校園智能光伏電站及其監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

劉 燕，王 科，劉 月，秦藝峰

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動化學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

太陽能光伏發(fā)電憑借其靈活、高效的特點在配電網(wǎng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用. 常熟理工學(xué)院東湖校區(qū)現(xiàn)有學(xué)生宿舍樓21幢，利用其屋頂光資源建成的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)將成為公共電網(wǎng)的有效補充與支撐. 該光伏電站容量為1.1 MWp， 最大年發(fā)電量113.8萬kW·h. 在光伏電氣一次系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了智能監(jiān)控系統(tǒng)及能源管理系統(tǒng). 與常規(guī)光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)相比，該監(jiān)控系統(tǒng)配套設(shè)計了能源管理系統(tǒng)，不僅可以遠程監(jiān)測光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)，而且可以通過能源管理系統(tǒng)對光伏電站運行數(shù)據(jù)進行深度分析和挖掘，從發(fā)電效率、運行狀態(tài)、電能質(zhì)量提升等角度開展監(jiān)測研究，分析分布式能源接入給校園配電網(wǎng)帶來的影響，提出高校變配電系統(tǒng)合理運行策略，為能耗需求側(cè)管理、配電網(wǎng)和運行維護提供技術(shù)支撐及數(shù)據(jù)支撐［1］.

1 光伏電站電氣一次系統(tǒng)

太陽能光伏面板按照分布式排列方式安裝于學(xué)生宿舍屋頂. 參考當(dāng)?shù)貧庀筚Y料可知常熟年水平面輻照量為1 595.05 kW·h/ m2/d，電池組件傾斜面上的輻照量為1 885.8 kW·h/ m2/d，水平面峰值日照時數(shù)為1 595.05/365=4.37 h，帶傾斜面的峰值日照時數(shù)為1 885.8/365=5.16 h. 根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算出光伏列陣在宿舍樓頂最佳的安裝角度為33°.

該光伏電站每一條回路是由18塊光伏組件串聯(lián)而成. 串聯(lián)后再按4路或5路或6路或者8路數(shù)量不等的路數(shù)并聯(lián)接入?yún)R流箱，匯流箱匯集能量后再接入直流配電柜. 按照就近的原則將匯集后的直流接入并網(wǎng)逆變器，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)為交流電. 逆變后的交流電通過斷路器并入交流電網(wǎng). 該系統(tǒng)配置了直流匯流箱45個，直流配電柜4個，逆變器4個，交流配電柜5個. 圖1是光伏電站電氣一次系統(tǒng)圖.

1.1 每幢樓的裝機容量

為獲取合理的發(fā)電容量，將18塊光伏組件串聯(lián)起來組成1路光伏線路，其中每塊光伏組件額定電壓為29.1 V，額定電流為7.56 A. 以1#宿舍樓為例，該宿舍樓一共有8路光伏線路接入直流匯流箱，其裝機容量的計算如下：

并入直流匯流箱U= 2 9.1× 18 = 523.8 V .每 路電流I=7.56A. 整棟樓實際裝機功率P= 5 23.8× 7 .56× 8 =31679.42 W.

由于校園內(nèi)21棟宿舍樓頂面積不等，并聯(lián)接入的光伏電路數(shù)量不相同，故每幢樓頂裝機容量也不盡相同.

圖1 光伏電站一次系統(tǒng)圖

1.2 直流匯流箱

直流匯流箱的功能是將串聯(lián)后的光伏面板有序連接并實現(xiàn)匯流功能. 本次設(shè)計選用的直流匯流箱帶防反充及監(jiān)控功能. 直流匯流箱由兩部分組成，一部分匯流模塊，即N條線路并聯(lián)后通過智能斷路器流出；另一部分是通信模塊，通過485線接至串口服務(wù)器從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，再由以太網(wǎng)連接至人機界面， 通過監(jiān)控系統(tǒng)測量光伏電路數(shù)據(jù).接線圖如圖2所示.

圖2 智能匯流箱一次圖

1.3 逆變器

逆變器是光伏系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的設(shè)備，該設(shè)計用到的并網(wǎng)逆變器采用了最大功率跟蹤技術(shù)，能夠最大限度地把發(fā)電電流并入電網(wǎng)［1］. 智能光伏并網(wǎng)逆變器具有顯示單元，可以顯示電壓、電流、逆變器輸出電壓、電流、功率、累計功率，以及光伏面板的電壓、電流、運行狀態(tài)、異常報警等各項參數(shù). 還具有標準的電氣通信接口，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，有較高的可靠性.

