基于PS6000+的光伏電站電氣監(jiān)控系統(tǒng)設計

張棋

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

近年來，由于全球能源緊缺、環(huán)境惡化，改變能源的消費結(jié)構(gòu)，在能源供應方面走可持續(xù)發(fā)展的道路已成為人們的共識［1］，大力發(fā)展新能源和可再生能源，發(fā)展“低碳”經(jīng)濟已經(jīng)成為重中之重。光伏發(fā)電技術(shù)以其無污染、可再生等優(yōu)點，得到了越來越多的關注與發(fā)展。

作為一種新興的電源項目，越來越多的光伏電站將接入主電網(wǎng)系統(tǒng)，與常規(guī)變電站綜合自動化系統(tǒng)相比，光伏電站總裝機容量在系統(tǒng)中所占比例較小，在電壓偏差、諧波問題、無功平衡等方面對主電網(wǎng)產(chǎn)生的影響也越來越值得注意［2］。

因此，提高光伏電站系統(tǒng)接入的電氣自動化水平及運行管理水平，加強對電能質(zhì)量的監(jiān)測研究，具有重要意義。本文結(jié)合青海錫鐵山10 MW并網(wǎng)光伏電站項目，以光伏電站的電氣監(jiān)控實施為例進行相關分析。

1 工程概述

青海錫鐵山10MW并網(wǎng)光伏電站項目位于青海省海西州錫鐵山，實際建設裝機容量為10.0062MW。

在光伏發(fā)電場建設1座110 kV升壓站，該期10 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)以每500kW為一個子系統(tǒng)，以10 kV電壓等級接入光伏發(fā)電場升壓站，光伏發(fā)電場升壓站出單回110 kV線路至錫鐵山(鹽湖)330 kV變電站的110 kV側(cè)。

該工程電壓分110 kV和10 kV 2個電壓等級，有2臺主變壓器。110 kV為單母線接線，主變壓器進線2回，110 kV出線1回，變壓器110 kV中性點經(jīng)隔離開關直接接地;變壓器10 kV側(cè)為單母線分段接線，變壓器進線2回，饋線108回，電容饋線2回，所變饋線2回，均為電纜引出，變壓器10 kV中性點不接地;無功補償電容器為2組;光伏陣列每500 kW作為一個單元，合計20套逆變器。

主變壓器容量(1×31500+1×25000)kV·A，為高原型三相雙繞組油浸風冷有載調(diào)壓電力變壓器。

110 kV側(cè)配電裝置為戶外組合電氣，SF6斷路器配電動彈簧操動機構(gòu);隔離開關、檢修開關及快速接地開關配電動操動機構(gòu)。10 kV側(cè)配電裝置選型為戶內(nèi)真空開關柜，配彈簧操動機構(gòu)。

光伏電站接收道海西州調(diào)度所調(diào)度，光伏發(fā)電場的信號通過光伏發(fā)電場的通信系統(tǒng)傳到區(qū)調(diào)度所的計算機，由海西州調(diào)度所提供調(diào)度信息。

2 電氣監(jiān)控系統(tǒng)的范圍

根據(jù)該工程的電氣主接線和廠用電接線，電氣進入光伏電站監(jiān)控管理系統(tǒng)及分散控制系統(tǒng)(DCS)監(jiān)測和控制對象如圖1所示。

系統(tǒng)配置1套監(jiān)控裝置，實時監(jiān)測并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運行參數(shù)和工作狀態(tài)。光伏全站監(jiān)控管理系統(tǒng)采用以下方式運行:

(1)通過現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡信道實時采集光伏終端(電池方陣、匯流箱、跟蹤器等)運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，實現(xiàn)遠程監(jiān)視與控制。

(2)采集逆變器室內(nèi)直流匯流柜、逆變器柜、交流配電柜、變壓器柜及其所含逆變器等裝置運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，實現(xiàn)逆變器室的遠程監(jiān)視與控制。

