區(qū)域分布式光伏運行監(jiān)控系統(tǒng)設計及應用

沈金青，徐光福，黃宏盛，朱 翔

(1.國網(wǎng)浙江嘉善縣供電公司，浙江 嘉慶 314100；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

近年來，隨著光伏發(fā)電在國內的大規(guī)模開發(fā)和利用，大量的分布式光伏電站接入配電網(wǎng)。分布式光伏電站盡管容量小，但點多面廣，大量分布式光伏電站接入電網(wǎng)后，若無法將光伏電站信息上送至電網(wǎng)調度中心，將對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成隱患。因此有必要建立分布式光伏發(fā)電運行監(jiān)控系統(tǒng)，對區(qū)域內分布式光伏電站發(fā)電進行信息采集，實現(xiàn)分布式光伏電站的實時監(jiān)控，滿足光伏發(fā)電入網(wǎng)的要求。

實現(xiàn)對分布式光伏電站的監(jiān)控一般可采用以下2種解決方案。

(1) 方案1。將分布式光伏電站所含信息接入現(xiàn)有的調度自動化系統(tǒng)(energy management system，EMS)或配網(wǎng)自動化系統(tǒng)(distribution management system，DMS)，充分利用現(xiàn)有資源，有利于數(shù)據(jù)整合應用。

(2) 方案2。建設一套獨立的分布式光伏運行監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對分布式光伏電站的信息采集和監(jiān)控，并通過信息交互總線把信息與EMS，DMS以及其他系統(tǒng)共享。

若采用方案1，由于現(xiàn)階段許多地區(qū)分布式光伏電站建設點多面廣，接入信息點總數(shù)量大，較大的信息量接入會對現(xiàn)有的EMS，DMS系統(tǒng)運行產生壓力。又因各個電站先后接入，每一次新站接入都需對現(xiàn)有系統(tǒng)進行配置和數(shù)據(jù)加載，這對實時性與安全性要求較高的EMS或DMS來說是不利的。另外，由于目前區(qū)域分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)建設還處于研究摸索階段，因此直接接入EMS，DMS系統(tǒng)并不穩(wěn)妥。

相比之下，建立一套獨立的區(qū)域分布式光伏運行監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠實現(xiàn)對分布式光伏全方位的監(jiān)控，而且對現(xiàn)有的EMS，DMS系統(tǒng)的運行不造成影響，因此現(xiàn)階段采取方案2更加適宜。

1 分布式光伏電站信息采集

分布式光伏電站中需要監(jiān)控的設備包括逆變器、環(huán)境監(jiān)測儀、保護裝置、計量電度表、電能質量監(jiān)測裝置。

文獻1研制了一種分布式光伏并網(wǎng)接口一體化裝置，并在該供電公司投入了應用。該裝置集成了分布式光伏發(fā)電保護、測控、電能質量監(jiān)測、運行控制、通信管理、遠動、信息安全加密等功能，支持多種通訊方式接入站內設備，與調度端主站通信實時反饋電站信息，接受遠程控制公共連接點開關投切及逆變器啟停命令。該裝置技術高度融合，克服了常規(guī)分布式光伏電站設計方案中信息采集系統(tǒng)設備多、投資大、安裝困難、運行維護工作量大等問題，因此優(yōu)先選擇分布式光伏并網(wǎng)接口一體化裝置實現(xiàn)電站信息的采集與控制。

如圖1所示，公共連接點的電壓互感器(potential transformer，PT)、電流互感器(current transformer，CT)接入分布式光伏并網(wǎng)接口一體化裝置交流采樣插件，經過軟件測量模塊計算得出分布式光伏電站公共連接點處的電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)、頻率、諧波。分布式光伏并網(wǎng)接口一體化裝置IO插件連接公共連接點處的斷路器及其他開關(如接地刀閘、隔離開關等)跳合閘回路，獲得開關的位置及控制開關的分合，當保護動作或收到光伏運行監(jiān)控主站系統(tǒng)的遙控開關命令時，進行相應的開關分合。

圖1 并網(wǎng)分布式光伏信息采集

2 通信方案

2.1 通信介質

分布式光伏電站特點是點多面廣，許多區(qū)域光纖無法覆蓋，結合國家相關標準并根據(jù)實際情況，因地制宜，可采取以下幾種通信介質。

(1) 對于專用架空線或電纜接入變電站的分布式光伏電站，建議在鋪設架空線或電纜的同時鋪設光纖接入就近變電站的同步數(shù)字體系(synchronous digital hierarchy，SDH)設備。

