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                  淺析分布式光伏發電運維平臺的設計與實現

                   更新日期:2023-09-26 點擊量:29

                  王蘭

                  安科瑞電器股份有限公司  上海嘉定  201801

                  摘要:隨著光伏發電的不斷發展,對于光伏發電監控系統的需求也日益迫切,“互聯網+"時代,“互聯網+"的理念已經轉化為科技生產的動力,促進了產業的升級發展,本文結合“互聯網+"技術提出了一種針對分散光伏發電站運行數據進行實時數據采集、分析、處理,查看實時運行情況,并通過移動APP對光伏電站運行參數進行監控及日常管理的應用技術。

                  關鍵詞:互聯網+光伏發電站;遠程運維平臺;數據采集;TCP協議;UDP協議

                  0、前言

                  隨著光伏發電的不斷發展,對于光伏發電監控系統的需求也日益迫切,“互聯網+"時代,“互聯網+"的理念已經轉化為科技生產的動力,促進了產業的升級發展,本文結合“互聯網+"技術提出了一種針對分散光伏發電站運行數據進行實時數據采集、分析、處理,查看實時運行情況,并通過移動APP對光伏電站運行參數進行監控及日常管理的應用技術。

                  1、系統設計

                  1.1總體設計思路

                  光伏組件在接收充分光照后產生的太陽能通過蓄電池存儲轉化成電能,夜晚光照度減弱,蓄電池開始對用電器進行供電,循環往復工作,節省了非可再生資源,同時光伏發電的線路結構簡單操作方便,環保無污染,更節省了大量的人工?;诨ヂ摼W+的光伏發電管理系統,可以實現分散的光伏發電站網絡化統一管理。

                  本系統運行中,通過數據采集傳輸單元控制光伏電站數據采集控制單元,實時監控光伏發電站現場設備的運行參數和環境參數等并通過多種網絡接入方式,接入互聯網絡通信系統,將參數實時發送至后臺服務器,本地監控控制系統使用光伏發電監控主機對服務器接收到的數據分類匯總、分析、處理,生成圖表等并進行分析處理。手機可以監控APP端可以同步監控主機,顯示數據,對數據進行整理分析、獲取運行參數、查看實時運行情況,對光伏電站進行日常管理,不僅可以做到實時、移動監控,更可以降低運營成本,減少開支??傮w結構如圖1所示,具體實現的功能包括如下幾個方面:光伏電站數據采集控制單元、數據采集傳輸單元、網絡通訊系統、后臺服務器、光伏發電監控主機、手機APP。

                  1.2光伏電站數據采集控制、傳輸單元硬件設計

                  光伏電站數據采集控制傳輸單元主要是由溫度傳感器、光傳感器、溫濕度傳感器、風速風向傳感器、數字電位器、電磁繼電器、STM32F106單片機、網絡接入模塊及電路的接口部分組成。數據采集監控單元模塊將現場溫濕度、光照強度、風向風速以及發電單元發電參數等等通過網絡通信,發送至后臺服務器。同時,控制傳輸單元接收監控主機發送的各種控制命令,能遠程控制發電模塊的運行。后臺服務器實現采集數據的存儲、監控和控制系統的部署,及連接控制端,為光伏電站數據采集單元與監控系統之間建立聯系。后臺服務器主要功能模塊如圖2所示。

                  1.3移動監控平臺軟件系統設計

                  手機可以監控APP基于Android系統平臺進行開發,系統通過TCP協議及UDP協議實現APP與網絡后臺服務器監控系統的APP通信控制模塊通信。APP可以實時訪問后臺服務器,對光伏電站運行進行監控和控制操作,提供方便、快捷、實時地操作。手機APP客戶端軟件總體結構圖如圖3所示??蛻舳塑浖ㄟ^TCP協議對遠程服務器實現登錄及客戶端基本參數的傳輸。在完成客戶端基本運行參數傳輸處理之后,通過UDP協議同步監控主機參數,顯示光伏發電模塊數據,獲取運行參數查看實時運行情況,對數據進行整理分析,對光伏電站進行日常管理監控。

