200 MWp光伏電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張衛(wèi)君,張顯兵,邱洋

(北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京 100038)

200 MWp光伏電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張衛(wèi)君,張顯兵,邱洋

(北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京 100038)

隨著環(huán)境和能源問題的日益突出,我國對(duì)太陽能光伏發(fā)電的政策支持力度也不斷加大,一大批百兆瓦級(jí)集中式光伏電站并網(wǎng)發(fā)電,使太陽能發(fā)電裝機(jī)在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中占比不斷加大。大量的光伏電源接入電網(wǎng)后,對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響?？赏ㄟ^采用自動(dòng)運(yùn)行、功能完善的數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與預(yù)測診斷系統(tǒng),提高電站的自動(dòng)化、信息化、智能化水平,以維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文以H9000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在青海黃河共和產(chǎn)業(yè)園區(qū)三期200 MWp并網(wǎng)光伏電站的應(yīng)用為例,介紹百兆瓦級(jí)集中式并網(wǎng)光伏電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)及解決方案。

H 9000;光伏電站;監(jiān)控系統(tǒng);200 M W p

0 引言

隨著環(huán)境和能源問題的日益突出,我國對(duì)太陽能光伏發(fā)電的政策支持力度也不斷加大,一大批百兆瓦級(jí)集中式光伏電站并網(wǎng)發(fā)電。“十三五”太陽能光伏裝機(jī)目標(biāo)為150 GW,如達(dá)成此目標(biāo),則中國未來5年內(nèi)平均每年的光伏裝機(jī)將突破20 GW[1]。若上述目標(biāo)達(dá)成,那么到2020年底,太陽能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將在全國電力結(jié)構(gòu)中占比7%。大量的光伏電源接入電網(wǎng)后,對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。為維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,需要通過逐步的應(yīng)用與研究,建立一整套完備的、適用大型光伏并網(wǎng)電站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視與自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)分析與預(yù)測的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),提高并網(wǎng)光伏電站的自動(dòng)化、信息化、智能化水平。

青海黃河共和產(chǎn)業(yè)園并網(wǎng)光伏電站,位于青海省海南州共和縣恰卜恰鎮(zhèn)塔拉灘光伏發(fā)電園區(qū),距縣城18km,場區(qū)平均海拔2920m,總裝機(jī)容量600MWp。電站三期裝機(jī)200 MWp,共由3個(gè)區(qū)組成,其中Ⅷ區(qū)光伏陣列區(qū)共56個(gè)子陣,裝機(jī)容量66.5 MW,1～48號(hào)子陣采用平單軸跟蹤支架,49～56號(hào)子陣采用斜單軸跟蹤支架,均采用組串式逆變器。Ⅸ區(qū)光伏陣列區(qū)共68個(gè)子陣,裝機(jī)容量68 MW,其中1～48號(hào)子陣采用斜單軸跟蹤支架、組串式逆變器,49～68號(hào)子陣采用固定式支架、集中式逆變器。Ⅹ區(qū)光伏陣列區(qū)共59個(gè)子陣,裝機(jī)容量66.5 MW,均采用固定式支架,其中1～30號(hào)子陣采用集中式逆變器、31～59號(hào)子陣采用組串式逆變器。每個(gè)區(qū)設(shè)置1個(gè)匯集站,通過架空線匯入升壓站35 kV母線,經(jīng)主變升壓至330 kV后接入電網(wǎng)。三期計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司H9000 V4.0系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)3個(gè)匯集站及各子陣的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視與控制、AGC/AVC等功能。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為分層分布開放式系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)采用星形+環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備包括現(xiàn)地層183個(gè)子陣的數(shù)據(jù)采集柜,間隔層3個(gè)匯集站的公用測控柜和網(wǎng)絡(luò)柜,廠控層3臺(tái)主服務(wù)器、1臺(tái)AGC/AVC服務(wù)器、2臺(tái)遠(yuǎn)程集控通信服務(wù)器、主干網(wǎng)交換機(jī)、路由器及時(shí)鐘系統(tǒng)。

現(xiàn)地每個(gè)子陣配置數(shù)據(jù)采集器和交換機(jī),其中集中式子陣匯流箱和電度表信號(hào)經(jīng)串口方式由采集器采集,逆變器與升壓箱變信號(hào)經(jīng)交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)方式由站控層主服務(wù)器采集;組串式子陣支架控制器、逆變器、電度表信號(hào)經(jīng)串口方式由采集器采集,升壓箱變信號(hào)經(jīng)交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)方式由站控層主服務(wù)器采集。各匯集站分別配置數(shù)據(jù)采集器和交換機(jī),數(shù)據(jù)采集器采集直流系統(tǒng)、電度表、消諧裝置信號(hào),各進(jìn)出線測控、母線保護(hù)裝置信號(hào)經(jīng)交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)方式由站控層主服務(wù)器采集。各區(qū)組串式子陣每7～8個(gè)子陣為一列、集中式每10個(gè)子陣為一列,每列子陣交換機(jī)通過環(huán)網(wǎng)串連接入?yún)R集站交換機(jī)。監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 共和光伏三期監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 海量數(shù)據(jù)集成與畫面監(jiān)視

