光伏電站箱變智能監(jiān)控裝置的應(yīng)用

李傳闊

1、引言

光伏電站將太陽能轉(zhuǎn)變成直流電能，經(jīng)逆變器逆變后，將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鳎?jīng)箱變升壓后，接入中壓或高壓電網(wǎng)。光伏電站系統(tǒng)圖如圖1所示。

通過上圖可以看出，自動化監(jiān)控系統(tǒng)在光伏電站中起著重要的作用，它通過數(shù)據(jù)采集維護，實現(xiàn)發(fā)電設(shè)備的運行控制，從而實現(xiàn)光伏發(fā)電設(shè)備的遠程管理和自動化監(jiān)控，以達到“無人值班，少人值守”的運行管理方式。隨著光伏電站技術(shù)的成熟，監(jiān)控系統(tǒng)也逐漸向高集成化發(fā)展。

2、傳統(tǒng)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的光伏電站的自動化監(jiān)控系統(tǒng)由通訊管理機柜、光纜、交換機、操作員站和工程師站等組成， 可對太陽能光伏電站里的電池陣列、匯流箱、逆變器、交直流配電柜、太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備進行實時監(jiān)測和控制，通過各種樣式的圖表及數(shù)據(jù)快速掌握電站的運行情況。電站內(nèi)的匯流箱、逆變器、開關(guān)柜、箱變等設(shè)備的運行信息傳輸給通訊管理機，然后通訊管理機經(jīng)光纖收發(fā)器上傳到自動化監(jiān)控系統(tǒng)。由于光伏電站內(nèi)的設(shè)備比較分散，需要就地布置較多的通訊管理機柜，增加了設(shè)備投資。另外設(shè)備多使得整個系統(tǒng)的接線過于繁多，增加了故障發(fā)生的機率，不利于以后系統(tǒng)故障的排查。

3、智能監(jiān)控裝置

智能監(jiān)控裝置具備光伏電站箱變的模擬量采集、非電量保護、遠方控制和通訊功能，同時還可融合傳統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的通信管理機、光纖交換機功能，負責(zé)接入、傳輸發(fā)電單元內(nèi)逆變器、智能匯流箱等設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)光伏發(fā)電單元內(nèi)智能設(shè)備通訊信息的集中和傳輸，并通過光纖以太網(wǎng)接入自動化監(jiān)控系統(tǒng)，進而實現(xiàn)光伏電站就地設(shè)備的遠程管理和自動化監(jiān)控，滿足光伏電站全面智能化、無人值守的運行管理方式。

該智能監(jiān)控裝置安裝在光伏電站的箱變的低壓開關(guān)柜內(nèi)，它除了具有通訊管理機的功能外，還為箱變提供完善的測控和保護。箱變智能監(jiān)控裝置的應(yīng)用減少了自動化監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的通訊管理機和光纖交換機的數(shù)量，提高了設(shè)備的集成度，簡化了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備配置，從而降低了光伏電站的造價和運行、維護的成本。

3.1智能監(jiān)控裝置的功能選配

智能監(jiān)控裝置的具體配置要根據(jù)光伏電站的配置確定，其典型的功能配置如下：

a）用于箱變的保護功能：至少具有3路直流量輸入，熱電阻或4～20mA可任意組合，采集變壓器油溫及箱變內(nèi)環(huán)境溫度，防止變壓器溫升過高而損壞。該裝置還具有變壓器的非電量保護功能，包括重瓦斯動作跳閘、輕瓦斯動作告警、SF6氣壓異常報警、變壓器高溫報警、變壓器超高溫跳閘、變壓器油位低、壓力異常告警等，當(dāng)變壓器發(fā)生故障，瓦斯或油位發(fā)出信號，該裝置就會發(fā)出跳閘指令，及時停止變壓器的運行，切斷故障點。除了非電量保護，裝置還帶有復(fù)合電壓閉鎖的三段式電流保護、零序電流、過壓、欠壓、CT斷線、PT斷線等電氣量的保護，對穿越性故障該裝置還具有防范措施，以保證變壓器運行安全。

