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淺談分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)的應用開發(fā)

發(fā)布時間: 2022-01-04  點擊次數(shù): 713次
王晶晶
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801


摘要:隨著光伏發(fā)電技術逐步趨于成熟和完善,為了滿足光伏發(fā)電并網需求,需對光伏發(fā)電實行實時監(jiān)控,當前的分布式光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)主要采用硬連線的組網方式,存在著需挖溝走槽、布線復雜、通信不可靠、時鐘不同步等問題。鑒于此,提供了一種分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng),旨在解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的上述問題。
關鍵詞:通信;ZigBee;離散分析;時鐘同步


0 引言
在國家的大力倡導下,分布式光伏電站如今開始興起,它充分利用了閑置的屋頂、樓頂、廠房頂、農業(yè)大棚等,而且低壓并網安全又可靠,由此看來,分布式光伏發(fā)電的發(fā)展是大勢所趨。正是在這種趨勢的引導下,很多從事電氣行業(yè)的電氣公司開始紛紛轉移到分布式能源上來,大量的分布式能源建成投產。為實現(xiàn)對分布式能源的監(jiān)控,滿足電力接入電網的要求,需對分布式能源的合理調配、集中監(jiān)控、電網分析、配網自動化及日常維護等進行統(tǒng)一管理。然而,當前的分布式光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)主要采用硬連線的組網方式進行監(jiān)控,而硬連線的組網方式存在著需挖溝走槽、布線復雜、通信不可靠、時鐘不同步等問題。


1 系統(tǒng)設計
本文的主要目的在于提供一種分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng),旨在解決現(xiàn)有光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)存在的需挖溝走槽、布線復雜、通信不可靠、時鐘不同步等問題。為實現(xiàn)上述目的,本文提供了一種分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)包括監(jiān)控中心、通信管理機、匯流箱及逆變器等設備。監(jiān)控中心用于通過下行目標信道將數(shù)據(jù)請求無線發(fā)送至通信管理機;通信管理機用于接收所述數(shù)據(jù)請求,并通過上行目標信道將與所述數(shù)據(jù)請求對應的設備的運行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控中心,其中,運行數(shù)據(jù)為通信管理機采集并保存設備的運行數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心用于通過上行目標信道接收所述運行數(shù)據(jù),并對所述運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。
本系統(tǒng)網絡結構由中心節(jié)點子網和分布式子網組成,如圖1所示,通過對中心節(jié)點子網ZigBee數(shù)據(jù)包和分布式子網ZigBee數(shù)據(jù)包進行解析,得到信號強度指示值,判斷所述信號強度指示值是否滿足預設的信道要求,若滿足所述信道要求,則對所述信號強度指示值進行離散率分析,得到離散率值。根據(jù)所述離散率值確定所述下行目標信道及所述上行目標信道。
圖1 分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構圖
監(jiān)控中心還用于通過所述下行目標信道發(fā)送時鐘同步命令至與所述下行目標信道對應的通信管理機。通信管理機基于所述時鐘同步命令進行時鐘修正,并通過所述上行目標信道將修正后的時鐘返回至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心與通信管理機采用冗余數(shù)據(jù)補抄標識,確保數(shù)據(jù)的安全與完整性。


