一種分布光伏并網監控系統的設計與實現

吳小歡 孟浩杰 鄧悅懷 唐正濤 趙明朗 喻擎蒼

摘? 要：在我國分布式光伏發電迅速發展情況下，該文針對目前電網對接入光伏的電能質量和孤島防護缺乏有效監控等問題，設計并實現一種分布光伏并網監控系統。該系統包括本地監控系統和遠方智能監管平臺兩大部分，具有電能質量監測，孤島防護，電壓、電流、頻率微機保護等功能，并實時上傳遠方智能監管平臺，能在遠方智能監管平臺操控本地斷路器實現遠程調控。該系統組合出多種形式的一次柜。

關鍵詞：分布光伏；并網；電能質量；監控；監管平臺

中圖分類號：TM615? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0039-04

Abstract： With the rapid development of distributed photovoltaic power generation in China， this paper designs and implements a distributed photovoltaic grid-connected monitoring system in view of the lack of effective monitoring of the power quality of connected photovoltaic and island protection. The system includes two parts： the local monitoring system and the remote intelligent supervision platform， which has the functions of power quality monitoring， island protection， voltage， current and frequency microcomputer protection， and uploads the remote intelligent supervision platform in real time. It can operate the local circuit breaker in the remote intelligent supervision platform to realize remote control. The system combines various forms of primary cabinets.

Keywords： distributed photovoltaic; grid-connected; power quality; monitoring; supervision platform

在全球生態環境持續惡化的背景下，風力發電、太陽能發電等新一代清潔能源已成為世界各國新能源發展的主要目標。光伏發電有建設周期短、使用壽命長、投資回報率高等特點，近幾年來光伏電站發展迅猛，截至2016年底，我國光伏發電累計裝機容量77.42 GW， 位居全球第一[1]。根據國家能源局印發的《電力發展“十四五”規劃工作方案》[2]，至2025年我國光伏發電規模將達到5 600 GW以上。

但光伏發電除了發電量不受控等問題外，對電網側而言仍存在其他問題亟需解決，特別是對廣大的分布式光伏[3]，主要有：①對接入的光伏電能質量缺少有效監控[4-5]，隨著光伏占比的不斷提升對電網電能質量的影響日益增加。②系統檢修人員對每臺逆變器的防孤島裝置是否已經正確動作、是否可能誤重合缺少有效監控，存在引發檢修人員人身事故的巨大風險。

近年來，對光伏電能質量監控的研究不斷增加。黃海濤[6]設計了帶有電能質量監測模塊的以Zigbee網絡協議為基礎的工業用電一體化監控系統。宋池[7]針對性地設計了電能質量監測系統，利用搭建的光伏電站的仿真模型，模擬實際發電參數，利用差值解決精度差異，模擬不同狀態下光伏電站的電能質量。李琴等[8]對于光伏電站的監控系統的檢測數據類型不夠廣泛的問題，設計了一種基于NB-IoT的可以自主選擇檢測數據的光伏電站監控系統，但是并未提到光伏電能質量的檢測數據類型。毛亞峰[9]設計一套具有實時數據監測、智能控制、遠程監控、移動端數據監測、電能質量分析和數據庫管理等功能的微電網監控系統。

本文設計并實現了一種分布光伏并網監控系統，該系統具有電能質量監測，孤島監測和防護，電壓、電壓、頻率微機保護等功能，并實時上傳遠方智能監管平臺，能在遠方智能監管平臺操控本地斷路器實現遠程調控。該系統可用于光伏站進出線柜。