光伏電站監(jiān)控的主要特點(diǎn)是設(shè)備多,數(shù)據(jù)量大,共和光伏三期電站共需監(jiān)控183個(gè)子陣和3個(gè)匯集站約80萬數(shù)據(jù)點(diǎn)。海量的數(shù)據(jù)點(diǎn)在數(shù)據(jù)庫文本集成、數(shù)據(jù)庫生成更新、數(shù)據(jù)庫讀寫等方面對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)來說都是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,嚴(yán)格按照H9000系統(tǒng)數(shù)據(jù)的“廠站-設(shè)備-類型-點(diǎn)名”4層結(jié)構(gòu)[2],將每個(gè)區(qū)定義為一個(gè)廠站,每一列定義為一個(gè)設(shè)備,數(shù)據(jù)類型有“模擬量”、“開關(guān)量”、“脈沖量”、“綜合信息”等,點(diǎn)名按照“子陣號(hào)_設(shè)備名_點(diǎn)序號(hào)”編排,如:“GH10U.ZC01.ANA.Z01_NBQ1_001”代表Ⅹ區(qū)第一列1號(hào)子陣逆變器1的模擬量第一點(diǎn)。4層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫點(diǎn)快速定位查找,能很好的解決數(shù)據(jù)庫讀寫速度問題。同類型子陣的數(shù)據(jù)采集與控制點(diǎn)基本相同,點(diǎn)名的編排設(shè)計(jì)方式,增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫文本的復(fù)用性與可替換性,提高集成效率。

在監(jiān)控系統(tǒng)畫面設(shè)計(jì)上,按照“分區(qū)-子陣-設(shè)備”逐級(jí)鏈接方式,共設(shè)計(jì)畫面2 000副左右。系統(tǒng)監(jiān)視畫面采用動(dòng)態(tài)加載技術(shù),使得畫面切換顯示更新時(shí)間和畫面動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)刷新時(shí)間均在1 s以內(nèi)。

圖2 子陣并網(wǎng)監(jiān)視總圖

圖3 集中式子陣逆變器監(jiān)視圖

圖4 組串式子陣逆變器監(jiān)視圖

2.2 通信協(xié)議種類多、數(shù)量多

光伏電站設(shè)備種類多,生產(chǎn)廠家多,數(shù)據(jù)通信協(xié)議各不相同,主要通信協(xié)議有 IEC104、IEC103-TCP、MODBUS、DLT645等,所有支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)備經(jīng)過交換機(jī)與主站服務(wù)器建立通信連接,其他支持串口協(xié)議設(shè)備與數(shù)據(jù)采集器建立通信連接,然后由數(shù)據(jù)采集器與主站服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接。各通信協(xié)議連接設(shè)備及連接數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 通信協(xié)議及連接數(shù)統(tǒng)計(jì)表

眾多的通信協(xié)議及連接,導(dǎo)致通信進(jìn)程的管理及通信點(diǎn)表的集成與維護(hù)變得十分困難。在本監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,在每個(gè)區(qū)的數(shù)據(jù)服務(wù)器上,對(duì)與同一設(shè)備廠家的通信啟用一個(gè)進(jìn)程(主進(jìn)程),然后由主進(jìn)程創(chuàng)建及管理多個(gè)子進(jìn)程,子進(jìn)程數(shù)量即為通信連接路數(shù)。在各子進(jìn)程的總召處理上采用錯(cuò)峰廣播的優(yōu)化設(shè)計(jì),避免多個(gè)子進(jìn)程數(shù)據(jù)同步廣播導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題。在集成通信點(diǎn)表時(shí),首先建立一個(gè)設(shè)備的點(diǎn)表,通過編寫批處理腳本,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)表的自動(dòng)建立與批量替換。通信點(diǎn)表按照“協(xié)議類型/設(shè)備編號(hào)/點(diǎn)表”分層引用。數(shù)據(jù)采集器為中水科技公司ICS0208,將各類串口協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IEC104協(xié)議上送給服務(wù)器。

