大型并網(wǎng)光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

唐明，胡勇，何霄鵬，王玉飛，辛柱

(深圳市金宏威技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

光伏電站是利用太陽電池的光生伏特效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。大型光伏電站是指通過66 kV及以上電壓等級接入電網(wǎng)的光伏電站［1］。大型光伏發(fā)電站的設(shè)備主要包括變壓器、開關(guān)、出線、PT、CT、刀閘等升壓站內(nèi)設(shè)備，以及光伏陣列、匯流箱、直-交流逆變器設(shè)備、箱變等光伏發(fā)電設(shè)備。配套的控制調(diào)節(jié)設(shè)備及系統(tǒng)主要包括自動發(fā)電控制/自動電壓控制(AGC/AVC)、電能計量、保護、五防、靜止無功發(fā)生器(SVG)、光功率預(yù)測、調(diào)度等。大型光伏發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)通過對以上各電力設(shè)備、各控制調(diào)節(jié)設(shè)備及系統(tǒng)的監(jiān)測、控制和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

大型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)涉及通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備監(jiān)測控制、通信規(guī)約、數(shù)據(jù)模型、功率控制和電壓調(diào)節(jié)、繼電保護、調(diào)度通信等各個方面的內(nèi)容。目前一些文獻(xiàn)對光伏發(fā)電監(jiān)控相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［2］介紹了一種光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)，涉及到對逆變器、匯流箱等發(fā)電設(shè)備的監(jiān)測和采集，以及使用Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)［3］介紹了CAN總線的通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。以上兩個文獻(xiàn)對發(fā)電設(shè)備的監(jiān)控提供了參考，但僅僅使用Modbus及CAN不能滿足大型光伏電站的監(jiān)控要求。文獻(xiàn)［4-6］分別涉及了變電站、發(fā)電設(shè)備的公共信息模型(CIM)的建模。文獻(xiàn)［7］介紹了風(fēng)光儲能聯(lián)合發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、AGC/AVC的控制目標(biāo)和策略。以上研究為數(shù)據(jù)通信、設(shè)備模型及AGC/AVC控制理論等提供了可用的方法，但未涉及到作為一個大型監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)組成、通信規(guī)約的轉(zhuǎn)換映射、調(diào)度及功率控制和電壓調(diào)節(jié)流程等。本文在分析大型光伏電站監(jiān)控功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計了大型光伏發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，討論了符合CIM標(biāo)準(zhǔn)的光伏電站設(shè)備模型、Modbus與IEC 104的數(shù)據(jù)映射、與上級調(diào)度中心的通信及AGC/AVC控制流程等關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的軟件。

1 光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)功能

大型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)功能主要包括:

1)光伏發(fā)電設(shè)備信息的監(jiān)測和控制

采集逆變器、匯流箱、箱變的電氣數(shù)據(jù)，并對逆

變器進(jìn)行啟?？刂坪凸β收{(diào)節(jié)。

2)升壓站保護及測控信息接入

接入變壓器測控及保護信息、高低壓線路測控及保護信息、直流電源的監(jiān)測控制信

息等，并進(jìn)行開關(guān)的遙控操作。

3)五防信息交互

監(jiān)控系統(tǒng)向五防系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)升壓站內(nèi)相關(guān)斷路器、開關(guān)及刀閘的遙信信息。并獲取五防系

統(tǒng)的操作判斷數(shù)據(jù)。

4)AGC/AVC控制調(diào)節(jié)

根據(jù)調(diào)度下發(fā)的目標(biāo)值進(jìn)行逆變器、SVG的有功功率及無功功率輸出的調(diào)節(jié)。

5)光功率預(yù)測信息交互

監(jiān)控系統(tǒng)向光功率預(yù)測系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)測相關(guān)數(shù)據(jù)。

6)直流系統(tǒng)監(jiān)測

監(jiān)控系統(tǒng)對升壓站內(nèi)直流電源系統(tǒng)信息進(jìn)行監(jiān)測和控制。

7)調(diào)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

監(jiān)控系統(tǒng)向上級調(diào)度系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)升壓站的相關(guān)遙測、遙信信息。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

