【汇总】光伏电站中你看不见的监控系统

一、我们能看见的监控系统

　　1.功能介绍

在光伏圈里，上海淘科是最早做监控系统的公司之一。旗下的绿色电力网就是一个典型的综合管理平台。（如图1、图2）

　　图1用户信息

　　图2用户月发电量

这种管理平台非常便于电站的管理，监控系统提供功能选择画面，并对光伏阵列现场环境进行实时监控与显示，如室外温度值、湿度百分比、光照度及阵列表面温度值等。

监控系统可分区域实时监控各光伏阵列的充电电压及电流、蓄电池电压及温度等信息，并对故障点进行异常显示与报警提示。

监控系统可绘制显示逆变器电压—时间曲线、功率—时间曲线等，直流侧输入电流实时曲线、交流侧逆变输出电流曲线，并采集与显示日发电量等电参量。（图2）

监控系统可针对光伏发电现场的各种事件进行记录，如：通讯采集异常、开关变位、操作记录等，时间记录支持按类型查询，并可对越限报警进行更改设置。

监控系统对光伏发电的发电量可形成月棒图及年度棒图显示，并折算成二氧化碳、二氧化硫减排量值；并可查看太阳辐射强度趋势曲线、风速变化趋势曲线显示。

2.监控结构拓扑

　　【1】大型地面电站

目前大型地面电站的监控是从智能光伏汇流箱开始的。汇流箱里集成了一个检测模块，这种模块可以检测每一个组串的电压和电流信息。通过RS485通讯模块输入到最近的数据采集器中。

500KW的直流配电柜里一般汇聚了6-7路直流汇流箱，同时也配备了电压电流测量设备。也通过RS485通讯模块输入到最近的数据采集器中。

500KW逆变器中集中了交、直流电流电压传感器。可以直接跟数据采集器直接通讯。

　　图3监控拓扑

【2】分布式电站（组串逆变器）

　　图4监控拓扑

若干台逆变器通过几路RS485接入到数据采集器中，通讯协议为Modbus-RTU。数据采集器与后台监控系统采用以太网通讯，通讯协议Modbus_TCP。电表的通讯方式为RS485，符合Modbus-RTU协议条件下可以直接接入数采，数采会自动将ModbusRTU协议转换成Modbus-TCP协议通过以太网与后台通讯。

【3】现场监控

现场监控主要有两部分功能：一部分是对现场故障采取应急启停控制；另一部分是通过现场设备上所安装的人性化LCD显示屏（中英文菜单）实时显示各项运行数据、故障数据、一定时间内的历史故障数据、总发电量数据和一定时间内的历史发电量数据等，使现场巡查人员能够方便、及时地掌握该设备的整体信息。LCD人机界面选择液晶显示器，选择单片机进行控制，通过Modbus协议与DSP控制板进行通信。

    为了更清楚地了解当前设备的各种信息并发送控制，液晶显示屏的功能设计非常重要。LCD显示屏上显示运行信息、故障记录、启停控制和参量设置。运行信息中显示电网电压、并网电流、输出功率、电网频率、机内温度、当天发电量、月发电量、年发电量、总发电量、运行时间等信息。参量设置界面可以实现时钟调整、电流给定、电压给定、电量补偿等功能。

　　【4】上位机监控

现场设备上装有RS485通讯接口，采用Modbus通汛协议，采集的数据通过Rs485总线传输到上位机监控室中实现遥测、遥信。上位机监控功能是由本地监控计算机完成的。监控计算机上安装有专门的监控软件，将采集的数据进行存储、分析，通过各种样式的图形图表快速反映现场设备的运行情况，将需要的数据生成报表并打印导出，进行更为专业的计算分析。

    操作人员通过该软件输入相应的控带0信息，改变设备的运行状态，实现遥控.本地监控室中还有专门的计算机作为系统的Web服务器，将现场设备的运行情况发布到网上，实现远程监控。在本地监控计算机上采用C/S模式，实现对各个设备的监控。

【5】实际案例

某新能源有限公司20MW光伏发电集中成片示范项目按照数字化光伏电站监控系统硬件单元来配置硬件产品，分为环境气象站、数据存储显示及上传系统、数据采集通讯系统、软件管理系统四个部分。可以实现：光伏电站的数据采集、协议转换、电压转换、网络通讯、数据存储、数据显示、数据操作、数据上传等功能。

