光伏電站集控中心監(jiān)控及通信系統(tǒng)建設(shè)方案設(shè)計

彭 松

（貴州拓視實業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550002）

1 集控中心通信系統(tǒng)設(shè)計

1.1 集控系統(tǒng)框架設(shè)計

近年來，隨著居民生活水平提高和用電需求日益增長，電力企業(yè)對集控中心提出了更高的要求。集控中心子系統(tǒng)眾多，分散布置，功能的不斷完善，相互獨(dú)立，不方便擴(kuò)展，且數(shù)據(jù)交互必須通過點對點的方式[1]。在這種背景下，很多學(xué)者展開了一體化主站系統(tǒng)的研究，其建立在通用、標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件基礎(chǔ)平臺上，由于擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性好，被很多企業(yè)采用。

集控中心監(jiān)控以集控建設(shè)為中心，基于一體化平臺建設(shè)電能量采集、集中監(jiān)控等應(yīng)用功能。這種一體化平臺方式很好地解決了以往子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)獨(dú)立的問題，可以對全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，同時可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)將集控中心劃分為幾個安全區(qū)域，從而構(gòu)建一套安全開放、穩(wěn)定可靠、功能完善的主站系統(tǒng)。

新能源集控系統(tǒng)因新能源場站分布特點而采用“一主多從”的部署方式，并被劃分成功能區(qū)域、軟件層級、安全分區(qū)以及中心規(guī)劃4 個部分，具體劃分方式見圖1[2]。

圖1 集控中心劃分模式

其中，功能區(qū)域包括場站監(jiān)控層、中心集控層及上層監(jiān)管層，場站監(jiān)控層用于上傳數(shù)據(jù)和監(jiān)控現(xiàn)場，中心集控層用于控制和遠(yuǎn)程集中監(jiān)視，上層監(jiān)管層用戶用于和上級溝通和電網(wǎng)調(diào)度。軟件層級包括監(jiān)控層、平臺層、應(yīng)用層，監(jiān)控層運(yùn)用了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）管理模式，平臺層使用了大數(shù)據(jù)技術(shù)體系，應(yīng)用層實現(xiàn)融合分析和數(shù)據(jù)圖表展示。根據(jù)預(yù)先的要求將集控中心劃分成了4 個安全分區(qū)，分別實現(xiàn)了對生產(chǎn)的實時和非實時監(jiān)控、工業(yè)電視和應(yīng)用系統(tǒng)的監(jiān)控等。4 個中心分別是監(jiān)控中心、安全中心、數(shù)據(jù)中心及應(yīng)用中心，監(jiān)控中心用于控制和遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，安全中心用于保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行，數(shù)據(jù)中心用于數(shù)據(jù)存儲、分析和處理，應(yīng)用中心用于交互和數(shù)據(jù)展示。

集控中心的數(shù)據(jù)由新能源場站通過運(yùn)營商及電力專線提供，集控中心的功能主要是管理信息和生產(chǎn)控制，因此有2 個大區(qū)且它們通過物理隔離裝置進(jìn)行連接，同時集控中心系統(tǒng)內(nèi)部建立安全管理中心，以確保集控中心系統(tǒng)能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 集控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

1.2.1 通信系統(tǒng)建設(shè)方案

新能源場站信息系統(tǒng)之間要想實現(xiàn)通信，需要集控中心系統(tǒng)在應(yīng)用和各系統(tǒng)之間建立通信連接。通常情況下，新能源場站地處偏遠(yuǎn)，采用自主建設(shè)通信通道方式耗時耗力、成本高且不好維護(hù)，而通過租用方式實施簡單、投資少且解決了通信通道維護(hù)的問題。租用通道的選擇上，一般選用運(yùn)營商通道或是電網(wǎng)通道，電網(wǎng)通道堅強(qiáng)的光傳輸網(wǎng)可靠性高、容量大，足以滿足集控中心系統(tǒng)日常使用需求[3]。

另外，新能源場站接入電網(wǎng)并投運(yùn)時，還要建設(shè)用于上傳升壓站信息的省調(diào)或地調(diào)的通信通道，對于這一要求，可通過通信通道共享或擴(kuò)容的方式進(jìn)行組網(wǎng)以實現(xiàn)各級各系統(tǒng)之間的通信。在集控中心系統(tǒng)建設(shè)初期就考慮到和各場站的同步通信，有利于未來電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度和運(yùn)行管理。

綜上所述，通信系統(tǒng)的建設(shè)方案是租用和建立專用通信通道相結(jié)合，一方面租用運(yùn)營商或電力通信通道，另一方面組建集控中心至新能源各場站的專用通信通道，這中間省去了敷設(shè)路徑勘測、審批以及架設(shè)通信網(wǎng)等眾多環(huán)節(jié)。