(2) 對于分布式光伏電站接入?yún)^(qū)域具備配網(wǎng)自動化通信網(wǎng)絡(如EPON網(wǎng)絡)的環(huán)境，建議鋪設光纖接入就近的配網(wǎng)自動化的通信網(wǎng)絡。

(3) 不滿足上述情況或380 V接入的kW級分布式光伏電站，從節(jié)約成本的角度考慮可以采用無線通信,如GPRS，CDMA等。

2.2 通信協(xié)議

目前電站和調度主站之間的遠動協(xié)議一般為IEC60870-5-101/104。該協(xié)議傳輸?shù)膬热輪我?，只能傳輸四遙信息，不能傳輸保護定值、錄波、電量、電能質量等綜合數(shù)據(jù)。文獻2，3提出了IEC 104擴展IEC 103規(guī)約出站方案和IEC 61850出站方案，能夠解決綜合數(shù)據(jù)出站問題。

2.3 通信信息安全防護

分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)男畔㈨氉裱姳O(jiān)會《電力二次系統(tǒng)安全防護總體方案》及國家電網(wǎng)公司《配電二次系統(tǒng)安全防護方案》的要求:運行監(jiān)控主站對分布式光伏并網(wǎng)接口裝置下發(fā)的控制指令不論采用何種通信模式(以太網(wǎng)、無線)都需要使用基于非對稱密鑰的加密技術進行單向身份認證；運行監(jiān)控主站采用基于調度證書的非對稱密鑰算法實現(xiàn)控制命令及參數(shù)設置指令的單向身份認證與報文完整性保護。

3 分布式光伏運行監(jiān)控主站功能設計

分布式光伏運行監(jiān)控主站的整個系統(tǒng)共分為5層，其中統(tǒng)一應用支撐平臺層(ASP)和電力系統(tǒng)應用軟件層在整個體系結構中處于核心地位。統(tǒng)一應用支撐平臺層向各種電力應用軟件提供統(tǒng)一的模型、通信、數(shù)據(jù)、畫面、管理服務，為各種電力系統(tǒng)軟件的集成提供了核心技術支持。

在統(tǒng)一平臺的支持下，將數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)、區(qū)域分布式光伏功率預測、保護及故障信息管理(DRMS)、電能量計量(TMR)、電能質量監(jiān)測(PQMS)、分布式光伏發(fā)電控制、分布式光伏發(fā)電效益分析應用軟件模塊集成在一起，組成區(qū)域光伏運行監(jiān)控主站系統(tǒng)。統(tǒng)一應用支撐平臺層能夠支持應用軟件模塊化功能方便的裁剪和擴展，以適應分布式光伏對主站系統(tǒng)的各種需求的發(fā)展。

3.1 SCADA

系統(tǒng)實時在線顯示各分布式光伏電站并網(wǎng)斷路器、逆變器的啟停等開關量的狀態(tài)以及并網(wǎng)點潮流、發(fā)電量等模擬量，記錄各開關量的變位和時間順序記錄，模擬量值以可調的存儲周期存入歷史庫中。可在畫面上對分布式光伏電站的并網(wǎng)開關和光伏逆變器進行遙控。

系統(tǒng)可按責任分區(qū)監(jiān)視實時生產統(tǒng)計數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)、電氣接線圖與參數(shù)、設備通信聯(lián)絡與工況、設備參數(shù)、并網(wǎng)點參數(shù)等信息。

