏發電項目建設有關事項通知》（國發新能〔2019〕49號），對于需要國家補貼的新建工商業分布式光伏發電項目，需要滿足單點并網裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網運行安全技術要求的前提下，通過內部多點接入配電系統。

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

光伏電站并網點需要監測并網點電能質量，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，需要安裝單獨的電能質量監測裝置。

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，經過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據情況可不設置)，經過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設備比較多，主要如下表：

5 結束語

本文所提供的分布式光伏監控系統，已經應用于屋頂分布式光伏發電、漁光互補發電、農光互補發電等多種場景，運行穩定，通信可靠，大大節省了項目的投資成本，用戶反應良好