光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用方案研究分析

孫 星，梁瑞敏，張 明

（1.內(nèi)蒙古興邦聯(lián)合光伏新能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010020；2.大同聯(lián)合光伏新能源有限公司，山西 大同 037000）

0 引言

大型地面并網(wǎng)光伏電站占地面積大，設(shè)備數(shù)量多、布局分散，電站監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒘看?，且傳輸網(wǎng)絡(luò)距離遠，對整體通信的穩(wěn)定性和可靠性要求較高。光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)由間隔層和站控層組成，間隔層是面向單元設(shè)備的就地測量控制層，由（智能）I/O單元、控制單元、控制網(wǎng)絡(luò)和保護接口組成；站控層是面向整個光伏發(fā)電站進行運行管理的中心控制層，由各類服務(wù)器、操作員站、遠動接口設(shè)備構(gòu)成[1]。目前已并網(wǎng)的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)方案基本應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的技術(shù)形式，典型的監(jiān)控系統(tǒng)模式為RS485串口通信結(jié)合以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)通訊模式。光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的正確性、網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性直接關(guān)系到現(xiàn)場運維中的故障診斷和缺陷處理，對于響應(yīng)電力調(diào)度指令的快速性和準確性也至關(guān)重要，加之電站監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)大數(shù)據(jù)、云服務(wù)、智能化運維的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電站監(jiān)控系統(tǒng)在未來將是技術(shù)含量最高、技術(shù)更新最快的發(fā)電環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)運維方面，掌握其發(fā)展趨勢和系統(tǒng)運行特性將有助于提高電站的實際運維水平和設(shè)備整體的可利用率。

本文就光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的兩種典型應(yīng)用方案，分析了系統(tǒng)的配置方案和運行特性，針對實際運維中發(fā)現(xiàn)的缺陷和故障，提出了處理措施，對電站的實際運維和系統(tǒng)選型具有一定的指導意義。

1 應(yīng)用方案一：RS485串口通信結(jié)合以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)方案

1.1 系統(tǒng)方案及配置情況

光伏發(fā)電系統(tǒng)由升壓變壓器、逆變器、匯流箱、配電柜以及光伏組件等設(shè)備組成，配置1套光伏區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)電站實際裝機容量，光伏發(fā)電系統(tǒng)由若干個1 MWp光伏發(fā)電單元組成。1 MWp光伏發(fā)電單元監(jiān)控系統(tǒng)包含箱變測控裝置、逆變器通訊模塊、匯流箱數(shù)據(jù)采集和通訊裝置、通訊管理機（規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置）和光纖以太網(wǎng)交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（見圖1）。箱變測控裝置、逆變器通訊模塊、匯流箱數(shù)據(jù)采集和通訊裝置等通過RS485接口接入通訊管理機（規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置），最后通過光纖以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)實現(xiàn)信息的交互。匯流箱采用級聯(lián)的形式組網(wǎng)，1條通訊線路串聯(lián)6至12臺匯流箱，每個匯流箱做為1個通信子站與通訊管理主機進行通訊。由于匯流箱數(shù)量較多，線路走線復雜，在實際應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)通訊故障，匯流箱通訊原理見圖2。光伏區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)通過光纜實現(xiàn)組網(wǎng)，每1 MWp光伏方陣之間敷設(shè)單模光纜，根據(jù)站區(qū)集電線路的劃分通過35 kV線路路徑的方陣組成1個光纖環(huán)網(wǎng)，敷設(shè)單模光纜至升壓站保護室。匯流箱、箱變至逆變器室內(nèi)通訊柜的屏蔽雙絞線均先接入通訊柜內(nèi)RS485數(shù)字防雷器，再接入通訊柜內(nèi)通訊管理機（規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置）。

圖1 1 MWp光伏發(fā)電單元通信系統(tǒng)配置圖

圖2 匯流箱通訊原理圖

1.2 通信系統(tǒng)架構(gòu)