1.2.2 業(yè)務(wù)通道寬帶確定

集控中心和新能源各場站的業(yè)務(wù)類型主要有管理業(yè)務(wù)和生產(chǎn)業(yè)務(wù)，其中生產(chǎn)業(yè)務(wù)有實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)2 種。同時，集控中心主站系統(tǒng)對信息采集有速率要求，某光伏電站各系統(tǒng)的通信速率如表1所示。

表1 光伏電站各系統(tǒng)通信速率

分析用戶實際需求，升壓站監(jiān)控、視頻監(jiān)控和機(jī)組監(jiān)控都是需要接入的數(shù)據(jù)。集控中心和光伏電站之間租用公網(wǎng)2 Mb/s+40 Mb/s 的通信通道，上級變電站和電網(wǎng)調(diào)度中心租用電網(wǎng)2 Mb/s 通信通道，在光伏電站和上級變電站之間自建專用光纜通道。

1.2.3 集控中心至電網(wǎng)調(diào)度通信建設(shè)

通常集控中心和電網(wǎng)調(diào)度之間通過雙光纖通信，考慮到集控中心的位置和周邊電網(wǎng)，提供2 種方案，具體見圖2。

圖2 集控中心至電網(wǎng)調(diào)度通信系統(tǒng)建設(shè)方案

方案1 在新能源集控中心和電網(wǎng)調(diào)度之間直接敷設(shè)2 根24 芯普通光纜；方案2 是部分利用變電變電站的冗余通信通道，在集控中心和變電站之間敷設(shè)2 根24 芯普通光纜，變電站和電網(wǎng)調(diào)度之間使用已有的光纜網(wǎng)。實際建設(shè)中可綜合考慮具體情況和各種因素，最終選擇最佳的一種方案。

1.2.4 集控中心和各光伏子站的通信建設(shè)

要結(jié)合光伏電站的的實際情況，盡可能利用已有資源，既可降低成本又能保證光伏電站的商業(yè)化運(yùn)行。集控中心到各光伏電站的通信要求較高，既要有較短的傳輸時延又要有較高的可靠性，對于部分光伏電站可租用電信通道。其有2 種通信模式：一是由子站實現(xiàn)“四遙”功能，直接完成集控中心和光伏子站之間的通信；二是集控中心直接和子站內(nèi)邏輯控制單元（Logic Control Unit，LCU）通信，進(jìn)而控制子站內(nèi)設(shè)備。

1.3 集控系統(tǒng)功能設(shè)計規(guī)范

1.3.1 安全Ⅰ區(qū)的集控功能

安全Ⅰ區(qū)具有的集控功能如下。

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)視。集控中心系統(tǒng)會定期對新能源場站端的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。其中，檢測的實時數(shù)據(jù)內(nèi)容有場站信息、設(shè)備及部件信息、升壓站信息、關(guān)鍵參數(shù)、光伏列陣信息及上級信息等。集控中心系統(tǒng)有多種顯示方式，如矩陣、列表、趨勢、柱狀圖、預(yù)警及操作等。

（2）遠(yuǎn)程控制。相關(guān)集控人員可遠(yuǎn)程控制設(shè)備，如隔離開關(guān)、斷路器、變壓分接頭及無功補(bǔ)償設(shè)備等。

（3）分層分控。集控中心系統(tǒng)有權(quán)限管理和責(zé)任區(qū)處理功能，且每個設(shè)備、功能及對象組合都實現(xiàn)了權(quán)限管理和責(zé)任區(qū)處理功能。

（4）集控五防。為了操作安全，集控中心系統(tǒng)提供了智能五防功能，對集控中心的每次遙控操作，均要檢測關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行防誤閉鎖判斷，降低系統(tǒng)誤操作的概率。

（5）人機(jī)交互。為了增強(qiáng)人機(jī)交互體驗，集控中心系統(tǒng)提供靈活一體化的圖形用戶界面，該界面支持多窗口，允許一屏綜合顯示多個窗口，使用者可根據(jù)實際需要靈活切換窗口，同時其應(yīng)實現(xiàn)基本畫面展示、3D 可視化界面展示以及可縮放矢量圖形（Scalable Vector Graphics，SVC）圖形展示等多樣化展示[4]。

1.3.2 安全Ⅱ區(qū)的輔助功能

安全Ⅱ區(qū)具有的輔助功能如下。

（1）功率預(yù)測。在安全Ⅱ區(qū)部署用于接受功率預(yù)測信息的服務(wù)器，這樣集控中心系統(tǒng)可收到來自各場站的功率預(yù)測信息，并對這些預(yù)測信息進(jìn)行分析和處理。