1.4 并網(wǎng)斷路器

分布式光伏并網(wǎng)斷路器選擇含有欠壓脫扣器和欠壓延時模塊的專用斷路器，使其具有檢無壓跳閘、檢有壓合閘及無壓/失壓長延時跳閘的功能［2］. 其中無壓跳閘檢測用于當(dāng)系統(tǒng)處于永久故障狀態(tài)時，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)自動斷開與校園供電間的連接. 而檢有壓合閘時則是在校園供電網(wǎng)處于正常運行情況下才允許的并網(wǎng)運行. 無壓/失壓長延時跳閘功能的延時定值時間應(yīng)大于當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)備自投、重合閘與全自動饋線自動化動作的最長時間，以確保在公共電網(wǎng)系統(tǒng)處于暫時故障狀態(tài)時，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在等待系統(tǒng)恢復(fù)正常過程中維持并網(wǎng)運行狀態(tài)［2］，如此可極大提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行可靠性. 該并網(wǎng)斷路器也帶有通信模塊，在工作的同時可以將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控系統(tǒng).

2 智能光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

智能光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)采用分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計，分為監(jiān)控端層、主干網(wǎng)絡(luò)層以及智能元件層，其中主干網(wǎng)絡(luò)層連接著智能元件層和監(jiān)控端，向下采集數(shù)據(jù)向上發(fā)送數(shù)據(jù)［3］. 框架結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 分層式結(jié)構(gòu)框架

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖5 通信工作流程圖

按照通信協(xié)議以以太網(wǎng)和 RS485總線進行數(shù)據(jù)與命令的傳送，實時采集光伏陣列、智能匯流箱，智能逆變器，智能斷路器和智能儀表的數(shù)據(jù)，并將信息傳到上位機監(jiān)控部分，由監(jiān)控主機實時呈現(xiàn)光伏電站運行信息. 在校園互聯(lián)網(wǎng)下查看電站相關(guān)數(shù)據(jù)，實時分析電網(wǎng)的運行情況并獲得電站優(yōu)化和調(diào)整策略［3］. 為了將光伏電站監(jiān)控信息實時傳入離東湖校區(qū)有8 km之遠的東南校區(qū)，利用了兩校之間的光纖通信網(wǎng)絡(luò)，通過光纖網(wǎng)絡(luò)將信息傳入東南，并接入校園互聯(lián)網(wǎng)絡(luò). 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖4所示.

監(jiān)控主機發(fā)送的命令報文基于TCP/IP協(xié)議，通過以太網(wǎng)發(fā)送至串口服務(wù)器，串口服務(wù)器再對接收的命令報文進行處理，轉(zhuǎn)換為基于MODBUS協(xié)議的命令，通過RS485總線傳送到設(shè)備端. 在這個過程中，命令是以廣播的方式進行傳輸，當(dāng)設(shè)備端接收到命令后會進行地址校驗，使地址正確的設(shè)備作出回應(yīng)，而其他設(shè)備不做回應(yīng)［4］.回應(yīng)報文的則會先基于MODBUS協(xié)議通過RS485總線傳送至串口服務(wù)器，再轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議通過以太網(wǎng)反饋給監(jiān)控主機［5］，從而在軟件中顯示對應(yīng)結(jié)果. 通信工作流程圖如圖5所示.

該監(jiān)控系統(tǒng)能完成對太陽能光伏發(fā)電的實時運行信息、報警信息在線監(jiān)視，能顯示光伏的當(dāng)前發(fā)電總功率、日總發(fā)電量、累計總發(fā)電量以及每天發(fā)電功率曲線圖. 實時監(jiān)控逆變器的運行狀態(tài)，采用聲光報警方式提示設(shè)備出現(xiàn)故障，可查看故障原因及故障時間. 具有最大功率點跟蹤模式（MPPT）及恒壓模式，可實時對并網(wǎng)點電能質(zhì)量進行監(jiān)測和分析.

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與研究

能源管理系統(tǒng)是在監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通過對各種發(fā)電與用電數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定控制和優(yōu)化運行的軟件系統(tǒng). 通過能源管理系統(tǒng)分析分布式光伏發(fā)電的工作，分析光伏電源對電網(wǎng)負荷的影響，預(yù)測分布式光伏最大發(fā)電效率，以此為基礎(chǔ)資料實現(xiàn)對學(xué)校配電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運維提供決策輔助和數(shù)據(jù)支持.

能源管理系統(tǒng)主要劃分為6個板塊，即運行監(jiān)測、能源審計、能源計劃、運行報表、數(shù)據(jù)管理、用戶管理. 根據(jù)實際使用情況，還可增加能源審計中的能耗分項分析、能耗趨勢分析、能耗對比分析、實時分項分析、實時趨勢分析、實時對比分析、能耗指標明細報表、實時指標明細報表.