（1）气象站

硬件设备由辐照仪、风速仪、风向仪、电池板温度传感器、环境温湿度传感器、监测控制盒、三角支架组成。环境设备固定安装在德容子电站楼顶上，通过RS485屏蔽双绞线接入到逆变器房，通过WL无线采集器将数据传输到总部上位机进行数据通讯，同时系统采集环境监测站的太阳辐照度、环境温湿度、电池板温度、风速、风向环境实时数据。

（2）数据存储显示及上传系统

在数据处理及存储系统中，以工控机为核心，旨在为电站项目构建电站本地/远程数据库，实现电站数据本地的存储和处理以及满足鉴衡数据验收要求。数据存储及显示系统可上传逆变器设备运行数据和包括辐照度、日发电量、总发电量、CO2减排量，组件温湿度，环境温湿度在内的实时信息。为保证整个数据系统的稳定和安全性，在主站数据处理及存储系统中，主要设备包括：

a.工控机及显示器1套：用于值班人对监控装置的动态参数进行数据采集和数据存储，建立设备状态综合数库，并预留扩展空间。配备19寸显示器及键鼠，用于整个监控系统的维护、管理，可完成数据库的定义、修改，系统参数的定义、修改，报表的制作、修改，以及网络维护、系统诊断；

b.网络交换机1台：24口机架式网络交换机传输速率100Mbps，与服务器进行数据交换；

c.智能通讯前端服务器1台：光伏电站所有数据通过智能通讯前端服务器SmartLogg300将数据从本地上传至鉴衡数据中心；

d.UPS不间断电源：保护系统在突然断电而影响正常工作，导致设备造成损害；

e.PC机操作站：用于整个监控系统的维护、管理，可完成数据库的定义、修改，系统参数的定义、修改，报表的制作定义、修改，系统参数的定义、修改，报表的制作、修改，以及网络维护、系统诊断等工作；以上设备集成在1台标准42U通讯柜中，机柜内配置必要的数据通讯模块，电源模块，防雷保护模块、断路保护模块等。

（3）数据采集通讯系统

电站现场设备监测点分散广、距离远的特点，数据采集通讯系统主要以WLAN为通讯传输方式。通过与业主沟通，数据采集通讯系统拟采用有线+无线结合的方式通讯。

　　图5整站拓扑

　　二、光伏功率预测系统

　　1.什么是光伏功率预测

太阳能发电等可再生能源发电具有间歇性强、突变性大、可调度性弱等特点，大规模接入后对电网运行会产生较为明显的影响。该项技术是提高电网调峰能力、增强电网接纳光电的能力、改善电力系统运行安全性与经济性的最为有效、经济的手段之一。从发电企业角度考虑，精准的光伏功率预测将使得光电可以积极地参与市场竞争，规避由供电的不可靠性而受到的经济惩罚。

打个比方，一个有1000人的小区楼下有一个储蓄所。这个储蓄所日常有50万的现金就可以应对1000人存取款。几年后这个地方又盖了好几个小区。这时候50万的现金储备就肯定不够用了。这时候就要对日常的存取款量进行分析，上级银行会根据数据分析是增加现金储备，还是新增营业网点。

2.光伏功率的重要作用

光伏发电具有间歇性、随机性和波动性，由此给电网的安全运行带来了一系列问题，电网调度部门传统的做法只能采取拉闸限电这样的办法。随着光伏发电站电网电源结构比重的增加，光伏功率预测系统变得尤为重要，光伏功率预测越准，光伏并网给电网的安全运行带来的影响就越小，就能够有效的帮助电网调度部门做好各类电源的调度计划。光伏功率预测越准，电网就会减少光伏限电，由此大大提高了电网消纳阳光的能力，进而减少了由于限电给光伏业主带来的经济损失，增加了光伏电站投资回报率。