依照以上的功能分析，本文將光伏發(fā)電監(jiān)控分為主站監(jiān)控和光伏設(shè)備監(jiān)控兩個方面。

2.1 主站監(jiān)控的結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò)

主站的監(jiān)控設(shè)計為雙機雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由兩個以太網(wǎng)交換機組成獨立的雙網(wǎng)，配置兩臺前置機、兩臺數(shù)據(jù)處理服務(wù)器及雙數(shù)據(jù)庫。雙數(shù)據(jù)處理服務(wù)器采用熱主備方式，雙數(shù)據(jù)庫保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，雙前置機采用負(fù)載均衡的方式接入各臺通信管理機信息。升壓站內(nèi)的保護測控單元通過一臺通信管理機接入主監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。SVG、直流監(jiān)測、電能表計等通過一臺通信管理機接入主監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。其他系統(tǒng)如五防、光功率預(yù)測主機直接接入一段以太網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2.2 光伏發(fā)電設(shè)備監(jiān)控的結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò)

在大型光伏發(fā)電系統(tǒng)中包含了數(shù)量較多的匯流箱、逆變器及箱變等光伏發(fā)電設(shè)備，所以在每個光伏場區(qū)配置一個通信管理機，各通信管理機通過光交換機接入光纖環(huán)網(wǎng)，并通過三層光交換機接入主監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。通信管理機對下采用Modbus規(guī)約及RS485通信方式采集各個場區(qū)內(nèi)的光伏發(fā)電設(shè)備信息，并通過Modbus與IEC 104的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將發(fā)電設(shè)備的信息經(jīng)光纖環(huán)網(wǎng)接入主站監(jiān)控。

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò)及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò)

3 光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)設(shè)備模型

系統(tǒng)設(shè)備模型主要包括兩個部分:升壓站內(nèi)的設(shè)備模型和光伏設(shè)備模型。系統(tǒng)設(shè)備模型整體遵循CIM標(biāo)準(zhǔn)，以升壓站為根節(jié)點，按照光伏電站-電壓等級(變壓器)-間隔的樹狀層次關(guān)系進(jìn)行建模。根節(jié)點光伏電站下包括變壓器、變壓器低壓側(cè)電壓等級、逆變器輸出電壓等級。

變壓器包括高壓側(cè)繞組和低壓側(cè)繞組。變壓器低壓側(cè)電壓等級中含有母聯(lián)間隔、母線間隔、出線間隔。升壓站內(nèi)設(shè)備如開關(guān)、刀閘、CT、PT、出線等設(shè)備包含于相應(yīng)的間隔中。

由于進(jìn)行第一次升壓的箱變直接連接至出線，根據(jù)其設(shè)備的連接關(guān)系，作為一個負(fù)荷建立在相應(yīng)的變壓器低壓側(cè)電壓等級下的出線間隔中。

同時依照CIM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴展，在逆變器輸出電壓等級中擴展建立逆變器間隔。逆變器間隔是光伏支路中光伏逆變器及其直流側(cè)所接設(shè)備的集合［8］。逆變器、匯流箱等光伏設(shè)備均包含于逆變器間隔中。

氣象數(shù)據(jù)屬于相對獨立，直接隸屬于光伏電站。

光伏電站系統(tǒng)設(shè)備模型如圖2所示。

3.2 Modbus與 IEC104 的映射

圖2 光伏電站系統(tǒng)設(shè)備模型

目前逆變器、匯流箱、箱變等光伏發(fā)電設(shè)備的通信通常采RS485的Modbus進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而在主站監(jiān)控系統(tǒng)、與調(diào)度的通信中為了滿足高數(shù)據(jù)容量、高速率數(shù)據(jù)通信，普遍采用基于TCP/IP的IEC 104通信方式［9-10］。因此就需要兩者之間的數(shù)據(jù)映射。Modbus基本規(guī)約格式應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)是由地址域加上協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)和差錯校驗構(gòu)成。IEC 104基本規(guī)約格式應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)是由應(yīng)用規(guī)約控制信息(APCI)加上應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDU)構(gòu)成。Modbus采用問答方式，IEC 104采用召喚加主動上報方式，兩種規(guī)約報文格式、交互方式均有不同，這就要求在Modbus與IEC 104之間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