1? 光伏并網監控系統總體設計

本文設計并實現的光伏站并網監控系統包括本地監控系統和遠方智能監管平臺兩大部分。這2套系統均采用功能模塊化設計，具有系統擴展和后續升級的便利性。

1.1? 本地監控系統

本地監控系統安裝在光伏站的一次柜中，主要由電量采集、保護、斷路器控制、通訊、主控器和本地顯示等模塊組成，如圖1所示。

電量采集模塊對電壓、電流、頻率等電氣量進行采集，并得出偏差、諧波、波動和不平衡等數據。

保護模塊提供過欠電壓、高低頻、電流三段、防孤島和跳閘后自重合等保護動作。

斷路器控制模塊驅動電動操作機構，實施斷路器的開合。

通訊模塊中包含有線城域網和無線4G/5G與遠方智能監管平臺構成通訊，另外預留LoT用于本地柜子間通訊，減少柜間控制電纜的布線量。

主控器是樞紐功能部件，與上述各部件之間實行星形以太連接，協調電量采集、保護控制、遠方通訊、斷路器操作、遠方遙控和保護參數遙調等。

1.2? 遠方智能監管平臺

遠方智能監管平臺的功能層級如圖2所示。這些模塊按類型可分為用戶管理、數據庫操作、場站信息設置、保護參數設置、消息事件、數據分析和調度員指令等。

2? 光伏并網監控系統的實現

2.1? 主控制器與通訊

主控制器的主控芯片采用STM32H750，Cortex-M7內核，工作頻率480 MHz，128 KB閃存，16 KBI緩存加16 KB的D緩存可實現零等待執行，具有雙精度浮點單元，加密/哈希硬件加速，LCD-TFT控制器接口支持雙層圖形，JPEG硬件加速器，包括FD-CAN、USB 2.0高速/全速、以太網MAC和攝像頭等35個通信接口，32位并行接口支持SDRAM存儲器。

本文以STM32H750為基礎的主控板實現如圖3所示。根據與各部件的連接需求，引出一路485口連接電量采集模塊，一路CAN連接斷路器控制器模塊，自定義改裝一路485連接保護模塊，一路串口連接串口屏作為本地顯示。

考慮到通訊是必選的模塊，因此本文將通訊部分直接布置在主控板上，以減少模塊數量和連線布置。4G模塊采用EC200N，支持WiFi，支持STA、AP模式，最大下行10 Mbps，最大上行5 Mbps。以太網口接自主控芯片。

2.2? 保護與電量采集

保護與電量采集等裝置和部件已有相當長時間的運行經驗，裝置和部件已較為成熟，可靠性高，并且相當一部分裝置和部件具有一定能力的通訊能力。量產裝置和部件的集成應用可極大拓展本系統的包容性并降低成本。

但目前大部分部件采用半雙工485總線，也就是說只能由主控制器發起通訊來獲取數據，部件無法主動發起匯報。此外，保護裝置必須有斷路器當前狀態的輸入才能正確動作，斷路器當前狀態的獲取是將斷路器的輔助觸點接入保護裝置，這種接入不是485總線能夠直接提供的。

為了能將現有保護裝置集成到系統中，本文設計并制作了一種保護融合板如圖4所示，該板自定義了一種總線接口，在原來半雙工485基礎上利用了空余的絞線，增加了斷路器狀態線和中斷線。工作流程如下：①斷路器狀態線通過遷移繼電器將斷路器的開合狀態遷移到融合板上，再輸入保護裝置；②保護的跳閘和合閘出口接入融合板，合并后通過中斷線向主控器提出中斷申請；③主控器的中斷立即發起標準485通訊，讀取保護動作事件；④主控器根據動作事件，向斷路器電操發出跳閘或合閘指令。

電量采集模塊的集成。作為非即時響應模塊，半雙工485Modbus協議的第三方電量模塊均可集成到本系統，采用115 200 bps波特率輪詢讀取電量參數，主要有：三相相電壓、線電壓、相電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、三相電壓不平衡度，以及三相相電壓和相電流的1～25次諧波等等。

2.3? 本地控制與設置

為節省成本，本地顯示是用戶可選模塊，本系統支持800*400觸摸串口屏用作本地的顯示、控制和設置，提供了一次接線圖、總體電能質量、各次諧波參量、當前發電信息、本周發電信息、本月發電信息和設備參數設置7個頁面。一次接線圖以圖形化方式顯示了所配置的一次設備和斷路器投切狀態，反映一次系統的運行方式；電能質量界面展示了線電壓、相電壓、線電流、頻率，以及有功、無功和視在功率等電量信息，作為電能質量重要參數的諧波包括了并網點相電壓和出線相電流的1～25次諧波，電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡、頻率偏差和諧波等電能質量超標參數即用警示色顯示，并立即上報遠方智能監管平臺。