3.1 光伏發(fā)電量數(shù)據(jù)分析

光伏發(fā)電效率一方面反映光伏設(shè)備的光電轉(zhuǎn)換效率，以及光伏設(shè)備生產(chǎn)制造水平；另一方面，光伏發(fā)電效率受太陽輻射度、天氣、溫度等自然因素影響，具有較大的波動性. 能源管理系統(tǒng)主要作用是收集光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并加以分析對比. 根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，可以預(yù)估每年的發(fā)電量，確定一個預(yù)期值以便合理安排用電. 能源管理系統(tǒng)可以清晰地觀察到每一分鐘發(fā)電量的變化，監(jiān)測光伏出力的波動情況，掌握波動規(guī)律，對分析分布式光伏對電網(wǎng)運行的影響、合理安排調(diào)度運行方式具有重要的研究和應(yīng)用價值. 如圖6所示，這是學(xué)校光伏系統(tǒng)學(xué)生樓并網(wǎng)柜2018年12月11日—12月13日采集的功率數(shù)據(jù). 從這段運行曲線可以看到該光伏系統(tǒng)發(fā)出的最大、最小以及平均功率的大小. 從曲線中看出12月11日起發(fā)電功率遠遠低于12日與13日的發(fā)電量. 分析其中的原因發(fā)現(xiàn)11日當(dāng)日天氣陰雨導(dǎo)致太陽能發(fā)電功率大大降低. 從該曲線可以看到光伏發(fā)電系統(tǒng)隨太陽光照的變化規(guī)律. 光伏發(fā)電功率隨天氣和氣溫變化產(chǎn)生相應(yīng)波動，具有一定的周期性規(guī)律. 對分布式光伏最大發(fā)電效率隨季節(jié)變化的規(guī)律進行監(jiān)測研究和分析，掌握光伏最大發(fā)電效率隨季節(jié)變化的規(guī)律，對提高分布式光伏出力的預(yù)測能力具有重要意義. 學(xué)校用電有季節(jié)性特點，即在典型節(jié)假日及寒暑假期間用電量劇減，由于用電行為的改變，接入的光伏發(fā)電將嚴重影響負荷曲線的變化. 從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析光伏接入對負荷曲線最大值、最小值產(chǎn)生的影響，給出數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提出合理的運行控制策略有利于最大化利用電能.

圖7 每日發(fā)電量統(tǒng)計

3.2 故障狀態(tài)分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)運行多年后若出現(xiàn)設(shè)備故障將造成發(fā)電量減少，發(fā)電效率逐漸降低的情況，而這種現(xiàn)象用戶往往無法察覺. 能源管理系統(tǒng)建立了智能化發(fā)電數(shù)據(jù)庫，通過記錄的波形或數(shù)據(jù)可及時發(fā)現(xiàn)故障或隱患. 其中狀態(tài)分析可以通過查看“運行狀態(tài)”的實時數(shù)值，以及調(diào)看“原始值數(shù)據(jù)”有效了解能源管理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)中附含的一些發(fā)電和用電故障因素. 圖7是光伏系統(tǒng)某日發(fā)電量平均值的數(shù)據(jù). 從圖中可以看出，當(dāng)日光伏系統(tǒng)發(fā)電變化規(guī)律與往日相同，但發(fā)電量變小較多. 發(fā)電效率除了受天氣的影響外，通過監(jiān)控界面還可發(fā)現(xiàn)其中一路光伏線路出現(xiàn)了故障，不能正常運行，導(dǎo)致總的發(fā)電量下降.

通過分析相應(yīng)時間段的用電數(shù)據(jù)，還可杜絕日常用電中不經(jīng)意造成的浪費，比如教室長明燈，使用違章電器等現(xiàn)象.

4 結(jié)束語

光伏發(fā)電的數(shù)據(jù)信息通過互聯(lián)網(wǎng)做到可監(jiān)控、可分析、可連通的遠程監(jiān)控及管理是能源信息大數(shù)據(jù)發(fā)展的必然. 利用校園內(nèi)學(xué)生公寓屋頂建成的光伏電站，以智能匯流箱、智能逆變器、智能斷路器和智能儀表等設(shè)備為基礎(chǔ)，采用分層分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計了監(jiān)控系統(tǒng). 光伏監(jiān)測平臺能對校區(qū)光伏電源的有功功率、無功功率、發(fā)電量、電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)量等運行信息實時監(jiān)測，并能積累一定數(shù)量的光伏電源運行信息.通過數(shù)據(jù)分析可以觀測光伏分布式電源接入給配電網(wǎng)帶來的一些實質(zhì)性問題，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定控制和優(yōu)化運行. 建成后的光伏配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)體現(xiàn)了當(dāng)前電力系統(tǒng)能耗需求側(cè)管理、智能配電網(wǎng)、新能源及微電網(wǎng)的技術(shù)特征，將為學(xué)校配電網(wǎng)運行和維護提供決策輔助和數(shù)據(jù)支持.