整體監(jiān)控系統(tǒng)可以分為智能子站層、規(guī)約轉(zhuǎn)換和監(jiān)控后臺[2]。實現(xiàn)光伏區(qū)系統(tǒng)通信的核心部件為通訊管理機（規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置），通訊管理機通過下行端口連接匯流箱數(shù)據(jù)采集和通訊裝置、逆變器通訊模塊、箱變測控裝置，采用RS485接口形式，通信協(xié)議采用MODBUS規(guī)約，系統(tǒng)通信架構(gòu)見圖3。上行端口與光纖以太環(huán)網(wǎng)交換機連接，組成環(huán)網(wǎng)接入升壓站監(jiān)控主機[3]。以太環(huán)網(wǎng)是由1組IEEE 802.1兼容的以太網(wǎng)節(jié)點組成的環(huán)形拓撲，每個節(jié)點通過基于802.3媒體訪問控制（MAC） 的環(huán)端口與其他2個節(jié)點項相連。

MODBUS協(xié)議使用主-從技術(shù)，在系統(tǒng)中只允許1個控制器做為主站（即通訊管理機），其他設(shè)備作為從站（箱變測控裝置、逆變器控制系統(tǒng)、匯流箱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）。主站發(fā)出訪問請求，從站響應(yīng)請求并送回相應(yīng)數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息。在主站沒有請求的狀態(tài)下，從站不能自己發(fā)送信息。

1.3 系統(tǒng)特性

光伏區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)通信采用RS485工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)，其特點是：傳輸距離較長，接口電路電平兼容性好、通信可靠性高且施工成本較低，此技術(shù)廣泛應(yīng)用于地面大型電站。通訊管理機（規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置）至監(jiān)控后臺采用以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)，其特點是通信容量大，通信距離遠，抗電磁干擾能力強，通信可靠性高。具備自恢復功能，在網(wǎng)絡(luò)斷開重連時可以自行恢復，減少斷網(wǎng)時間，避免運維人員頻繁就地處理。環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)置使得網(wǎng)絡(luò)上有1臺設(shè)備故障后，不影響其他設(shè)備與主站的通信。整個系統(tǒng)的不足之處在于，由于光伏區(qū)占地面積較大，匯流箱布置分散，RS485通訊線布線量大、走線復雜，埋入地下的通訊線運行時間較長受環(huán)境影響易發(fā)生腐蝕、斷裂，故障排查難度大，更換布線工作繁重。RS485通訊線抗干擾能力較差，通訊質(zhì)量受電磁干擾、雷電侵襲、系統(tǒng)接地等因素較大，經(jīng)常出現(xiàn)通信中斷。光纖環(huán)網(wǎng)光纜布線量大，出現(xiàn)故障后現(xiàn)場排查難度較大。

圖3 系統(tǒng)通信架構(gòu)圖

2 應(yīng)用方案二：電力線載波通信（PLC）結(jié)合無線通訊方案

2.1 系統(tǒng)方案及配置情況

光伏發(fā)電系統(tǒng)采用組串式逆變器分散逆變，交流輸出側(cè)逐級匯流的接線方式。根據(jù)電站實際裝機容量，發(fā)電系統(tǒng)由若干個1 MWp光伏發(fā)電單元組成。發(fā)電單元內(nèi)每臺逆變器容量為40 kW，每5～6臺組串式逆變器輸出接入1臺容量為250 kW的交流匯流箱。交流匯流箱匯集輸出接入就地升壓變壓器（電壓比37/0.48 kV）的低壓側(cè)，經(jīng)升壓變升壓到35 kV后經(jīng)集電線路送至升壓站。