                  2、系統測試分析及結論

                  移動監控APP模塊,是光伏發電監控系統研究課題中,后臺監控系統的一個子模塊,為系統監控管理者提供移動監控平臺。系統前端數據監控采集模塊通過對各種傳感器對現場數據采集并通過GPRS遠程傳輸模塊將采集結果傳輸至后臺服務器,移動監控APP能實時與后臺服務器進行交互,實時顯示規定發電模塊運行狀態,并根據應用需要可向監控模塊發送控制命令對現場監控設備進行控制。經過測試,移動監控APP模塊各項參數及遠程控制的傳輸、顯示總體達到系統設計要求,下一步將在現有設計基礎上實現系統多機位實時監控,組網發電調度控制研發。

                  3、安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹

                  3.1概述

                  AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監測光伏站點的逆變器設備,氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括:站點監測,逆變器監測,發電統計,逆變器一次圖,操作日志,告警信息,環境監測,設備檔案,運維管理,角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺,及時掌握光伏發電效率和發電收益。

                  3.2應用場所

                  目前我國的兩種分布式應用場景分別是:廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業企業屋頂光伏,這兩類分布式光伏電站今年都發展迅速。

                  3.3系統結構

                  在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表,通過網關將采集的數據上傳至服務器,并將數據進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺,及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結構如圖所示。

                  3.4系統功能

                  AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構,任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據權限范圍監視分布在區域內各建筑的光伏電站的運行狀態(如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態、發電功率曲線、是否并網、當前發電量、總發電量等信息)。

                  3.4.1光伏發電

                  3.4.1.1綜合看板

                  ●顯示所有光伏電站的數量,裝機容量,實時發電功率。

                  ●累計日、月、年發電量及發電收益。

                  ●累計社會效益。

                  ●柱狀圖展示月發電量


                  3.4.1.2電站狀態

                  ●電站狀態展示當前光伏電站發電功率,補貼電價,峰值功率等基本參數。

                  ●統計當前光伏電站的日、月、年發電量及發電收益。

                  ●攝像頭實時監測現場環境,并且接入輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

                  ●顯示當前光伏電站逆變器接入數量及基本參數。

                  3.4.1.3逆變器狀態

                  ●逆變器基本參數顯示。

                  ●日、月、年發電量及發電收益顯示。

                  ●通過曲線圖顯示逆變器功率、環境輻照度曲線。

                  ●直流側電壓電流查詢。

                  ●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數查詢。

                  3.4.1.4電站發電統計

                  ●展示所選電站的時、日、月、年發電量統計報表。

                  3.4.1.5逆變器發電統計

                  ●展示所選逆變器的時、日、月、年發電量統計報表

                  3.4.1.6配電圖

                  ●實時展示逆變器交、直流側的數據。

                  ●展示當前逆變器接入組件數量。

                  ●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

                  ●展示逆變器型號及廠商。

                  3.4.1.7逆變器曲線分析

                  ●展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

                  3.4.2事件記錄

                  ●操作日志:用戶登錄情況查詢。

                  ●短信日志:查詢短信推送時間、內容、發送結果、回復等。

                  ●平臺運行日志:查看儀表、網關離線狀況。

                  ●報警信息:將報警分進行分級處理,記錄報警內容,發生時間以及確認狀態。

                  3.4.3運行環境

                  ●視頻監控:通過安裝在現場的視頻攝像頭,可以實時監視光伏站運行情況。對于有硬件條件的攝像頭,還支持錄像回放以及云臺控制功能。

                  3.5系統硬件配置

                  3.5.1交流220V并網

                  交流220V并網的光伏發電系統多用于居民屋頂光伏發電,裝機功率在8kW左右。

                  部分小型光伏電站為自發自用,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:

                  名稱

                  圖片

                  型號

                  功能

                  應用

                  光伏運維云平臺

                  AcrelCloud-1200

                  監測光伏發電功率、發電量、功率曲線、發電日月年報表、設備信息、故障報警、氣象數據等

                  應用于單臺逆變器數據采集和上傳云平臺

                  智能網關

                  ad8adebf6ea0e55895b95850a20cfc8

                  ANet-1E1S1-4G

                  嵌入式linux系統,網絡通訊方式具備Socket方式,支持XML格式壓縮上傳,提供AES加密及MD5身份認證等安全需求,支持斷點續傳,支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協議

                  防逆流裝置

                  (選用)