国际上最早进行光伏预测研究的是美国科学家Jensenius，他在1981年提出了利用模式输出统计系统进行光伏预测的方法。

a.短期预测电站次日0时至未来72小时的功率预测，时间分辨率为15分钟一个点，按调度要求进行自动上传。

b.超短期预测电站未来15分钟至4小时的功率预测，时间分辨率为15分钟一个点，每15分钟滚动上传至调度。

光功率预测是监控的一种，由于专业性极强，且只针对电网。除了技术人员很少了解这种设备的存在。我们可以认为这种系统是不友好的。其实光伏系统里还有很多“不友好的系统”。

　　三.“不让我们看的”监控系统

　　1.电力系统安全性的重要

现在电力安全已经成为一个世界性问题，经济越发展，由电力系统造成的影响就越大，由电网造成的经济及政治的事件在国内外也屡见不鲜。说到电力安全生产，人们往往想到的是不发生人身伤亡事故，不发生主要设备损坏事故，不发生火灾，不发生系统大面积停电事故。大电力系统具有明显的优越性，可以合理开发与利用能源，节省投资与运行费用，增加对用户的供电安全性等。

    各个地区可以互相交换电力，如我国从华中电网向华东上海和广东供电。但是大电网也带来潜在威胁如局部电网某些个别问题，特别是个别地区，设备发生事故，影响将波及邻近的广大地区，引起连锁反应，发生大面积停电事故。仅2003年，美国、加拿大、英国等国相继出现大面积停电事故，其中8月14日美国及加拿大出现的大面积停电事故波及24000多平方公里、受影响的人达500万，仅美国纽约地区就停电29小时，经济损失达120美元。

光伏发电要并入国家电网，就必须受到国家电网的控制和调度。一个光伏发电系统，从变压器开始到并网点之间的所有设备，断路器、负荷开关、测量设备都需要被电网监控，而且是电网的专网监控。设备被监控是因为，是因为要调度。电网专网监控，是为了电网安全。

2.电力系统“远动”和“四遥”第一步

由于电能生产的特点，能源中心和负荷中心一般相距甚远，电力系统分布在很广的地域，其中发电厂、变电所、电力调度中心和用户之间的距离近则几十公里，远则几百公里甚至数千公里。要管理和监控分布甚广的众多厂、所、站和设备、元器件的运行工况，已不能用通常的机械联系或电联系来传递控制信息或反馈的数据，必须借助于一种技术手段，这就是远动技术。

它将各个厂、所、站的运行工况（包括开关状态、设备的运行参数等）转换成便于传输的信号形式，加上保护措施以防止传输过程中的外界干扰，经过调制后，由专门的信息通道传送到调度所。在调度所的中心站经过反调制，还原为原来对应于厂、所、站工况的一些信号再显示出来，供给调度人员监控之用。调度人员的一些控制命令也可以通过类似过程传送到远方厂、所、站，驱动被控对象。这一过程实际上涉及遥测、遥信、遥调、遥控，所以，远动技术是四遥的结合。

【1】遥测

遥测信息是RTU采集到的电力系统运行的实时参数，如发电机出力，母线电压，系统中的潮流，有功负荷和无功负荷，线路电流，电度量等测量信息。

目前我们能见到监控系统，用于电站运维的监控系统。都属于“遥测”这个范畴。主要的功能就是“能看见”看见电流、电压的数据。如果用高灵敏度的测量仪器，就能做到“看的清”。但是我们在“遥测”这次个层面上只能做到“看”，而不能“动”。

【2】遥信

遥信功能通常用于测量下列信号，开关的位置信号、变压器内部故障综合信号、保护装置的动作信号、通信设备运行状况信号、调压变压器抽头位置信号。

说的简单些，汇流箱里面有16个熔丝、一个断路器、一个防雷器。

如果这18个设备都正常，在计算机系统里就显示18个“0”如果有几个不工作了，就显示相应的几个“1”。

不过，目前从成本和必要性来说。汇流箱、直流柜、逆变器都不会被“遥信”。

【3】遥控

远程控制。接受并执行遥控命令，主要是分合闸，对远程的一些开关控制设备进行远程控制。

调度中心对远端的光伏电站并网点进行分合闸的操作，这个操作是电力系统做的，业主做不了，也不能让业主操作。

【4】遥调

接受并执行遥调命令，对远程的控制量设备进行远程调试，如调节发电机输出功率。光伏电站没有机械部件，能够被遥调的设备不多。但是在电力系统中的作用非常重要。