每個1 MWp光伏發(fā)電單元配置1套光伏監(jiān)控子系統(tǒng)，通過光纖環(huán)網(wǎng)組成光伏區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)接入升壓站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)在升壓站內(nèi)對光伏區(qū)設(shè)備的遠程監(jiān)控。1 MWp光伏發(fā)電單元監(jiān)控系統(tǒng)包含箱變測控裝置、逆變器監(jiān)控裝置、通訊管理機（規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置）和光纖以太網(wǎng)交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（見圖4）。箱變測控裝置通過RS485接口接入數(shù)據(jù)采集器，逆變器數(shù)據(jù)通訊方式采用電力線載波方式，經(jīng)PLC模塊調(diào)制后通過RS485接口接入數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器與無線終端連接，通過無線終端將子陣信息傳輸?shù)竭h端射頻單元RRU（radio remote unit） 和天線設(shè)備，再通過光纖以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)實現(xiàn)信息的交互。

圖4 1 MWp光伏方陣通信配置圖

逆變器做為通信子單元通過電力線載波通信，實現(xiàn)光伏組串、逆變器與數(shù)據(jù)采集器的信息交互，在逆變器端和數(shù)據(jù)采集端需配置PLC耦合裝置，實現(xiàn)電力載波信號的調(diào)制與解調(diào)。光伏區(qū)整體數(shù)據(jù)信息采用基于4G LTE（fourth-generation long term evolution） 技術(shù)的無線傳輸系統(tǒng)，通過無線采集終端CPE（customer premises equipment），將數(shù)據(jù)采集器內(nèi)的光伏區(qū)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)信號上傳到4G基站，CPE通過網(wǎng)線連接其適配器，適配器通過網(wǎng)線連接數(shù)據(jù)采集器?；旧吓渲眠h端射頻單元RRU（radio remote unit） 和天線設(shè)備，RRU射頻模塊主要完成基帶信號和射頻信號的調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)處理、功率放大、駐波檢測等功能。主站配置帶處理單元BBU（building base band unit） 基與RRU通過單模光纖連接，實現(xiàn)光伏區(qū)數(shù)據(jù)信號與主站的通信[4]。

2.2 通信系統(tǒng)架構(gòu)（見圖5）

4GLTE（Fourth-generationLongTermEvolution）技術(shù)是3G移動通信技術(shù)向4G推進的長期演進技術(shù)，光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)使用基于LTE技術(shù)的無線傳輸系統(tǒng)可實現(xiàn)高清視頻監(jiān)控、光伏電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、寬帶多媒體集群、移動辦公等業(yè)務(wù)。整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由信息采集層、終端設(shè)備層、無線接入層和核心層及業(yè)務(wù)層組成[5]。信息采集層完成發(fā)電設(shè)備信息采集、編碼、傳輸、控制等功能。終端設(shè)備層包括CPE、手持終端等接入終端，通過網(wǎng)口與信息采集層設(shè)備相連。手持終端可實現(xiàn)與主站的語音通話、視頻通話、發(fā)電設(shè)備信息查詢等功能，為運維人員提供了更好的保障性和技術(shù)性的支持。無線接入層包括天線、RRU、BBU、核心網(wǎng)等設(shè)備，提供大容量的無線傳輸通道。核心層及業(yè)務(wù)層提供無線接入層和終端層的管理，通過IP與電力業(yè)務(wù)主站進行連接[6]。

2.3 系統(tǒng)特性

逆變器使用PLC電力載波通信方式，利用逆變器輸出三相電纜做為通信線路，無需敷設(shè)專用通信線路，通信可靠性高，解決了使用RS485通訊線布線量大，故障點多的問題。但因使用電力載波，通信受電力干擾較大，需要高性能的PLC耦合裝置。LTE專網(wǎng)可實現(xiàn)快速部署，單站最大可覆蓋范圍10 km，每個基站可提供60 M bits/s帶寬，無需挖溝埋光纜。傳輸時延小，維護簡單，整體網(wǎng)絡(luò)扁平化，簡單化。使用4G LTE技術(shù)除了在頻帶寬度、數(shù)據(jù)速度、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、糾錯能力等方面有突出的優(yōu)點外，最有利于光伏電站運維的是實現(xiàn)了語音和數(shù)據(jù)的融合，全面支持多媒體業(yè)務(wù)，這些為光伏電站日常運維的遠程技術(shù)支持、專家診斷系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)。