（2）保信主站。保信主站實現(xiàn)了初始化配置、控制和召喚等基本功能，能夠保存和分類處理各子站上傳的開關(guān)量變位、異常及保護(hù)事件等信息；能進(jìn)行波形分析并通過多種顏色展現(xiàn)各通道的瞬時值、波形、有效值、名稱以及開關(guān)量狀態(tài)等。

（3）電能量計算。該系統(tǒng)的主要功能是數(shù)據(jù)采集與處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用。以采集、存儲數(shù)據(jù)和處理分析為核心，在此基礎(chǔ)上提供電能量數(shù)據(jù)應(yīng)用功能，結(jié)合第三方報價系統(tǒng)進(jìn)行完善，使系統(tǒng)更加符合市場的需要。

1.3.3 安全Ⅲ區(qū)的應(yīng)用功能

安全Ⅲ區(qū)具有的應(yīng)用功能如下。

（1）顯示實時數(shù)據(jù)畫面，可自定義畫面刷新頻率，實現(xiàn)展示界面的優(yōu)化。

（2）可顯示歷史曲線，且歷史曲線可根據(jù)用戶的實際需要疊加。

（3）支持報表查看，在瀏覽器內(nèi)可生成報表，支持格式轉(zhuǎn)換且提供下載方式。

（4）可隨時搜索并查看SCADA 發(fā)出的所有預(yù)警消息。

（5）通過使用鏡像模式和主備熱冗余，確保數(shù)據(jù)庫的高可用。

（6）網(wǎng)頁內(nèi)容清楚直觀，一目了然，并提供查詢歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的入口。

（7）為實現(xiàn)系統(tǒng)的保密性及安全性，采用三權(quán)分立原則，對唯一審計管理員、系統(tǒng)管理員進(jìn)行配置后，運(yùn)維管理員根據(jù)實際情況授予不同用戶相應(yīng)的操作權(quán)限，從而實現(xiàn)非授權(quán)用戶不可訪問。

2 變電站通信系統(tǒng)設(shè)計

2.1 通信通道選擇

通信通道包括無線和有線2 種，其中有線通信方式包括光纖通信等。光纖通信方式的原理是通過光傳輸設(shè)備傳輸轉(zhuǎn)化成光信號的電信號[5]。這種通信方式可滿足電力企業(yè)對通信速率的要求，且承載容量大、抗干擾能力強(qiáng)，能顯著提高變電站通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 虛擬局域網(wǎng)

根據(jù)國家新的標(biāo)準(zhǔn)，為了減輕采集裝置和交換機(jī)的壓力，新的虛擬局域網(wǎng)技術(shù)人為劃分多個邏輯子網(wǎng)絡(luò)以此來獲取信息，從而快速高效靈活獲取信息，并且這樣可進(jìn)一步保護(hù)可控制信息。

2.3 MAC 地址過濾技術(shù)

媒體存取控制地址（Media Access Control Address，MAC）具有唯一性且通常情況下不發(fā)生改變，因此，MAC 地址過濾技術(shù)僅需在數(shù)據(jù)幀中增加目的地址（接受該數(shù)據(jù)幀的設(shè)備MAC 地址），交換機(jī)通過廣播數(shù)據(jù)幀通知所有端口，最后只有訂閱方成功接受數(shù)據(jù)幀。

2.4 通信安全策略

在前期規(guī)劃階段，設(shè)計人員要多與相關(guān)人員交流溝通，深入了解傳輸設(shè)備的選型、電纜線路的鋪設(shè)以及變電站的通信接入方式等情況，設(shè)計系列的保護(hù)措施；在建設(shè)階段，變電站通信系統(tǒng)的建設(shè)要嚴(yán)格遵循施工要求和標(biāo)準(zhǔn)，加大檢查和監(jiān)管力度，同時要做好防護(hù)措施，例如在鋪設(shè)光纜的周圍加保護(hù)鋼管等。

2.5 變電站通信系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通信系統(tǒng)常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有環(huán)狀、星形狀及網(wǎng)狀等類型，且不同類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量、通信可靠性存在一定的差異，要綜合考慮各種因素，結(jié)合企業(yè)的的實際情況進(jìn)行選擇。

3 結(jié) 論

光伏電站集控中心監(jiān)控及通信系統(tǒng)建設(shè)實現(xiàn)多個光伏子電站的集控監(jiān)控、控制和管理，同時實現(xiàn)了集控中心和電網(wǎng)調(diào)度的雙向通信，因此對其建設(shè)方案的設(shè)計具有重要意義。本文結(jié)合新能源場站分布特點，設(shè)計了集控中心監(jiān)控及通信系統(tǒng)的整體框架，提出了一種新的集控系統(tǒng)架構(gòu)，該集控系統(tǒng)兼容性強(qiáng)、穩(wěn)定安全、簡單易實現(xiàn)、擴(kuò)展方便，極大降低了企業(yè)成本，提高了企業(yè)收益效率。