(3)采集主變壓器保護、母線保護、饋線保護等裝置的運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

(4)系統(tǒng)具備獨立運行能力，完成電氣系統(tǒng)的管理、控制、監(jiān)視、測量、繼電保護、數(shù)據(jù)輸入和輸出、聯(lián)鎖、邏輯編程、信號、報警、通訊等全部功能。

圖1 監(jiān)測和控制系統(tǒng)示意圖

3 總體設計方案

錫鐵山光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)由升壓站監(jiān)控系統(tǒng)主網(wǎng)、方陣子站層(匯流箱系統(tǒng)子網(wǎng)，逆變器系統(tǒng)子網(wǎng))和其他非電氣控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡組成。

3.1 升壓站監(jiān)控系統(tǒng)主網(wǎng)

根據(jù)GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》［3］的要求配置了相應的#1及#2主變壓器保護測控屏、110 kV母線測控屏、分散安裝的綜合保護裝置;各種智能設備以雙以太網(wǎng)(遠距離可使用光纖)的方式接入后臺系統(tǒng)(如圖2所示);同時，配置了全站GPS授時系統(tǒng)及微機“五防”系統(tǒng)。

3.2 逆變器系統(tǒng)

圖2 基于PS6000+的光伏電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的重要設備之一。太陽電池組件把太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c交流電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流，饋入電網(wǎng)實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電功能?？梢圆杉氨O(jiān)視各項運行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、歷史故障數(shù)據(jù)、總發(fā)電量數(shù)據(jù)和歷史發(fā)電量數(shù)據(jù)等［4－5］;逆變器提供RS485或以太網(wǎng)通訊接口，接入方陣單元子站系統(tǒng)(如圖3所示)。

圖3 方陣單元(匯流排、逆變器)子站配置圖

3.3 匯流箱系統(tǒng)

匯流箱的接線方式為16進1出，即把相同規(guī)格的16路電池串列輸入經(jīng)匯流后輸出1路直流。匯流箱配有16路電流監(jiān)控裝置，對每1路電池串列進行電流監(jiān)控，可以通過RS485通訊接口上傳到方陣單元子站系統(tǒng)。

3.4 其他智能IED設備

電能監(jiān)測、電費計量、直流防雷配電柜等智能IED設備通過規(guī)約轉(zhuǎn)換器的方式接入網(wǎng)絡層。

3.5 同辦公自動化系統(tǒng)的互聯(lián)

辦公自動化系統(tǒng)(OA)可以通過網(wǎng)頁瀏覽的方式對光伏電站的電氣監(jiān)控系統(tǒng)進行管理和觀測，極大地滿足了生產(chǎn)管理的需要。

3.6 同遠程監(jiān)控系統(tǒng)的互聯(lián)

系統(tǒng)支持遠程監(jiān)控系統(tǒng)對光伏電站的電氣監(jiān)控系統(tǒng)進行管理和觀測［6］，遠距離光伏電站工程實現(xiàn)了遠程監(jiān)控，節(jié)省了大量的人力和物力。

4 系統(tǒng)特點

4.1 系統(tǒng)安全及防護

根據(jù)國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會［2002］第30號令《電網(wǎng)與電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡安全防護規(guī)定》，遵循國家電監(jiān)會電監(jiān)安全［2006］34號文《全國電力二次系統(tǒng)安全防護總體方案》的技術(shù)要求，該系統(tǒng)暫分為3個安全區(qū)(留有擴展接口)，即安全區(qū)Ⅰ(實時控制區(qū))、安全區(qū)Ⅱ(非控制生產(chǎn)區(qū))、安全區(qū)Ⅲ(生產(chǎn)管理區(qū))。

安全區(qū)Ⅰ與安全區(qū)Ⅱ之間采用硬件防火墻或相當?shù)脑O備進行邏輯隔離，禁止 E－mail，Telnet，Rlogin等服務穿越安全區(qū)之間的隔離設備。

