離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)與研究

高兢

摘要：設(shè)計(jì)一種對(duì)離網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控及報(bào)警的裝置。為了避免誤報(bào)警的發(fā)生，提出一種精度優(yōu)化算法，并利用改良的最速下降率函數(shù)來確定報(bào)警條件。該監(jiān)控報(bào)警裝置的研制對(duì)于推動(dòng)我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)的普及應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；離網(wǎng)；監(jiān)控；報(bào)警；閾值

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）08-0031-02

當(dāng)電網(wǎng)由于誤操作、電氣故障或自然因素等原因停止供電時(shí)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)將檢測(cè)出停電狀態(tài)，自身脫離電網(wǎng)，繼續(xù)向用戶發(fā)電，形成了一個(gè)由光伏發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)載構(gòu)成的獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)。在獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)工作中，由于天氣等因素影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電量會(huì)瞬間或者逐漸減小，若其小于負(fù)載的使用電量，則此時(shí)處于過載，將引起用戶電氣設(shè)備燒毀，而當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)因相位不同步引起的沖擊電流可能會(huì)損壞并網(wǎng)逆變器，所以有必要對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電量進(jìn)行監(jiān)控，并判斷光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電量是否有持續(xù)下降的趨勢(shì)，根據(jù)需要采用報(bào)警的控制方法，切斷或減小用戶的用電設(shè)備，以防止不良后果的發(fā)生。

1 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警精度的問題分析

1.1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，能源需求量日益增加，但傳統(tǒng)化石能源的儲(chǔ)量卻在逐漸枯竭，因此分布式能源的研究與應(yīng)用具有廣闊的前景。光伏發(fā)電作為最典型的分布式能源，得到了廣泛關(guān)注，近年來發(fā)展迅速。但由于天氣等原因，光伏發(fā)電電量低于用戶消耗電量時(shí)，電氣設(shè)備將強(qiáng)制被斷電，從而引起電氣設(shè)備燒毀等問題。人們對(duì)供電可靠性、靈活性、能源利用率等要求不斷提高，希望供電系統(tǒng)不再是在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)退出運(yùn)行，而是在斷電前發(fā)出警報(bào)，手動(dòng)關(guān)閉電氣設(shè)備，從而提高負(fù)載供電可靠性。因此，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)發(fā)電時(shí)，對(duì)這些發(fā)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)電電量即將低于消耗電量之前切斷電氣設(shè)備，使得電氣設(shè)備不出現(xiàn)故障，保證安全用電。

1.2 存在的問題

目前對(duì)報(bào)警控制條件的研究，僅僅局限于設(shè)定一個(gè)固定閾值，當(dāng)監(jiān)控到的發(fā)電量低于該閾值則報(bào)警。這種設(shè)定固定閾值的監(jiān)控方法在氣候不穩(wěn)定或其他的外界不穩(wěn)定因素導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量不穩(wěn)定的情況下，容易導(dǎo)致誤報(bào)警或未能及時(shí)報(bào)警，造成電氣設(shè)備損壞。例如：發(fā)電量只是瞬間低于閾值但并未低于當(dāng)前最大使用電量，而下一時(shí)刻恢復(fù)高于該閾值的情況下，會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)警；當(dāng)前時(shí)刻的發(fā)電量未達(dá)到閾值，下一時(shí)刻突然低于閾值并且低于當(dāng)前最大使用電量的情況下，報(bào)警時(shí)電氣設(shè)備已經(jīng)損壞。為此，本研究主要針對(duì)小規(guī)模獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，研究一種新型發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的智能算法，通過預(yù)測(cè)未來時(shí)刻的發(fā)電量來決定報(bào)警條件，可以避免誤報(bào)與漏報(bào)，大大提高用電設(shè)備的安全性。

2 新型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

本研究提出的具有報(bào)警功能的發(fā)電量監(jiān)測(cè)裝置，是分布式電源離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)住宅負(fù)載（照明設(shè)備、空調(diào)、冰箱、電視等）供電的監(jiān)測(cè)裝置，其構(gòu)成如圖1所示。監(jiān)視單元300由連接住宅內(nèi)通信回路500的通信單元310、記憶單元320、與PCS相連的數(shù)據(jù)獲取單元330、處理單元340、報(bào)警單元350所組成。通信單元310是通過住宅內(nèi)通信回路500的取得負(fù)載所需消耗的電量合計(jì)值，由于負(fù)載的所需消耗電量是頻繁變動(dòng)的，所以通信單元需要實(shí)時(shí)更新電量值。記憶單元320是記憶處理單元運(yùn)行的程序。數(shù)據(jù)獲取單元330是獲取分布式電源供給電量。處理單元340根據(jù)記憶單元320記憶的程序進(jìn)行處理，處理單元340由監(jiān)測(cè)單元341、判定單元342、實(shí)施單元343所組成。監(jiān)測(cè)單元341對(duì)一個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)分布式電源離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)該發(fā)電量低于負(fù)載消耗的電量閾值時(shí)，縮短監(jiān)測(cè)周期繼續(xù)進(jìn)行電量監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)裝置的工作原理