3.2 分布式光伏功率優(yōu)化調度

3.2.1 區(qū)域分布式光伏功率預測

光伏發(fā)電出力具有波動性、間歇性的特點，大規(guī)模分布式光伏接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)后給電網(wǎng)的調度帶來影響，有必要對分布式光伏發(fā)電進行功率預測，為EMS系統(tǒng)制定調度計劃提供預測數(shù)據(jù)。由于分布式光伏電站多為屋頂式光伏，數(shù)量多但容量小，對每個電站進行功率預測然后作累加，將會面臨投資成本高、預測精度低的問題。而若在監(jiān)控區(qū)域內統(tǒng)一建設一套太陽能輻射數(shù)值天氣預報系統(tǒng)，對區(qū)域內所有分布式光伏出力進行統(tǒng)一預測，一方面可減少預測投資成本，另一方面可提高預測精度。具體做法是，按照若干平方千米面積建設一套太陽能輻射監(jiān)測子站，形成地區(qū)級太陽能輻射數(shù)值天氣預報系統(tǒng)，將地區(qū)內各分布式光伏并網(wǎng)點的太陽能輸出功率、實時并網(wǎng)太陽能裝機容量、輻射強度、溫度、風速等量統(tǒng)一上送光伏運行監(jiān)控主站，經由防火墻傳送到光伏功率預測系統(tǒng)，光伏功率預測系統(tǒng)再將預測結果上送至EMS系統(tǒng)。

3.2.2 發(fā)電單元控制

分布式光伏發(fā)電單元控制軟件模塊接收調度EMS的有功目標值、電壓目標值指令，通過對各分布式光伏發(fā)電單元有功、無功的分配、調節(jié)以及發(fā)電單元的啟/停，實現(xiàn)對調度指令的實時跟蹤。

3.2.3 發(fā)電能效與投資效益分析

結合區(qū)域分布式光伏發(fā)電總上網(wǎng)電量、國家相應補貼政策、節(jié)能減排等要素，對分布式光伏發(fā)電經濟、社會效益作出分析。分析內容包括以下3個方面：

(1) 基于經濟模型的光伏項目投資與收益分析；(2) 基于經濟模型的光伏產業(yè)發(fā)展輔助預測；(3) 結合能效分析進行產業(yè)發(fā)展和扶持政策的宣傳。

本文采用石灰為湖南生產的鈣質熟石灰，活性鈣鎂含量總量達66.93%，屬于三級石灰。具體物理化學性質如表1所示。

3.3 DRMS

DRMS接收分布式光伏電站保護、測控裝置的定值、壓板、測量、運行自檢、保護動作事件、告警信息、故障錄波文件，能夠實時掌握分布式光伏電站防孤島等保護投入以及動作情況，提高事故分析的效率和準確性。

3.4 TMR

TMR完成區(qū)域內所有分布式光伏電能表計量數(shù)據(jù)讀取、存儲與處理。所獲得的上網(wǎng)電量數(shù)據(jù)可與營銷部門用電信息采集系統(tǒng)進行交互，與用電信息采集系統(tǒng)采集的上網(wǎng)電量進行相互校驗，確保數(shù)據(jù)的準確性。另外上網(wǎng)電量數(shù)據(jù)也可以發(fā)送給政府相關電價補貼機構，作為電價補償?shù)囊罁?jù)。

3.5 PQMS

PQMS實現(xiàn)對光伏運行并網(wǎng)點各項電能質量指標的在線監(jiān)測和統(tǒng)計分析，為治理和改善光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電能質量提供監(jiān)測手段。

3.6 與其他系統(tǒng)接口

區(qū)域分布式光伏運行監(jiān)控主站應具備與外部系統(tǒng)互聯(lián)的功能。通過信息交互總線與EMS，DMS、用電信息采集等系統(tǒng)互連，實現(xiàn)分布式電源發(fā)電功率、發(fā)電量、并網(wǎng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)交互。

3.6.1 與EMS系統(tǒng)接口

EMS系統(tǒng)和光伏運行監(jiān)控主站系統(tǒng)使用基于IEC 61970的CIM/XML格式文件進行交互，AGC命令和實時數(shù)據(jù)采用國際標準IEC60870-5-104或DL476標準通信規(guī)約通信。光伏運行監(jiān)控主站向EMS系統(tǒng)轉發(fā)本光伏運行監(jiān)控主站系統(tǒng)下轄的子站相關光伏實時運行監(jiān)控數(shù)據(jù)并接收EMS系統(tǒng)AGC，AVC命令，根據(jù)調度下發(fā)的出力目標值調整光伏系統(tǒng)的輸出功率，包括增大、減小發(fā)電功率或起停，提高電網(wǎng)運行的經濟性和穩(wěn)定性。