2 系統(tǒng)通信實施
在本文實施例中分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)中包括一個監(jiān)控中心、若干通信管理機及若干設備。監(jiān)控系統(tǒng)與通信管理機之間進行信息傳輸?shù)耐ǖ婪Q之為信道,分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)中可以存在多條信道。其中,下行目標信道表示信息傳輸方向由監(jiān)控系統(tǒng)至通信管理機,且網絡良好、信道噪聲小、傳輸誤碼率小的信道。通信管理機用于接收數(shù)據(jù)請求,并通過上行目標信道將與數(shù)據(jù)請求對應的設備的運行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控中心,其中運行數(shù)據(jù)為通信管理機采集并保存的設備的運行數(shù)據(jù)。
在本文實施例中,上行目標信道及下行目標信道表示相匹配的信道,可以是同一信道也可以是不同的信道,上行目標信道及下行目標信道中的上行與下行僅表示信息傳輸方向,不具有其他限定含義。
在本文實施例中,每一臺通信管理機通過串口線實時獲取與自身連接的設備的運行數(shù)據(jù),并將獲取到的運行數(shù)據(jù)保存在該通信管理機內,通信管理機在接收到數(shù)據(jù)請求后,通過上行目標信道將與該數(shù)據(jù)請求對應的設備的運行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過上行目標信道接收運行數(shù)據(jù),并對運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。
監(jiān)控中心還通過下行目標信道將數(shù)據(jù)請求無線發(fā)送至通信管理機,通信管理機用于接收數(shù)據(jù)請求,并通過上行目標信道將與數(shù)據(jù)請求對應的設備的運行數(shù)據(jù)無線反饋至監(jiān)控中心。與現(xiàn)有技術相比,本文實施例中監(jiān)控中心基于無線通信的冗余離散分析算法,提高了分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)通信的可靠性,大大降低了項目的投資成本。
在分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)中,每一個信道中的ZigBee數(shù)據(jù)包的獲取過程都是相同的,針對某一信道,預先設置時間段,并將該時間段分成n個采集周期,在預設時間段內,每隔一個采集周期從信道中的中心節(jié)點子網的ZigBee設備上采集到1個ZigBee數(shù)據(jù)包,可以采集n個ZigBee數(shù)據(jù)包。若一個信道中的分布式子網由k個ZigBee設備構成,在預設時間段內,每隔一個采集周期從信道中的分布式子網中的k個ZigBee設備上采集到k個ZigBee數(shù)據(jù)包,一共可以采集k×n個ZigBee數(shù)據(jù)包。通過對中心節(jié)點子網的ZigBee數(shù)據(jù)包和分布式子網ZigBee數(shù)據(jù)包進行解析,可以得到不同的信號強度指示值。然后對信號強度指示值進行離散率分析,根據(jù)得到離散率值就可以判斷,滿足預設的信道要求表示該信道所處的網絡性能良好,信道噪聲比??;不滿足預設的信道要求表示該信道所處的網絡性能較差,信道噪聲比大。針對不滿足預設的信道要求的,可以通過調整ZigBee設備的位置,頻段的匹配調整或增加中繼,來提高系統(tǒng)的通信效果及通信的可靠性。


3 系統(tǒng)時鐘同步實施
由于中心節(jié)點子網與分布式子網之前是無線傳輸?shù)模员O(jiān)控中心和通信管理機之間信息傳輸會存在延遲,并且串口線之間進行信息傳輸也需要傳輸時間。例如,在某一時刻,監(jiān)控中心獲取當?shù)貢r間為T,監(jiān)控中心進行信息打包處理時間為ΔT1,監(jiān)控中心將打包處理后的信息傳輸給通信管理機的時間為ΔTc,通信管理機接收到打包處理后的信息后進行解包處理,解包處理時間為ΔT2,通信管理機如果將T作為當前時間修正本地時鐘,則這次修正是不正確的,因為通信管理機修改本地時鐘的那一時刻,標準時間應該是T+ΔT1+ΔTc+ΔT2,因此,若監(jiān)控中心在T時刻,將T+ΔT1+ΔTc+ΔT2作為標準時間發(fā)送至通信管理機,時鐘修正才是準確的。
其中,ΔT1+ΔTc+ΔT2的確定方法是通過測延遲報文來實現(xiàn),測延遲報文通常是在初始化時和通信鏈接中斷后又恢復時進行的,測延遲報文的具體流程為:在T+ΔT1+ΔTc+ΔT2時刻,通信管理機收到時鐘同步命令后,通信管理機同時發(fā)送確認命令,確認命令的長度與收到的時鐘同步命令的長度相同,彎曲部位易受到管壁的摩擦和機械損傷從而導致110 kV高壓電纜產生扭曲,管壁和電纜線之間發(fā)生摩擦損傷。如果在設計階段沒有充分考慮施工時對電纜的影響,尤其是當電纜路徑的轉彎半徑不足或轉彎處的側壓力過大時,管道中的殘渣將對電纜的外護套造成致命損傷,并且可能會導致金屬護套變形、主絕緣變形,這將給后面的電纜附件制作造成難題,也給后期的運行維護埋下安全隱患。