用戶在屏幕上觸摸斷路器圖標即可對該斷路器進行開合操作，以改變運行方式。屏幕上可操作的斷路器圖標是由qt的QButton控件派生而成，以實例形式疊加于一次接線底圖。圖5為本地保護設置界面，本系統有過/欠電壓、高/低頻、逆功率、聯跳、過流Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ段和跳后重合等保護，用戶可設置保護壓板是否投入、動作閾值和動作時延等。

2.4? 遠方智能監管平臺

遠方智能監管平臺通過采用分布式服務框架、緩存和消息隊列等中間件以及自動化測試和部署等技術，滿足高并發訪問、持久化存儲和共享訪問等需求。

后端服務采用Spring Boot和Spring Cloud框架，以及Spring Cloud中的Eureka、Feign、Hystrix等組件實現。后端服務采用微服務架構，包括用戶認證、實時數據采集、遠程命令管理、設備告警和設備管理等，通過REST API或RPC接口進行通信，使用Redis和ActiveMQ消息隊列等中間件進行緩存和異步處理，以提高系統的并發性能和響應速度。

本文開發了數據采集前置機系統，將業務系統與數據采集和控制系統解耦，極大提升平臺的可擴展性。數據庫使用了多副本和分布式分區等技術，以保證數據的安全性和可用性。同時，還使用了MongoDB和HBase等NoSQL數據庫作為輔助數據存儲，以支持非結構化和半結構化數據存儲和訪問。

可視化展示和操作平臺采用React和Redux框架，以JSON數據傳輸格式通過HTTP協議向后端發送請求，響應的數據以列表或地圖模式顯示。圖6顯示了監管區間內的光伏站，電源質量正常和異常的站點用不同顏色區分。

點擊場站圖標即可進入廠站子系統，圖7顯示的是該廠站主接線和即時運行狀態。該圖的每個可遙控斷路器均用Ant Design UI組件庫的Button控件設計，點擊主接線圖的斷路器控件即可操作遠方斷路器的合閘與跳閘，斷路器動作后該站點的主接線也會實時更新。

所有包括電能質量在內的電參量均上傳到監管平臺分析顯示，也可在監管平臺對遠方的保護進行設置，在此不詳細敘述。

3? 光伏并網監控系統的應用

本地監控系統可設計出幾種形式的一次柜。圖8（a）顯示了完整版進出線柜。對于沒有進線的出線柜，可以精簡掉電量采集和保護模塊，通訊模塊中也可以去除WAN和4G通訊模塊，僅僅保留LoT與進出線柜的通訊，如圖8（b）。簡化進出線柜中精簡掉一次側出線斷路器以降低成本，如圖8（c），同時可以讓現有光伏站保留原有的接線方式，減少改造施工量，相當于在升壓器前增加了電能質量分析、防孤島、低壓保護和通訊等功能。

（a）? 進出線柜? ? ? ?（b）? 出線柜? ? ?（c）? 簡化進出線柜

在出線回路數較多的場合，一臺進出線柜可以與多臺出線柜并接以擴大出線回路數，如圖9所示。

4? 結束語

本文設計并實現了一種分布光伏并網監控系統，該系統采用功能模塊化設計，具有較好的擴展便利性和組合多樣性。

該系統的本地監控系統集成了電量采集模塊，能對光伏并網點實現有效的電能質量監控。設計的保護融合板能夠兼容現有保護部件。模塊間的連接線均采用標準8芯屏蔽絞線和RJ45插接頭，有效減少柜內接線工作量，更換方便。

該系統的遠方智能監管平臺具有遙測、遙訊、遙調、遙控能力，界面直觀，可視性強，操作方便。

參考文獻：

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