基于無線組網(wǎng)的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李子蕭，彭 寧，王向陽，黃文淵

(1.中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410021;2.中建五局土木工程有限公司,湖南 長沙 410021;3.中國電力科學(xué)研究院有限公司,北京 100192)

0 引言

2020年12月12日，國家主席習(xí)近平在氣候雄心峰會上發(fā)表題為《繼往開來，開啟全球應(yīng)對氣候變化新征程》的重要講話，提出：到2030年，我國風(fēng)電、太陽能裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上[1]。未來一段時期內(nèi)，光伏發(fā)展將繼續(xù)保持較高的增速，預(yù)計(jì)年均新增裝機(jī)容量將在50 GW以上。與此同時，隨著電力市場改革的深入推進(jìn)，光伏平價(jià)上網(wǎng)已經(jīng)成為一種趨勢。根據(jù)國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《關(guān)于積極推進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電無補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》(發(fā)改能源〔2019〕19號)，2020年的光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模為3 305.06萬千瓦。因此，如何在新形勢下提高發(fā)電效益、降低運(yùn)維成本，已成為各光伏電站亟待解決的問題。

分布式光伏以其占地面積小、利于終端電壓、“就近消納、余電上網(wǎng)”、建設(shè)周期短等優(yōu)勢，已超過集中式光伏，成為太陽能發(fā)電領(lǐng)域的主要建設(shè)對象。分布式光伏發(fā)電在我國起步相對較晚，發(fā)展卻極為迅速。2017年，分布式光伏同比增速達(dá)187.0%。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及商業(yè)模式的進(jìn)一步發(fā)展，有關(guān)分布式光伏的相關(guān)研究成為能源學(xué)科研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]根據(jù)溫度、濕度、日照時數(shù)、電流等光伏電站傳感器的工作特性，設(shè)計(jì)了一套涵蓋數(shù)據(jù)采集、處理、存儲全過程的光伏監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等不同故障監(jiān)測和診斷方法在光伏設(shè)備監(jiān)視和故障檢測中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]以歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)、專家知識為基礎(chǔ)建立光伏智能運(yùn)維知識庫，在線監(jiān)控時通過模糊推理算法實(shí)現(xiàn)知識庫的調(diào)用。文獻(xiàn)[4]對比分析了分布式和集中式光伏運(yùn)維的差異。文獻(xiàn)[5]提出了分布式扶貧光伏智能運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并從系統(tǒng)組成、功能規(guī)劃、通信架構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測終端研制等方面進(jìn)行了闡述。綜上所述，針對分布式光伏通信方式單一、設(shè)備選型多樣、地形交通差異大等問題，現(xiàn)有文獻(xiàn)較少考慮分布式光伏電站的長期可靠運(yùn)行、負(fù)載用電需求、系統(tǒng)配置經(jīng)濟(jì)合理等因素，相關(guān)研究也沒有涉及通用、高效的監(jiān)控策略，與工程應(yīng)用之間存在一定差距。基于此背景，本文從系統(tǒng)架構(gòu)、功能架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、安全架構(gòu)等方面出發(fā)，結(jié)合廣東湛江市遂溪縣光伏農(nóng)業(yè)綜合利用項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一套基于無線組網(wǎng)的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)，提出了分布式光伏監(jiān)控策略，為分布式光伏電站的監(jiān)控提供參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)框架圖Fig.1 Framework diagram of distributed photovoltaic monitoring system

鑒于可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)投資成本較高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)維成本較高，當(dāng)前國內(nèi)外分布式光伏電站大多采用集成度高、檢修便捷的不可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)。即：系統(tǒng)不配置儲能環(huán)節(jié)；光伏陣列產(chǎn)生的直流電能經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為與主網(wǎng)同頻同相的交流電能；一旦主網(wǎng)斷電，系統(tǒng)自動停止供電。

不可調(diào)度式光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)包括電站層、通信層、主站層3部分。

1.1 電站層

電站層主要包括光伏陣列、逆變器、匯流箱、箱式變電站、環(huán)境監(jiān)測儀和監(jiān)控?cái)z像機(jī)等就地設(shè)備。

逆變器主要由逆變、控制、保護(hù)3個部分組成[6-7]。其中：逆變部分主要將光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與主網(wǎng)同頻同相的交流電；控制部分通過比例積分微分(proportional integral differential,PID)模塊調(diào)整轉(zhuǎn)換電壓、頻率、相位、諧波含量等輸出參數(shù)；保護(hù)部分提供系統(tǒng)在各種異常狀態(tài)下的安全保護(hù)動作。同時，為保證在環(huán)境變化時發(fā)電效率最高，逆變器中須采用最大功率點(diǎn)追蹤(maximum power point tracking,MPPT)[8]技術(shù)。常見算法有定電圧跟蹤法、功率回授控制法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法和間歇掃描法等。