                  8410f34420207417a624f9e5eee99bc

                  ACR10R-D10TE

                  防止光伏系統向電網輸送功率,用于單相光伏發電系統

                  戶用逆變器

                  逆變器推薦:

                  華為戶用逆變器SUN2000-5/6/8/10/12KTL-M1

                  固德威GW8000-DT

                  錦浪GCI-1P(4-6)K,GCI-1P(9-10)K

                  推薦通訊方式RS485

                  3.5.2交流380V并網

                  根據國家電網Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網技術規定》,8kW~400kW可380V并網,超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點380V并網,以當地電力部門的審批意見為準。這類分布式光伏多為工商業企業屋頂光伏,自發自用,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/T448的相關規定,以及相關標準、規程要求。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,實現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380V電網,實現自發自用,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電量,同時在企業電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表,用于計量企業上網電量,數據均應上傳供電部門用電信息采集系統,用于光伏發電補貼和上網電量結算。

                  部分光伏電站并網點需要監測并網點電能質量,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測裝置。部分光伏電站為自發自用,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,系統圖如下。

                  這種并網模式單體光伏電站規模適中,可通過云平臺采用光伏發電數據和儲能系統運行數據,安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面:

                  名稱

                  圖片

                  型號

                  功能

                  應用

                  光伏運維云平臺

                  AcrelCloud-1200

                  監測光伏發電功率、發電量、功率曲線、發電日月年報表、設備信息、故障報警、氣象數據等

                  應用于多臺逆變器、計量儀表及氣象數據采集和上傳云平臺

                  智能網關

                  ad8adebf6ea0e55895b95850a20cfc8

                  ANet-1E2S1-4G

                  嵌入式linux系統,網絡通訊方式具備Socket方式,支持XML格式壓縮上傳,提供AES加密及MD5身份認證等安全需求,支持斷點續傳,支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協議

                  電能質量監測

                  9c32608d0b1c898983c9d33d417e758

                  APView500

                  電網頻率,電壓、電流有效值,有功功率、無功功率、視在功率及功率因數,電壓偏差,頻率偏差,三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度;三相電壓、電流各序分量;基波電壓、電流,功率、功率因數、相位等,諧波(2~50次)。包括電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波電壓、電流含有率、有效值、功率等,諧波群,間諧波電壓波動、閃變??奢斎?7.7V/100V或220V/380V。

                  靜態無功補償

                  40d9cb336dd5ec017a7299d05a362c0

                  ANSVG100-400

                  光伏并網時主要提供有功功率,這樣市電側有功減少,而無功不變,這樣會導致功率因數降低,通過無功補償裝置可以提高系統功率因數。

                  防逆流裝置

                  ACR10R-D10TE4

                  防止光伏系統向電網輸送功率,用于三相光伏發電系統

                  直流電表

                  DJSF1352

                  DJSF1352

                  電壓輸入DC750V,電流輸入DC300A/75mV,在分布式光伏項目中適用于儲能回路等直流信號設備電量測量和電能計量使用

                  DJSF1352RN

                  圖片

                  PZ96L-DE

                  逆變器

                  逆變器推薦:

                  陽光電源組串式逆變器SG(30~110)CX系列、SG136TX、SG225HX、SG320HX

                  華為商用逆變器SUN2000-30/36/40KTL-M3、SUN2000-60KTL-M0、SUN2000-100KTL-M0

                  固德威GW(25~80)K-MT、GW100K-HT、GW120K-HT、GW136K-HTH等

                  錦浪GCI-3P(12-25)K、GCI-(25-110)K、GCI-(125-230K)-EHV-5G等

                  推薦通訊方式RS485

                  3.5.3 10kV或35kV并網

                  根據《國家能源局關于2019年風電、光伏發電項目建設有關事項通知》(國發新能〔2019〕49號),對于需要國家補貼的新建工商業分布式光伏發電項目,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。

                  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模的分布式光伏電站穩控系統、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(直流柜根據情況可不設置),最后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:

                  名稱

                  圖片

                  型號

                  功能

                  應用

                  光伏運維云平臺

                  AcrelCloud-1200

                  監測光伏發電功率、發電量、功率曲線、發電日月年報表、設備信息、故障報警、氣象數據等

                  應用于6MW以下光伏變電站

                  電力監控系統

                  Acrel-2000

                  電力監控系統,實現對光伏發電站。測、。信、???、異常報警、故障記錄和分析等功能,接收調度系統指令對光伏電站進行調節和控制。

                  并網柜

                  并網柜_副本

                  AZG光伏并網柜

                  容量涵蓋范圍廣,可涵蓋2000A以下用戶并網需求;

