劉丹

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)電實行實時監(jiān)控，當前的分布式光伏發(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。

關鍵詞：通信；ZigBee；離散分析；時鐘同步

 

  在的大力倡導下，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(nóng)業(yè)大棚等，而且低壓并網(wǎng)安全又可靠，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)自動化及日常維護等進行統(tǒng)一管理。然而，當前的分布式光伏發(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、布線復雜、通信不可靠、時鐘不同步等問題。為實現(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、匯流箱及逆變器等設備。監(jiān)控中心用于通過下行目標信道將數(shù)據(jù)請求無線發(fā)送至通信管理機；通信管理機用于接收所述數(shù)據(jù)請求，并通過上行目標信道將與所述數(shù)據(jù)請求對應的設備的運行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控中心，其中，運行數(shù)據(jù)為通信管理機采集并保存設備的運行數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心用于通過上行目標信道接收所述運行數(shù)據(jù)，并對所述運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。

本系統(tǒng)網(wǎng)絡結構由中心節(jié)點子網(wǎng)和分布式子網(wǎng)組成，如圖1所示，通過對中心節(jié)點子網(wǎng)ZigBee數(shù)據(jù)包和分布式子網(wǎng)ZigBee數(shù)據(jù)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(jù)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(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

  監(jiān)控中心還用于通過所述下行目標信道發(fā)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(jiān)控中心。監(jiān)控中心與通信管理機采用冗余數(shù)據(jù)補抄標識，確保數(shù)據(jù)的安全與完整性。

 

  在本文實施例中分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)中包括一個監(jiān)控中心、若干通信管理機及若干設備。監(jiān)控系統(tǒng)與通信管理機之間進行信息傳輸?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，下行目標信道表示信息傳輸方向由監(jiān)控系統(tǒng)至通信管理機，且網(wǎng)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(shù)據(jù)請求，并通過上行目標信道將與數(shù)據(jù)請求對應的設備的運行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控中心，其中運行數(shù)據(jù)為通信管理機采集并保存的設備的運行數(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)，并將獲取到的運行數(shù)據(jù)保存在該通信管理機內(nèi)，通信管理機在接收到數(shù)據(jù)請求后，通過上行目標信道將與該數(shù)據(jù)請求對應的設備的運行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過上行目標信道接收運行數(shù)據(jù)，并對運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。

監(jiān)控中心還通過下行目標信道將數(shù)據(jù)請求無線發(fā)送至通信管理機，通信管理機用于接收數(shù)據(jù)請求，并通過上行目標信道將與數(shù)據(jù)請求對應的設備的運行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控中心。與現(xiàn)有技術相比，本文實施例中監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)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(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(nèi)，每隔一個采集周期從信道中的中心節(jié)點子網(wǎng)的ZigBee設備上采集到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設備構成，在預設時間段內(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。通過對中心節(jié)點子網(wǎng)的ZigBee數(shù)據(jù)包和分布式子網(wǎng)ZigBee數(shù)據(jù)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(jù)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(wǎng)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(wǎng)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(diào)整ZigBee設備的位置，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。

 

  由于中心節(jié)點子網(wǎng)與分布式子網(wǎng)之前是無線傳輸?shù)模员O(jiān)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(jiān)控中心獲取當?shù)貢r間為T，監(jiān)控中心進行信息打包處理時間為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(jiān)控中心在T時刻，將T+ΔT1+ΔTc+ΔT2作為標準時間發(fā)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(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(fā)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(chǎn)生扭曲，管壁和電纜線之間發(fā)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(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。

 

4.1 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，裝機功率在8kW左右。戶用光伏電站今年發(fā)展非常迅猛，根據(jù)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年財政補貼規(guī)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(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)電網(wǎng)Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網(wǎng)技術規(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，應明確計量點，計量點設置除應考慮產(chǎn)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(guī)定，以及相關標準、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足電網(wǎng)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(tǒng)，實現(xiàn)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(yè)380V電網(wǎng)，實現(xiàn)自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。在380V并網(wǎng)點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)均應上傳供電部門用電信息采集系統(tǒng)，用于光伏發(fā)電補貼和上網(wǎng)電量結算。

部分光伏電站并網(wǎng)點需要監(jiān)測并網(wǎng)點電能質(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)《能源局關于2019年風電、光伏發(fā)電項目建設有關事項通知》（國發(fā)新能〔2019〕49號），對于需要補貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目，需要滿足單點并網(wǎng)裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網(wǎng)運行安全技術要求的前提下，通過內(nèi)部多點接入配電系統(tǒng)。

  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(wǎng)。由于裝機容量較大，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)點需要監(jiān)測并網(wǎng)點電能質(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)。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設備比較多，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)應用于屋頂分布式光伏發(fā)電、漁光互補發(fā)電、農(nóng)光互補發(fā)電等多種場景，運行穩(wěn)定，通信可靠，大大節(jié)省了項目的投資成本，用戶反應良好

 

[1]李鐘實.分布式光伏電站設計施工與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.

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

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