圖5 4G LTE系統(tǒng)通信架構(gòu)

表1 光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)常見故障

3 系統(tǒng)故障分析

本文針對2座分別采用RS485串口通信結(jié)合以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)方案和電力線載波通信（PLC）結(jié)合無線通訊方案組網(wǎng)的山地光伏電站的實際運維工作，對電站監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的故障進行了統(tǒng)計（見表1）。其中A電站監(jiān)控系統(tǒng)采用RS485串口通信結(jié)合以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)方案，該電站位于內(nèi)蒙古西部烏蘭察布地區(qū)，總裝機容量80 MWp，光伏組件采用國電光伏GDM-250PE03組件，逆變器為集中式逆變器，單機額定容量500 kW，箱式變壓器為雙分裂式變壓器，額定容量為1000 kVA，1臺雙分裂箱式變壓器帶2臺集中式逆變器。全站共80臺箱式變壓器，以8回35 kV線路通過地理電纜接入110 kV光伏電站35 kV母線上，35 kV母線采用雙母分段接線方式。B電站監(jiān)控系統(tǒng)采用電力線載波通信（PLC） 結(jié)合無線通訊方案組網(wǎng)方案，該電站位于山西大同境內(nèi)，總裝機容量100 MWp，光伏組件采用國樂葉LR6-72-330M組件，逆變器為組串式逆變器，單機額定容量40 kW，箱式變壓器額定容量為1000 kVA，1臺箱式變壓器帶25臺集中式逆變器。全站共100臺箱式變壓器，以10回35 kV線路通過地理電纜接入110 kV光伏電站35 kV母線上，35 kV母線采用雙母分段接線方式。兩座電站相距近100 km，均為山地電站，地理地貌和光資源條件基本相似。

4 結(jié)論

通過對光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)常見故障進行統(tǒng)計，結(jié)合實際運維中遇到的問題，使用RS485串口通信結(jié)合以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)方案的光伏電站，在夏季雷雨季節(jié)頻發(fā)通訊故障，其中通訊卡件的損壞量較大，檢查通訊卡件發(fā)現(xiàn)卡件上個別元器件燒毀。剩余故障集中在通訊線路損壞、斷裂方面，發(fā)生此類故障排查難度較大，故障點確認后一般需要重新布線，工作量較大，故障消缺時間較長（見表2和圖6）。

表2 2016年A、B電站監(jiān)控系統(tǒng)故障統(tǒng)計

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)故障時間統(tǒng)計

使用電力線載波通信（PLC） 結(jié)合無線通訊方案的光伏電站，監(jiān)控系統(tǒng)故障主要發(fā)生在無線通訊中斷方面，發(fā)生此類故障需要登錄設(shè)備網(wǎng)管進行故障排查，故障原因多集中在線路接口不良、電源供電中斷等方面。此類故障只需對設(shè)備進行微調(diào)即可，且有系統(tǒng)軟件做為支持，處理起來較為簡單，故障消缺時間較短（見表2和圖6）。

光伏區(qū)系統(tǒng)通信使用電力載波通訊技術(shù)（PLC） 相較于RS485串口通訊減少了額外通訊線路的布置，系統(tǒng)抗干擾能力也大大增強。監(jiān)控系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)傳輸使用4G LTE無線通訊較光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)在通信性能上先進，也是后期實現(xiàn)智能運維的基礎(chǔ)。但從目前的實際使用來看，穩(wěn)定性方面還有待加強，工程造價較高?？傮w來說，智能化的監(jiān)控方案是光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向，短期來看，對于山地光伏電站，使用電力線載波通信（PLC） 結(jié)合無線通訊方案不論是在工程建設(shè)還是后期運維方面都具有一定的先進性。