                  安裝方便,外觀美觀大氣;

                  可選配檢有壓合閘、失壓跳閘等功能,對光伏系統進行失壓,欠壓保護,及自動合閘功能;

                  可預留獨立鉛封計量室,光伏發電一目了然;

                  可根據客戶需求配用國內外品牌廠家元件;

                  可選配電能質量在線監測裝置檢測光伏發電系統的各電參量,并與后臺聯機通訊,實現智能化管理;

                  可選配防孤保護及逆功率保護功能;

                  具有RS485通訊接口,使用ModBus-RTU通訊協議

                  匯流箱

                  a481d9472adb957c701b81582f8d780

                  APV光伏匯流箱

                  防護等級為IP65,滿足室內外安裝要求;

                  采用霍爾傳感器,隔離測量,16路輸入;

                  耐壓DC1kV,熔斷電流可選擇;

                  可選電壓測量功能,測量電壓DC1kV;

                  具有RS485通訊接口,ModBus-RTU通訊協議;

                  可根據客戶需求配用國內外品牌廠家的光伏專用直流斷路器,光伏專用直流熔斷器、防雷保護器等元件。

                  智能網關

                  ad8adebf6ea0e55895b95850a20cfc8

                  ANet-1E2S1-4G

                  嵌入式linux系統,網絡通訊方式具備Socket方式,支持XML格式壓縮上傳,提供AES加密及MD5身份認證等安全需求,支持斷點續傳,支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協議,支持和調度系統遠動通訊。

                  微機保護測控裝置

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                  AM5SE

                  適用于35kV和10kV電壓等級的線路保護測控、變壓器差動、后備保護測控等功能

                  電能質量監測

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                  APView500

                  電網頻率,電壓、電流有效值,有功功率、無功功率、視在功率及功率因數,電壓偏差,頻率偏差,三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度;三相電壓、電流各序分量;基波電壓、電流,功率、功率因數、相位等,諧波(2~50次)。包括電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波電壓、電流含有率、有效值、功率等,諧波群,間諧波電壓波動、閃變??奢斎?7.7V/100V或220V/380V。

                  弧光保護裝置

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                  ARB5

                  集保護、測量、控制、監測、通訊、故障錄波、事件記錄等多種功能于一體,準確實時監測弧光信號,保護電流,適用于中低壓等級電網的弧光故障迅速切除裝置。

                  光伏匯流采集裝置

                  AGF-M16T

                  一次電流采用穿孔方式接入,20A,穿孔方式接入,安裝方便,安全性高

                  帶3路開關量狀態監測,可以對匯流箱內的防雷器、斷路器狀態進行監控

                  具有內部測溫功能,可實時監測箱內溫度,保證電氣安全

                  具有DC1500V母線電壓測量功能

                  具備RS485接口,Modbus-RTU協議,將監測數據上傳至后臺系統

                  直流電表

                  DJSF1352

                  DJSF1352

                  電壓輸入DC750V,電流輸入DC300A/75mV,在分布式光伏項目中適用于儲能回路等直流信號設備電量測量和電能計量使用

                  DJSF1352RN

                  圖片

                  PZ96L-DE

                  多功能電表

                  APM800

                  各電壓等級全電氣參數測量、計量和狀態量采集

                  逆變器

                  逆變器推薦:

                  陽光電源集中式逆變器SG500MX等

                  華為商用逆變器SUN2000-196KTL-H3、SUN2000-175KTL-H0等

                  固德威GW100K-HT、GW120K-HT、GW136K-HTH等

                  錦浪GCI-(125-230K)-EHV-5G等

                  推薦通訊方式RS485

                  【參考文獻】

                  1. 尹汪宏,蔣家欣.基于互聯網+光伏發電監控系統中的移動監控平臺設計與實現[J].科教導刊,2020年第03期1月(下)

                  2. 尚德威,張麗紅,倪晉平.基于單片機控制的嵌入式低功耗調制解調器[J].電子產品世界,2003(01):61-66

                  3. 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版

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