監(jiān)測(cè)裝置的工作原理是：在一個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電量進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)定比住宅消耗電量略高的發(fā)電量閾值，當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電量低于設(shè)定的閾值時(shí)，由判定單元判定發(fā)電量是否有連續(xù)減少的傾向，若符合上述兩個(gè)約束條件，則做出報(bào)警處理。

監(jiān)測(cè)周期是由前述發(fā)電量下降到負(fù)載消耗電量閾值所需的最短時(shí)間（最快下降時(shí)間T）所決定，是該最短時(shí)間的分割比（如“T/2”）。該監(jiān)測(cè)周期由第一監(jiān)測(cè)周期（“T/2”）和比第一監(jiān)測(cè)周期更短的第二監(jiān)測(cè)周期（“T/4”）所組成。在第一監(jiān)測(cè)周期內(nèi)前述發(fā)電量低于負(fù)載消耗電量閾值時(shí)，實(shí)施第二監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的發(fā)電量監(jiān)測(cè)處理。

2.3 算法設(shè)計(jì)流程

電力系統(tǒng)一旦發(fā)生停電，控制系統(tǒng)就會(huì)從并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中脫出，切換成離網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)，監(jiān)視裝置開始動(dòng)作。離網(wǎng)運(yùn)行供電系統(tǒng)對(duì)發(fā)電量監(jiān)測(cè)報(bào)警方法的流程圖如圖2所示。

2.4 數(shù)學(xué)函數(shù)模型

本研究提出的算法與發(fā)電量的最大下降率有關(guān)。發(fā)電量的下降率是指單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)電量下降值，由歷史記錄（過去該時(shí)間段天氣狀況記錄）中實(shí)際下降率統(tǒng)計(jì)得出最大下降率。負(fù)載所需消耗電量合計(jì)值為發(fā)電量B，發(fā)電量A是略高負(fù)載所需消耗電量合計(jì)值的閾值，預(yù)設(shè)發(fā)電量△w=發(fā)電量A-發(fā)電量B。預(yù)設(shè)發(fā)電量△w是人為任意設(shè)定的，一般情況下設(shè)定為發(fā)電量B的20%。由預(yù)設(shè)發(fā)電量△w與發(fā)電量最短下降時(shí)間T的比值得到最大下降率Kx。關(guān)系式為Kx=△w/T。

當(dāng)監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)到的發(fā)電量低于負(fù)載所需消耗電量的閾值時(shí)，則需判定該監(jiān)測(cè)周期內(nèi)發(fā)電量是否有連續(xù)下降的傾向。具體判定方法是：根據(jù)記錄的每次監(jiān)測(cè)的發(fā)電量，比較當(dāng)前電量值與前一時(shí)刻的電量值，來判斷是否有連續(xù)下降傾向。如果沒有連續(xù)下降傾向，監(jiān)測(cè)單元在第二監(jiān)測(cè)周期進(jìn)行發(fā)電量監(jiān)測(cè)處理；如果確定發(fā)電量有連續(xù)下降的傾向，通知報(bào)警單元做報(bào)警處理。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)一種對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)并具有報(bào)警控制功能的裝置，可以提高用電設(shè)備的安全性；并提出一種改良的精度優(yōu)化算法和最速下降率函數(shù)作為報(bào)警條件，以減少誤報(bào)警的發(fā)生幾率。該新型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的研制對(duì)于推動(dòng)我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)的普及應(yīng)用具有重要意義。

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Abstract： A device which can monitor and warn the photovoltaic power generation off-grid was designed. In order to avoid the occurrence of false alarms， a precision optimization algorithm was put forward and warning condition was determined by use of improved steepest descent rate function. The development of the monitoring warning device was of great significance to promote popularization and application of photovoltaic power generation system in China.

Key words： photovoltaic power generation； off-grid； monitoring； warning； threshold value