1)地址映射

Modbus和IEC 104都是面向點的規(guī)約形式。

Modbus的變量地址由設(shè)備地址和寄存器號確定。IEC 104的變量地址由應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元公共地址和點號確定。因而Modbus和IEC 104之間變量地址的對應(yīng)關(guān)系可表示為設(shè)備地址對應(yīng)應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元公共地址，寄存器號對應(yīng)點號。這個對應(yīng)關(guān)系可表達(dá)一個Modbus設(shè)備與一個IEC 104設(shè)備對應(yīng)時的地址映射關(guān)系。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常多個Modbus設(shè)備對應(yīng)一個IEC 104設(shè)備。如一個串口485總線上接多臺逆變器或匯流箱設(shè)備，將這些設(shè)備的信息綜合起來作為一個IEC 104設(shè)備進(jìn)行傳輸。這種多對一的情況可使用Modbus串口號加設(shè)備地址加寄存器號對應(yīng)IEC 104的公共地址加點號的方式進(jìn)行地址映射。兩種情況的地址映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 地址映射

2)數(shù)據(jù)類型的映射

Modbus的數(shù)據(jù)類型包括離散量輸入、線圈、輸入寄存器、保持寄存器。這些類型分別對應(yīng)相應(yīng)的寄存器地址段。可分別對應(yīng)IEC 104規(guī)約中的遙測信息、遙信信息、遙控信息、定值信息。數(shù)據(jù)類型的映射關(guān)系如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)類型的映射

離散量輸入包含分合兩種狀態(tài)，可表示開關(guān)狀態(tài)、報警等信息且為只讀。映射到IEC104的遙信類型。

線圈為可讀可寫的狀態(tài)量，可表示開關(guān)狀態(tài)及狀態(tài)的改變，映射到IEC104的遙信或遙控類型。

輸入寄存器為16位或32位的只讀模擬量，可表示各種電流、電壓、功率等值，映射到IEC104的遙測類型。

保持寄存器作為可讀可寫的16位及32位模擬量，用于設(shè)備參數(shù)、定值等的設(shè)置，映射到IEC 104的設(shè)點命令中的標(biāo)度化、歸一化及浮點數(shù)數(shù)據(jù)類型。

3)應(yīng)用功能的映射

Modbus協(xié)議提供對以上數(shù)據(jù)類型的讀和寫，以及強制、診斷、報告等功能。104協(xié)議定義了更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互應(yīng)用功能，如初始化、召喚、對時、設(shè)定命令等等，并定義了傳輸?shù)膬?yōu)先級、超時定義等規(guī)則，同時具有變化數(shù)據(jù)主動上傳功能。結(jié)合工程中光伏發(fā)電設(shè)備的實際需求，主要使用Modbus的讀寫功能對其進(jìn)行監(jiān)測和控制。表2列出了Modbus與IEC 104的讀寫應(yīng)用功能的映射關(guān)系。

表2 應(yīng)用功能的映射

從表2可看出，Modbus讀寫功能與IEC 104的功能映射主要為多對一的關(guān)系。其中寫保持寄存器映射為設(shè)定命令，對設(shè)備的參數(shù)及設(shè)定值進(jìn)行設(shè)置。寫線圈映射為單點遙控命令，用于改變設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。讀線圈、讀保持寄存器和讀輸入寄存器則映射為總召喚或者組召喚，以獲取光伏發(fā)電設(shè)備的遙測、遙信數(shù)據(jù)以及遙控等實時信息。