b）用于箱變的測控功能：光伏電站的箱變采用雙分裂變壓器時，兩路低壓側(cè)接入逆變器轉(zhuǎn)換的低壓交流電源，變壓器高壓側(cè)升壓為一路35kV電源接入升壓站。為了適應(yīng)雙分裂變壓器，智能測控裝置可具備雙功率點。同時還具有交流采樣功能，可測量I、U、P、Q、F、COSφ、有功電度、無功電度等遙測量。裝置還可以采集熔斷器熔斷、箱變門打開等信號，以及開關(guān)狀態(tài)信號，如35kV負荷開關(guān)位置信號、低壓側(cè)斷路器位置信號、高壓側(cè)接地開關(guān)位置信號、高低壓近遠控切換信號、小空開位置信號、熔斷器熔斷信號、斷路器跳閘信號等。c）通訊和傳動功能：裝置至少具有30路遙信開入、6路繼電器輸出并可擴展、8路RS485通訊，通訊協(xié)議滿足電站監(jiān)控系統(tǒng)要求，采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC103/104、IEC61850和Modbus通訊規(guī)約，并可完成規(guī)約轉(zhuǎn)換，方便接入自動化監(jiān)控系統(tǒng)，以及引接逆變器、匯流箱等其它智能裝置。箱變智能測控裝置配置的光纖環(huán)網(wǎng)交換機可實現(xiàn)光纖環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)，將匯流箱、逆變器、開關(guān)柜等測控數(shù)據(jù)通過智能測控裝置的光纖交換機和通訊管理機的功能進行接收和傳輸，與主控室中的后臺監(jiān)控設(shè)備形成一套完整的電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)。d）遙控和故障錄波功能：裝置對有電操控功能的開關(guān)可實現(xiàn)遠程分、合閘操作，方便運行人員操作。同時該裝置還具有完善的事件報告處理功能和操作記錄功能，可至少保存最新25次SOE變位記錄、最新25次用戶操作記錄。

3.2智能監(jiān)控裝置的硬件選取

裝置采用32位高性能嵌入式微機處理器，大容量的內(nèi)存和存儲器，可高速、可靠的進行數(shù)據(jù)處理、邏輯運算和信息存儲。為了提高測量精度和計量準(zhǔn)確性，采用高精度測量芯片。裝置的電源、CPU、IO板、通訊板在內(nèi)的裝置全部元器件可在寬溫-40℃～+70℃條件下正常工作，能承受GB/T14598.13-1998規(guī)定的頻率為1MHz及100kHz衰減振蕩波（第一半波電壓幅值共模為2.5kV，差模為1kV）脈沖群干擾試驗。各帶電的導(dǎo)電電路分別對地（即外殼或外露的非帶電金屬零件）之間，交流回路和直流回路之間，交流電流回路和交流電壓回路之間，絕緣電阻值均不小于100MΩ（用開路電壓為500V的測試儀器測試）。

4、智能測控裝置的組網(wǎng)

光伏電站的設(shè)備分布比較分散，就地設(shè)備距離主控室有幾十米或幾百，因此箱變智能測控裝置的組網(wǎng)就要考慮實際情況選擇最經(jīng)濟、最合適的組網(wǎng)方案。根據(jù)箱變和匯流箱、逆變器等電氣設(shè)備的具體位置，將箱變就近的電氣設(shè)備均接入箱變智能監(jiān)控裝置，組成一個星形拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，再將一定數(shù)量的箱變智能監(jiān)控裝置進行串接形成一個光纖環(huán)網(wǎng)，該光纖環(huán)網(wǎng)引出兩路光纖至自動化監(jiān)控系統(tǒng)的主控設(shè)備層，從而構(gòu)成完整的光伏電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)。采用光纖環(huán)網(wǎng)提高了系統(tǒng)運行的可靠性，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的某個設(shè)備出現(xiàn)故障時，環(huán)網(wǎng)上的其他設(shè)備可以通過另一側(cè)網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)進行通訊，保證其他設(shè)備的正常運行。箱變智能監(jiān)控裝置組成的自動化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖2。