4 安科瑞光伏電站電力監(jiān)控裝置及解決方案
4.1 交流220V并網
交流220V并網的光伏發(fā)電系統(tǒng)多用于居民屋頂光伏發(fā)電,裝機功率在8kW左右。戶用光伏電站今年發(fā)展非常迅猛,根據(jù)國家能源局網站提供的數(shù)據(jù),截至2021年6月底,全國累計納入2021年國家財政補貼規(guī)模戶用光伏項目裝機容量為586.14萬千瓦,這相當于6個月在居民屋頂建造了四分之一個三峽水電站。


部分小型光伏電站為自發(fā)自用,余電不上網模式,這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置,避免往電網輸送電能。光伏電站規(guī)模較小,而且比較分散,對于光伏電站的管理者來說,通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要,安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面:
4.2 交流380V并網
根據(jù)國家電網Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網技術規(guī)定》,8kW~400kW可380V并網,這類分布式光伏多為工商業(yè)企業(yè)屋頂光伏,自發(fā)自用,余電上網。分布式光伏接入配電網前,應明確計量點,計量點設置除應考慮產權分界點外,還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置,其設備配置和技術要求符合DL/T 448的相關規(guī)定,以及相關標準、規(guī)程要求。電能表采用智能電能表,技術性能應滿足國家電網公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置,應安裝采集設備,接入用電信息采集系統(tǒng),實現(xiàn)用電信息的遠程自動采集。
光伏陣列接入組串式光伏逆變器,或者通過匯流箱接入逆變器,然后接入企業(yè)380V電網,實現(xiàn)自發(fā)自用,余電上網。在380V并網點前需要安裝計量電表用于計量光伏發(fā)電量,同時在企業(yè)電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表,用于計量企業(yè)上網電量,數(shù)據(jù)均應上傳供電部門用電信息采集系統(tǒng),用于光伏發(fā)電補貼和上網電量結算。
部分光伏電站并網點需要監(jiān)測并網點電能質量,包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等,需要安裝單獨的電能質量監(jiān)測裝置。部分光伏電站為自發(fā)自用,余電不上網模式,這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置,避免往電網輸送電能。
這種并網模式單體光伏電站規(guī)模適中,可通過云平臺采用光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和儲能系統(tǒng)運行數(shù)據(jù),安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面:


4.3 10kV或35kV并網
根據(jù)《國家能源局關于2019年風電、光伏發(fā)電項目建設有關事項通知》(國發(fā)新能〔2019〕49號),對于需要國家補貼的新建工商業(yè)分布式光伏發(fā)電項目,需要滿足單點并網裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求,支持在符合電網運行安全技術要求的前提下,通過內部多點接入配電系統(tǒng)。
此類分布式光伏裝機容量一般比較大,需要通過升壓變壓器升壓后接入電網。由于裝機容量較大,可能對公共電網造成比較大的干擾,因此供電部門對于此規(guī)模的分布式光伏電站穩(wěn)控系統(tǒng)、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。
光伏電站并網點需要監(jiān)測并網點電能質量,包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等,需要安裝單獨的電能質量監(jiān)測裝置。
上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖,光伏陣列接入光伏匯流箱,經過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據(jù)情況可不設置),經過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網。由于光伏電站裝機容量比較大,涉及到的保護和測控設備比較多,主要如下表:


5 結束語
本文所提供的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng),已經應用于屋頂分布式光伏發(fā)電、漁光互補發(fā)電、農光互補發(fā)電等多種場景,運行穩(wěn)定,通信可靠,大大節(jié)省了項目的投資成本,用戶反應良好


【參考文獻】
[1]李鐘實.分布式光伏電站設計施工與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2018.
[2]李小秋.分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)的應用開發(fā).
[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06版.



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