3.6.2 與DMS系統(tǒng)接口

3.6.3 與其他外部系統(tǒng)接口

系統(tǒng)還可根據(jù)需求實現(xiàn)與其他電力自動化系統(tǒng)或生產信息管理系統(tǒng)的接口(如TMR，PQMS等)。與其他外部系統(tǒng)的接口方案包括基于專用通信協(xié)議的接口方式和基于Web Service接口方式2種方案?？蓪崿F(xiàn)分布式光伏運行監(jiān)控主站與其他外部系統(tǒng)之間所需數(shù)據(jù)的交換。

3.7 區(qū)域分布式光伏運行監(jiān)控系統(tǒng)整體架構

區(qū)域分布式光伏運行監(jiān)控系統(tǒng)按分層分布式體系結構設計，如圖2所示。該監(jiān)控系統(tǒng)采用3層結構，分別為信息采集層、通訊網(wǎng)絡層以及主站層。

第1層為信息采集層。依托分布式光伏并網(wǎng)接口一體化裝置實現(xiàn)對分布式光伏電站逆變器、電度表、保護測控、環(huán)境等信息的采集，所采集的信息經過通信網(wǎng)絡層傳送至主站層。

圖2 區(qū)域分布式光伏運行監(jiān)控系統(tǒng)架構

第2層為通信網(wǎng)絡層。通信網(wǎng)絡層為信息采集層與主站層之間的信息收發(fā)提供信道，包括無線(GPRS/CDMA等)和光纖混合通信。從信息安全角度考慮，無線通信應啟用公網(wǎng)自身提供的安全措施；光纖通信根據(jù)現(xiàn)場的條件，可以采用專用光纖接入就近變電站(所)SDH調度數(shù)據(jù)網(wǎng)或接入配網(wǎng)自動化的通信網(wǎng)絡(如EPON網(wǎng))。

第3層為區(qū)域分布式光伏運行監(jiān)控主站層。由前置機、后臺應用服務器、工作站、GPS對時裝置、打印機、防火墻、安全隔離裝置等設備組成。從功能角度考慮，可劃分為前置采集子系統(tǒng)、運行監(jiān)控子系統(tǒng)、高級應用子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)遵循《電力二次系統(tǒng)安全防護總體方案》規(guī)定，劃分相應的安全網(wǎng)絡區(qū)域：前置采集子系統(tǒng)與運行監(jiān)控子系統(tǒng)位于安全I區(qū)，高級應用子系統(tǒng)橫跨安全I區(qū)和II區(qū)。在不同網(wǎng)絡區(qū)域之間采用防火墻或者物理安全裝置隔離。系統(tǒng)采用開放式網(wǎng)絡，實現(xiàn)與EMS，DMS等系統(tǒng)連接。

4 系統(tǒng)應用

上述所設計的區(qū)域分布式光伏運行監(jiān)控系統(tǒng)已成功應用于該供電公司。

采用有線+無線混合通信技術將43座10 kV、56座380 V分布式光伏電站并網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳至區(qū)域分布式光伏運行監(jiān)控系統(tǒng)(如圖3所示)，實現(xiàn)企業(yè)級光伏電站全采集、全監(jiān)控。

圖3 分布式光伏信息接入網(wǎng)絡

為光伏電站量身定制的運行監(jiān)控系統(tǒng)，能夠在電力調度中心遠程接受光伏發(fā)電并網(wǎng)點安裝的一體化裝置所上傳的所有信息，包括光伏發(fā)電量、光照度、電能質量、電壓、電流、有功、無功等。調控員通過該系統(tǒng)可查閱光伏電站接線圖，實時獲取并網(wǎng)點開關投切、逆變器啟停等遙信信號及現(xiàn)場故障信息，遠程遙控并網(wǎng)點設備隔離光伏電站、調用各類報表，開展光伏發(fā)電能力預測等高級應用，全方位對光伏電站進行實時監(jiān)控，確保光伏發(fā)電小電網(wǎng)和系統(tǒng)大電網(wǎng)均可控、在控。

5 結束語

分布式光伏接入電網(wǎng)后，構建一套區(qū)域分布式光伏運行監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在某供電公司投入應用后，運行情況良好。保障了大量分布式光伏接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，可為各地方分布式光伏發(fā)電運行監(jiān)控系統(tǒng)的建設和運營提供參考。隨著分布式發(fā)電的不斷發(fā)展，越來越多的分布式新能源發(fā)電接入電網(wǎng)，該系統(tǒng)可以擴展為適應多種分布式新能源發(fā)電的運行監(jiān)控系統(tǒng)。