由自動化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，自動化監(jiān)控系統(tǒng)除了箱變智能監(jiān)控系統(tǒng)組成的光纖環(huán)網(wǎng)外，還包括后臺計算機、音響報警、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、時鐘同步和打印機等主控級設(shè)備。箱變智能監(jiān)控裝置對各就近電氣設(shè)備的模擬信號和開關(guān)信號進行采集和控制，并上傳到自動化監(jiān)控系統(tǒng)的后臺主機中，能夠迅速、準(zhǔn)確有效地完成對各被控對象的安全監(jiān)控。箱變帶有保護功能的智能測控單元通過光纖環(huán)網(wǎng)組成多個子網(wǎng)絡(luò)，再通過光纖將各個子網(wǎng)絡(luò)和自動化監(jiān)控系統(tǒng)的主控層設(shè)備組成主干環(huán)網(wǎng)。自動化監(jiān)控系統(tǒng)通過采集各個設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，進行實時處理，準(zhǔn)確有效的完成光伏電站的實時監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)，并根據(jù)運行需要進行參數(shù)設(shè)定、事件記錄、運行參數(shù)計算、報表、通信控制、系統(tǒng)診斷、軟件開發(fā)和畫面生成、系統(tǒng)擴充（包括硬件、軟件）、運行管理和操作指導(dǎo)等。箱變智能測控裝置還可以選配兩個光纖通訊模塊，利用CPLD（Complex Programmable Logic Device）數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)自愈式光纖環(huán)網(wǎng)。CPLD為控制環(huán)網(wǎng)自愈接口單元，具有速度快、集成度高、可靠性強、可重復(fù)編程或動態(tài)重構(gòu)等特點。其控制電路由分頻器、中心狀態(tài)機、發(fā)送數(shù)據(jù)選擇器、接收數(shù)據(jù)選擇器組成。CPLD芯片和數(shù)字控制技術(shù)可大幅提高光纖通道切換速度至毫秒級，且性能穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)通訊的準(zhǔn)確率。箱變智能測控裝置的兩塊光纖通訊模塊通過CPLD技術(shù)進行數(shù)據(jù)切換和控制。當(dāng)兩個光纖通訊模塊均正常工作時，CPU接收到數(shù)據(jù)并進行分析處理，然后再分別將接受到的數(shù)據(jù)通過兩個光纖口發(fā)送到下一個光纖通訊模塊的接收單元。同樣，下一個光纖數(shù)據(jù)接收單元會把收到的數(shù)據(jù)再分別轉(zhuǎn)發(fā)出去。因此兩個光纖通訊模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是相同的，兩個通道間的數(shù)據(jù)傳送是同步的，兩個通道互為熱備用。當(dāng)其中一個通道發(fā)生數(shù)據(jù)中斷時，CPLD立即切換數(shù)據(jù)通道，保證光線數(shù)據(jù)沿另一通道繼續(xù)準(zhǔn)確的傳輸，實現(xiàn)光纖環(huán)網(wǎng)的自愈。

5、結(jié)語

箱變智能測控裝置的應(yīng)用提高了光伏電站設(shè)備的集成度，減少了設(shè)備投資和占地。智能測控裝置提供的完善的保護功能可以可靠的保護箱變及其他相關(guān)設(shè)備，為電站的安全、可靠運行提供了保障。它豐富的接口和通訊協(xié)議可以滿足各種外部設(shè)備的接入，從而能采集箱變、匯流箱、逆變器等設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并輸送給電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)視和控制，方便了電站的運行維護。這種箱變智能測控裝置相對于傳統(tǒng)的自動化監(jiān)控方案具有較大的優(yōu)勢，相信在未來光伏電站中會得到廣泛的應(yīng)用，會進一步提高光伏電站的設(shè)備集成度和無人值守運行水平。

（作者單位：山東電力建設(shè)第一工程公司）