基于PS6000+的光伏電站電氣監控系統設計

張棋

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

近年來，由于全球能源緊缺、環境惡化，改變能源的消費結構，在能源供應方面走可持續發展的道路已成為人們的共識［1］，大力發展新能源和可再生能源，發展“低碳”經濟已經成為重中之重。光伏發電技術以其無污染、可再生等優點，得到了越來越多的關注與發展。

作為一種新興的電源項目，越來越多的光伏電站將接入主電網系統，與常規變電站綜合自動化系統相比，光伏電站總裝機容量在系統中所占比例較小，在電壓偏差、諧波問題、無功平衡等方面對主電網產生的影響也越來越值得注意［2］。

因此，提高光伏電站系統接入的電氣自動化水平及運行管理水平，加強對電能質量的監測研究，具有重要意義。本文結合青海錫鐵山10 MW并網光伏電站項目，以光伏電站的電氣監控實施為例進行相關分析。

1 工程概述

青海錫鐵山10MW并網光伏電站項目位于青海省海西州錫鐵山，實際建設裝機容量為10.0062MW。

在光伏發電場建設1座110 kV升壓站，該期10 MW光伏發電系統以每500kW為一個子系統，以10 kV電壓等級接入光伏發電場升壓站，光伏發電場升壓站出單回110 kV線路至錫鐵山(鹽湖)330 kV變電站的110 kV側。

該工程電壓分110 kV和10 kV 2個電壓等級，有2臺主變壓器。110 kV為單母線接線，主變壓器進線2回，110 kV出線1回，變壓器110 kV中性點經隔離開關直接接地;變壓器10 kV側為單母線分段接線，變壓器進線2回，饋線108回，電容饋線2回，所變饋線2回，均為電纜引出，變壓器10 kV中性點不接地;無功補償電容器為2組;光伏陣列每500 kW作為一個單元，合計20套逆變器。

主變壓器容量(1×31500+1×25000)kV·A，為高原型三相雙繞組油浸風冷有載調壓電力變壓器。

110 kV側配電裝置為戶外組合電氣，SF6斷路器配電動彈簧操動機構;隔離開關、檢修開關及快速接地開關配電動操動機構。10 kV側配電裝置選型為戶內真空開關柜，配彈簧操動機構。

光伏電站接收道海西州調度所調度，光伏發電場的信號通過光伏發電場的通信系統傳到區調度所的計算機，由海西州調度所提供調度信息。

2 電氣監控系統的范圍

根據該工程的電氣主接線和廠用電接線，電氣進入光伏電站監控管理系統及分散控制系統(DCS)監測和控制對象如圖1所示。

系統配置1套監控裝置，實時監測并網發電系統的運行參數和工作狀態。光伏全站監控管理系統采用以下方式運行:

(1)通過現場總線或網絡信道實時采集光伏終端(電池方陣、匯流箱、跟蹤器等)運行數據和狀態信息，實現遠程監視與控制。

(2)采集逆變器室內直流匯流柜、逆變器柜、交流配電柜、變壓器柜及其所含逆變器等裝置運行數據和狀態信息，實現逆變器室的遠程監視與控制。

(3)采集主變壓器保護、母線保護、饋線保護等裝置的運行數據和狀態信息。

(4)系統具備獨立運行能力，完成電氣系統的管理、控制、監視、測量、繼電保護、數據輸入和輸出、聯鎖、邏輯編程、信號、報警、通訊等全部功能。

圖1 監測和控制系統示意圖

3 總體設計方案

錫鐵山光伏電站監控系統由升壓站監控系統主網、方陣子站層(匯流箱系統子網，逆變器系統子網)和其他非電氣控制系統通訊網絡組成。

3.1 升壓站監控系統主網

根據GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》［3］的要求配置了相應的#1及#2主變壓器保護測控屏、110 kV母線測控屏、分散安裝的綜合保護裝置;各種智能設備以雙以太網(遠距離可使用光纖)的方式接入后臺系統(如圖2所示);同時，配置了全站GPS授時系統及微機“五防”系統。

3.2 逆變器系統

圖2 基于PS6000+的光伏電站綜合自動化系統結構圖

并網逆變器是光伏并網發電系統的重要設備之一。太陽電池組件把太陽能轉化為直流電能，經并網逆變器轉變為與交流電網同頻率、同相位的正弦波電流，饋入電網實現并網發電功能。可以采集及監視各項運行數據、故障數據、歷史故障數據、總發電量數據和歷史發電量數據等［4－5］;逆變器提供RS485或以太網通訊接口，接入方陣單元子站系統(如圖3所示)。