1.2 通信層

通信層包括采集設(shè)施、終端、無線組網(wǎng)3部分，采用的是無線組網(wǎng)的光伏環(huán)網(wǎng)通信。其主要職責(zé)是上報(bào)業(yè)務(wù)情況、反饋故障狀態(tài)和傳遞測控信息等。

采集設(shè)施中，數(shù)據(jù)采集器為光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的就地連接樞紐，實(shí)現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)中各設(shè)備的接口匯聚、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、集中監(jiān)控和集中維護(hù)等功能。

終端包括數(shù)據(jù)終端和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。其中，客戶端設(shè)備(customer premise equipment,CPE)通過電力線載波(power line carrier,PLC)方式與數(shù)據(jù)采集器相連。相較于RS-485通信方式，PLC方式具有施工簡單、傳輸速率高、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

無線組網(wǎng)包括天線寬帶基站、核心網(wǎng)和路由系統(tǒng)等設(shè)備，提供大容量的無線傳輸通道，以及接入終端的管理，通過IP與電力業(yè)務(wù)主站進(jìn)行連接。

1.3 主站層

主站層包括基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)層、應(yīng)用層、終端層及相應(yīng)的安全和維護(hù)體系，基于服務(wù)調(diào)用和消息通信實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)服務(wù)間的松耦合，具有高可用性、易擴(kuò)展等技術(shù)優(yōu)勢。

基礎(chǔ)設(shè)施包括服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

服務(wù)層依托服務(wù)總線，提供權(quán)限、流程、文件、數(shù)據(jù)、圖形、模型和報(bào)表等基礎(chǔ)服務(wù)。其中：權(quán)限服務(wù)提供組織、人員、角色、資源的統(tǒng)一管理功能；流程服務(wù)提供平臺對外提供工作流的管理功能；文件服務(wù)提供文件類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲功能；數(shù)據(jù)服務(wù)提供基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理與服務(wù)、基于實(shí)時數(shù)據(jù)的管理與服務(wù)、基于多維數(shù)據(jù)的管理與服務(wù)和基于文件數(shù)據(jù)的管理與服務(wù)；圖形服務(wù)提供圖形瀏覽和圖形編輯兩大功能。

應(yīng)用層基于基礎(chǔ)設(shè)施和平臺服務(wù)構(gòu)建應(yīng)用功能，主要包括設(shè)備監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、值班監(jiān)控、故障診斷、工單管理和運(yùn)行管理。

終端層支持瀏覽器、C/S客戶端及大屏幕等多終端接入訪問。

2 監(jiān)控策略

目前，分布式光伏監(jiān)控技術(shù)緊隨能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展腳步，能夠滿足電站監(jiān)控需求。若要進(jìn)一步提高發(fā)電效益、降低運(yùn)維成本，則需建立一套科學(xué)、高效的分布式光伏電站監(jiān)控策略。本文以時間維度為基礎(chǔ)，從發(fā)電空間管控、發(fā)電過程管控、運(yùn)維執(zhí)行管控和事后評價(jià)4個方面出發(fā)，建立如圖2所示的分布式光伏電站監(jiān)控策略。

圖2 分布式光伏電站監(jiān)控策略圖Fig.2 Monitoring strategy diagram of distributed photovoltaic power station

該監(jiān)控策略涵蓋資源信息統(tǒng)計(jì)、發(fā)電能力預(yù)測、電站運(yùn)行監(jiān)控和運(yùn)營特性分析等功能，可實(shí)現(xiàn)事前的潛在空間及風(fēng)險(xiǎn)分析、事中的發(fā)電運(yùn)維過程管控和事后的成本效益分析。

2.1 資源信息統(tǒng)計(jì)

發(fā)電資源統(tǒng)計(jì)的對象包括光伏組件投運(yùn)數(shù)、并網(wǎng)逆變器投運(yùn)數(shù)、安裝傾角、系統(tǒng)效率和氣象數(shù)據(jù)等。

用電資源統(tǒng)計(jì)的對象包括負(fù)荷側(cè)用戶電壓等級、用戶性質(zhì)、最大用電負(fù)荷、用電量和負(fù)荷特征等。

檢修資源統(tǒng)計(jì)的對象包括檢修項(xiàng)目、備件、供貨周期、檢修人員和設(shè)備廠商信息等。

2.2 發(fā)電能力預(yù)測

預(yù)測發(fā)電能力是指計(jì)算電站最大發(fā)電能力，減去檢修中組件及故障預(yù)測組件，即得到電站可發(fā)電能力預(yù)測值。

數(shù)據(jù)處理流程包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理(數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)合并、數(shù)據(jù)計(jì)算)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展現(xiàn)。

智能算法包括深度學(xué)習(xí)(圖像識別)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法、支持向量機(jī)、案例推理和專家PID等。