安全區(qū)Ⅰ與安全區(qū)Ⅲ之間采用專用安全隔離裝置進行物理隔離。

4.2 冗余式、一體化設計

監(jiān)控系統(tǒng)采用雙網(wǎng)雙主機熱備用冗余式設計，極大地提高了運行可靠性。10 kV保護、測控為一體化設計，可以直接采集TA及TV的數(shù)據(jù)以及斷路器開關位置信息等，這些數(shù)據(jù)均通過雙以太網(wǎng)的方式進入監(jiān)控系統(tǒng)，避免了數(shù)據(jù)的重復采集。

4.3 系統(tǒng)特點

PS6000+系統(tǒng)采用跨平臺技術(shù)，支持Windows，Linux，Unix系統(tǒng)，可實現(xiàn)混合平臺應用，根據(jù)用戶需求靈活選擇軟硬件資源配置，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性、易用性、經(jīng)濟性等各項指標。

PS6000+系統(tǒng)的保護、測控等單元設備直接采用嵌入式以太網(wǎng)通信技術(shù)，設備內(nèi)部各模塊之間采用無瓶頸的平衡式通信方式，大大減少了二次電纜的施工量，實現(xiàn)了整套系統(tǒng)的快速響應，為實現(xiàn)數(shù)字化電廠提供保障，最大限度地實現(xiàn)了信息的共享和系統(tǒng)集成。

在保證系統(tǒng)自身的安全性和完整性的同時，還充分考慮了其他智能IED設備的接入便利性。

5 存在的問題

如果考慮光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)同外部用戶辦公系統(tǒng)(或遠程Web子系統(tǒng))互聯(lián)的話，不得不考慮網(wǎng)絡安全問題，工程上采用電力系統(tǒng)專用縱向加密系統(tǒng)及硬件防火墻技術(shù)。

電力專用縱向加密認證網(wǎng)關位于電力控制系統(tǒng)的內(nèi)部局域網(wǎng)與電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的路由器之間，用于安全區(qū)I/III的廣域網(wǎng)邊界保護(如圖2所示)，可為本地安全區(qū)I/II提供一個網(wǎng)絡屏障，同時為上、下級控制系統(tǒng)之間的廣域網(wǎng)通信提供認證與加密服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性、完整性保護。硬件防火墻技術(shù)用于安全區(qū)I/II的廣域網(wǎng)邊界保護(如圖2所示)，是阻擋外部不安全因素影響的內(nèi)部網(wǎng)絡屏障，其作用是防止外部網(wǎng)絡用戶未經(jīng)授權(quán)的訪問。

6 結(jié)論

隨著計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多地應用于電力網(wǎng)絡發(fā)電與輸配電系統(tǒng)，將逐步形成一個智能型分布式再生能源電力網(wǎng)絡［7］。青海錫鐵山10 MW并網(wǎng)光伏電站項目電站監(jiān)控系統(tǒng)進行組網(wǎng)設計，提高了監(jiān)控水平和系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了電站的信息化、網(wǎng)絡化，經(jīng)濟性好且方便擴建，為運行、檢修提供了極大便利。

［1］楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發(fā)電應用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

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［3］GB/T 14285—2006，繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］趙煒，孫曉.光伏電站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.新能源，2000，22(9):1 －4.

［5］張臻，沈輝，蔡睿賢，等.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)展趨勢與投資成本分析［J］.電源技術(shù)，2008，32(10):713－717.

［6］陳超，茆美琴，蘇建徽，等.基于WEB的光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)［C］∥第八屆全國光伏會議暨中日光伏論壇論文集.深圳:中國太陽能學會，2004.

［7］戴靖，何中一，邢巖.光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)綜述［C］∥中國電工技術(shù)學會電力電子學會第十屆學術(shù)年會論文集.西安:中國電工技術(shù)學會電力電子學會，2006.