圖3 方陣單元(匯流排、逆變器)子站配置圖

3.3 匯流箱系統

匯流箱的接線方式為16進1出，即把相同規格的16路電池串列輸入經匯流后輸出1路直流。匯流箱配有16路電流監控裝置，對每1路電池串列進行電流監控，可以通過RS485通訊接口上傳到方陣單元子站系統。

3.4 其他智能IED設備

電能監測、電費計量、直流防雷配電柜等智能IED設備通過規約轉換器的方式接入網絡層。

3.5 同辦公自動化系統的互聯

辦公自動化系統(OA)可以通過網頁瀏覽的方式對光伏電站的電氣監控系統進行管理和觀測，極大地滿足了生產管理的需要。

3.6 同遠程監控系統的互聯

系統支持遠程監控系統對光伏電站的電氣監控系統進行管理和觀測［6］，遠距離光伏電站工程實現了遠程監控，節省了大量的人力和物力。

4 系統特點

4.1 系統安全及防護

根據國家經濟貿易委員會［2002］第30號令《電網與電廠計算機監控系統及調度數據網絡安全防護規定》，遵循國家電監會電監安全［2006］34號文《全國電力二次系統安全防護總體方案》的技術要求，該系統暫分為3個安全區(留有擴展接口)，即安全區Ⅰ(實時控制區)、安全區Ⅱ(非控制生產區)、安全區Ⅲ(生產管理區)。

安全區Ⅰ與安全區Ⅱ之間采用硬件防火墻或相當的設備進行邏輯隔離，禁止 E－mail，Telnet，Rlogin等服務穿越安全區之間的隔離設備。

安全區Ⅰ與安全區Ⅲ之間采用專用安全隔離裝置進行物理隔離。

4.2 冗余式、一體化設計

監控系統采用雙網雙主機熱備用冗余式設計，極大地提高了運行可靠性。10 kV保護、測控為一體化設計，可以直接采集TA及TV的數據以及斷路器開關位置信息等，這些數據均通過雙以太網的方式進入監控系統，避免了數據的重復采集。

4.3 系統特點

PS6000+系統采用跨平臺技術，支持Windows，Linux，Unix系統，可實現混合平臺應用，根據用戶需求靈活選擇軟硬件資源配置，進一步提高了系統的可靠性、易用性、經濟性等各項指標。

PS6000+系統的保護、測控等單元設備直接采用嵌入式以太網通信技術，設備內部各模塊之間采用無瓶頸的平衡式通信方式，大大減少了二次電纜的施工量，實現了整套系統的快速響應，為實現數字化電廠提供保障，最大限度地實現了信息的共享和系統集成。

在保證系統自身的安全性和完整性的同時，還充分考慮了其他智能IED設備的接入便利性。

5 存在的問題

如果考慮光伏電站監控系統同外部用戶辦公系統(或遠程Web子系統)互聯的話，不得不考慮網絡安全問題，工程上采用電力系統專用縱向加密系統及硬件防火墻技術。

電力專用縱向加密認證網關位于電力控制系統的內部局域網與電力調度數據網絡的路由器之間，用于安全區I/III的廣域網邊界保護(如圖2所示)，可為本地安全區I/II提供一個網絡屏障，同時為上、下級控制系統之間的廣域網通信提供認證與加密服務，實現數據傳輸的機密性、完整性保護。硬件防火墻技術用于安全區I/II的廣域網邊界保護(如圖2所示)，是阻擋外部不安全因素影響的內部網絡屏障，其作用是防止外部網絡用戶未經授權的訪問。

6 結論

隨著計算機技術和互聯網技術越來越多地應用于電力網絡發電與輸配電系統，將逐步形成一個智能型分布式再生能源電力網絡［7］。青海錫鐵山10 MW并網光伏電站項目電站監控系統進行組網設計，提高了監控水平和系統的可靠性，實現了電站的信息化、網絡化，經濟性好且方便擴建，為運行、檢修提供了極大便利。

［1］楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發電應用技術［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［2］桑妲.小型光伏發電系統并網對電網的影響［J］.上海電力，2008，21(2):132 －133.

［3］GB/T 14285—2006，繼電保護和安全自動裝置技術規程［S］.

［4］趙煒，孫曉.光伏電站的數據采集系統［J］.新能源，2000，22(9):1 －4.

［5］張臻，沈輝，蔡睿賢，等.太陽能光伏并網發展趨勢與投資成本分析［J］.電源技術，2008，32(10):713－717.

［6］陳超，茆美琴，蘇建徽，等.基于WEB的光伏電站遠程監控系統［C］∥第八屆全國光伏會議暨中日光伏論壇論文集.深圳:中國太陽能學會，2004.

［7］戴靖，何中一，邢巖.光伏并網發電技術綜述［C］∥中國電工技術學會電力電子學會第十屆學術年會論文集.西安:中國電工技術學會電力電子學會，2006.