預(yù)測模型包括最大發(fā)電能力預(yù)測模型和組件故障診斷預(yù)測模型。其中，最大發(fā)電能力預(yù)測模型輸入外界環(huán)境數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)，輸出短期、中期電站功率；組件故障診斷預(yù)測模型定期掃描光伏組串太陽能電池板輸出電流與輸出電壓關(guān)系曲線(即IV曲線)，同步分析逆變器管理系統(tǒng)，對輸出異常的組串進(jìn)行故障監(jiān)測，以確定設(shè)備狀態(tài)。

2.3 電站運(yùn)行監(jiān)控

值班管理主要包括電站值班監(jiān)控、值班記錄、操作票管理、值班計(jì)劃管理、值班考核、異常工單管理和系統(tǒng)操作日志管理等工作。

檢修管理包括檢修規(guī)程維護(hù)、工作票流轉(zhuǎn)、安全知識答題、安全培訓(xùn)記錄、檢修報(bào)告、檢修計(jì)劃和安規(guī)考核等工作。

風(fēng)險(xiǎn)管控指根據(jù)電站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)得到風(fēng)險(xiǎn)控制矩陣，并將風(fēng)險(xiǎn)控制矩陣作為輸入開展具體的風(fēng)險(xiǎn)管理工作。該階段輸出風(fēng)險(xiǎn)控制報(bào)告，實(shí)現(xiàn)光伏電站生產(chǎn)過程的風(fēng)險(xiǎn)管理。光伏電站風(fēng)險(xiǎn)管控策略如圖3所示。

圖3 光伏電站風(fēng)險(xiǎn)管控策略Fig.3 Risk management and control strategy of photovoltaic power station

2.4 運(yùn)營特性分析

運(yùn)行效率包括光伏陣列效率(溫度、低輻照損失、直流壓降、組件一致性等失配損失、組件衰減、灰塵遮擋、陰影云層遮擋)、并網(wǎng)系統(tǒng)損耗、子陣升壓系統(tǒng)效率(高壓交流線損、子陣升壓變損耗)和低壓系統(tǒng)效率(直流線損、低壓交流線損、系統(tǒng)自耗電、MPPT追蹤效率、組串及直流配電故障損失、逆變器及輔助設(shè)備故障損失、逆變器效率)等[9-11]。

運(yùn)營效益包括經(jīng)濟(jì)效率、低碳效益、社會效益和政策效益等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

遂溪縣光伏農(nóng)業(yè)綜合利用項(xiàng)目占地約836.36畝，采用連跨式農(nóng)業(yè)大棚形式，裝機(jī)容量為4.147 2 MW。項(xiàng)目所在地屬于我國第二類太陽能資源區(qū)域，全年日照小時數(shù)平均在1 443 h左右，平均年太陽輻射量約為5 194.8 MJ/m2，峰值日照時數(shù)為3.95 h/d。項(xiàng)目選用270 Wp多晶硅組件，計(jì)算傾角為17°。每個串路有24塊組件，共153 600塊組件，組件陣列間距為1 100 mm，布置800臺50 kW組串式逆變器。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年系統(tǒng)，全年總發(fā)電量為4.810 7 kWh，高于設(shè)計(jì)的第二年年發(fā)電量4.751 07 kWh，年發(fā)電能力提升約1.2%。同時，全年運(yùn)維總和為1 800 人/天，平均故障消除時間為2.6 h，全年缺陷數(shù)為921項(xiàng)，非計(jì)劃停運(yùn)檢修0次。

由以上數(shù)據(jù)可知，本文所設(shè)計(jì)的基于無線組網(wǎng)的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)一方面通過全面感知監(jiān)測和設(shè)備健康管理，降低了因建設(shè)質(zhì)量及設(shè)備選型、運(yùn)行環(huán)境惡劣等原因造成的設(shè)備高故障率；另一方面，借助無線組網(wǎng)技術(shù)和科學(xué)運(yùn)維管控手段，有效解決了運(yùn)維人員技術(shù)知識欠缺、運(yùn)維成本較高的問題。

4 結(jié)論

本文在綜合考慮分布式光伏運(yùn)維管理需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于無線組網(wǎng)的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)，從而全面支撐分布式光伏電站的一體化運(yùn)維需求。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了分布式光伏電站監(jiān)控策略，實(shí)現(xiàn)了分布式光伏電站監(jiān)控的時間和空間的融合。該系統(tǒng)已應(yīng)用于遂溪縣光伏農(nóng)業(yè)綜合利用項(xiàng)目，得到了較好的效果。由此表明，該系統(tǒng)具備提高發(fā)電效益、降低運(yùn)維成本的優(yōu)勢，為各地分布式光伏電站運(yùn)維監(jiān)控提供了技術(shù)支持，為光伏農(nóng)業(yè)綜合利用項(xiàng)目的推廣提供了借鑒。