2.3 分層分布式AGC結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電的特點(diǎn)決定了光伏電源的不穩(wěn)定性,為盡量減小對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響,2011年國家電網(wǎng)公司頒布了《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》,提出了在光伏電站配置有功功率控制系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)AGC采用分層分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分為3層結(jié)構(gòu):站控層AGC、中間層(分區(qū))AGC、子陣AGC。站控層AGC接收調(diào)度指令,根據(jù)各區(qū)發(fā)電能力優(yōu)化各區(qū)功率分配,并根據(jù)各區(qū)返回總實(shí)發(fā)功率動(dòng)態(tài)調(diào)整功率分配;分區(qū)AGC接收到總負(fù)荷后,根據(jù)各子陣并網(wǎng)逆變器臺(tái)數(shù)及額定容量在子陣間按照容量比例分配;子陣AGC根據(jù)子陣內(nèi)并網(wǎng)逆變器臺(tái)數(shù)進(jìn)行平均分配。因大型光伏電站龐大的逆變器數(shù)量,采用廠站AGC直接控制逆變器方式,AGC系統(tǒng)在控制過程中會(huì)形成大量的遙調(diào)和遙控通信報(bào)文下發(fā)阻塞延時(shí)或丟包,導(dǎo)致AGC控制響應(yīng)速度慢、控制精度差, 3層AGC結(jié)構(gòu)很好的解決這一問題。Ⅷ區(qū)AGC閉環(huán)控制試驗(yàn)(5～20 MW)結(jié)果見表2。試驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)整15 MW負(fù)荷,調(diào)節(jié)時(shí)間在20 s內(nèi),調(diào)節(jié)精度高。

表2 Ⅷ區(qū)AGC閉環(huán)控制試驗(yàn)(5～20 MW)結(jié)果

圖5 Ⅷ區(qū)AGC閉環(huán)控制試驗(yàn)功率棒圖

3 智能化建設(shè)探討

光伏電站一般建在邊遠(yuǎn)地區(qū),地理環(huán)境、自然條件較惡劣,不能按照以往的傳統(tǒng)方式進(jìn)行分散維護(hù)和人工監(jiān)控,因此通過建立光伏電站智能化監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站的有效監(jiān)控、診斷與檢修,對(duì)光伏電站的安全可靠運(yùn)行,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.1 通信協(xié)議統(tǒng)一化

光伏電站都是新建電站,設(shè)備容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。可以考慮規(guī)定所有接入設(shè)備都采用IEC61850通信接口協(xié)議,將當(dāng)前眾多的通信接口規(guī)范化。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議,可以在提高通信效率的同時(shí)減小因通信接口過多導(dǎo)致故障率高的問題。

3.2 光功率預(yù)測與大數(shù)據(jù)分析

隨著光伏發(fā)電站在電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)比重的增加,光功率預(yù)測系統(tǒng)變得尤為重要,光伏功率預(yù)測越準(zhǔn),光伏并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來的影響就越小,能夠有效的幫助電網(wǎng)調(diào)度部門做好各類電源的調(diào)度計(jì)劃?？梢钥紤]通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)多年歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,對(duì)同一地區(qū)不同天氣、不同時(shí)段功率數(shù)據(jù)的分析,得出更加準(zhǔn)確的光功率預(yù)測結(jié)果,提高光伏電站運(yùn)營管理效率。

3.3 設(shè)備智能診斷與檢修

光伏電站廠區(qū)面積大、設(shè)備龐多、環(huán)境惡劣,靠人工巡檢效率低下,檢修方式一般采用故障后檢修。可考慮在監(jiān)控系統(tǒng)中加入設(shè)備智能診斷子系統(tǒng),利用監(jiān)控系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù),建立數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件、逆變器、支架等設(shè)備健康狀況水平實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷,做到故障前計(jì)劃檢修,提高設(shè)備利用效率。

4 結(jié)束語

共和光伏三期200 MWp光伏電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)于2016年5月上旬開始現(xiàn)場安裝調(diào)試,至2016年6月底實(shí)現(xiàn)與電站并網(wǎng)發(fā)電同步投運(yùn)。目前,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,AGC控制效果良好。H9000 V4.0計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在此項(xiàng)目的成功應(yīng)用,進(jìn)一步驗(yàn)證了H9000系統(tǒng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的超強(qiáng)處理能力,對(duì)系統(tǒng)在光伏監(jiān)控、新能源集控等項(xiàng)目的應(yīng)用起到了良好的示范。

[1]國家能源局.太陽能利用十三五發(fā)展規(guī)劃征求意見稿[Z], 2015.

[2]王德寬,袁宏,王崢瀛,等.H9000 V4.0計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)概要[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測,2007(3).

TP273+.5

A

1672-5387(2017)07-0029-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.008

2017-04-27

張衛(wèi)君(1980-),男,高級(jí)工程師,從事計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研究開發(fā)工作。