3.3 AGC/AVC控制調(diào)節(jié)流程

大型光伏電站通過AGC/AVC調(diào)節(jié)并網(wǎng)的有功功率和無功功率/電壓，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行及提高供電質(zhì)量［11］。調(diào)度定期下發(fā)調(diào)節(jié)目標(biāo)，由功率控制系統(tǒng)選擇控制設(shè)備進(jìn)行功率分配，通過監(jiān)控系統(tǒng)將控制指令發(fā)送到逆變器、SVG等被控制設(shè)備實現(xiàn)有功功率、無功功率、并網(wǎng)點電壓的控制。功率控制涉及到調(diào)度與功率控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)與功率控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)與被控設(shè)備之間的交互。

1)監(jiān)控系統(tǒng)向調(diào)度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

監(jiān)控系統(tǒng)向調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)光伏電站AGC、AVC控制系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。

2)調(diào)度系統(tǒng)向AGC/AVC發(fā)送調(diào)節(jié)目標(biāo)

調(diào)度系統(tǒng)向功率控制系統(tǒng)發(fā)送有功功率、無功功率調(diào)節(jié)指令或者計劃曲線。

3)監(jiān)控系統(tǒng)與AGC/AVC的數(shù)據(jù)交互

監(jiān)控系統(tǒng)向 AGC/AVC轉(zhuǎn)發(fā)逆變器、SVG的運行信息。AGC/AVC接收到調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)節(jié)命令后向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送逆變器、SVG的調(diào)節(jié)命令。兩系統(tǒng)之間的交互使用IEC104規(guī)約。

4)監(jiān)控系統(tǒng)與被控設(shè)備的數(shù)據(jù)交互

監(jiān)控系統(tǒng)收到AGC/AVC發(fā)送的調(diào)節(jié)命令，向逆變器、SVG發(fā)送控制指令，并將指令執(zhí)行結(jié)果返回給AGC/AVC。監(jiān)控系統(tǒng)同時采集被控設(shè)備的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)功率控制流程如圖4所示。

圖4 功率控制和電壓調(diào)節(jié)流程

4 結(jié)束語

按照本文設(shè)計及實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)已應(yīng)用于110 kV電壓等級20 MWp光伏發(fā)電站中。

1)主監(jiān)控系統(tǒng)采用雙機雙網(wǎng)，以及對光伏發(fā)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控所采用的485與光纖相結(jié)合的通信方式，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性、實時性和可靠性。

2)遵照CIM標(biāo)準(zhǔn)對升壓站設(shè)備進(jìn)行建模，通過擴展CIM標(biāo)準(zhǔn)對光伏發(fā)電設(shè)備進(jìn)行建模，實現(xiàn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化管理。

3)從地址、數(shù)據(jù)類型和應(yīng)用功能等方面討論了

Modbus與IEC 104規(guī)約之間的映射轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對光伏發(fā)電設(shè)備的無縫接入。

4)根據(jù)系統(tǒng)要求實現(xiàn)AGC/AVC控制調(diào)節(jié)流程，達(dá)到系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)能力。

［1］呂宏永，齊旭，朱凌志，等.國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定(試行)［R］.北京:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，2011.

［2］王成福，李銳，劉輝榮，等.光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)通信，2011，32(224):53-57.

［3］葉琴瑜，胡天友，秦文.光伏并網(wǎng)電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.自動化儀，2012，33(5):64-69.

［4］朱伯通，程志海，唐志強，等.基于CIM模型的智能變電站和調(diào)度中心互操作研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41(10):93-97.

［5］黃小鉥，翟長國，郭劍虹，等.光伏電站遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35(7):61-63，101.

［6］丁明，張征凱，畢銳.面向分布式發(fā)電系統(tǒng)的CIM擴展［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32(20):83-87.

［7］於益軍，雷為民，單茂華，等.風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計與應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012，36(20):32-38.

［8］劉海璇，吳福保，董大興，等.微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中的公共信息模型擴展［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012，36(6):45-51.

［9］梁竹靚，韓兵，彭永.IEC60870-5-104規(guī)約在分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(4):124-127.

［10］張齊，史金偉，徐俊杰.104規(guī)約在水電廠與電網(wǎng)調(diào)度通信中的擴展研究及應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(15):127-131.

［11］魏世貴，劉雙.AGC/AVC在光伏電站的應(yīng)用［J］.江蘇電機工程，2013，32(2):35-37.