甘肅黑河50MWp光伏發電工程監控系統設計與應用

郭 琳

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

甘肅黑河水電50MWp并網光伏發電工程位于張掖市甘州區西南，距張掖市區20km，海拔高度1670m。電站場址距張掖330kV變電站10km，距110kV黑開變電站2km。工程區多年平均太陽總輻射量6129.96MJ/m3，多年平均日照小時數3110.5h，最大陣風風速2.7m/s，沙塵天數7d/a，年平均氣溫7.3℃，場地開闊、平坦，交通便利。工程裝機容量為50MWp，工程占地約1.2km3。

本工程光伏并網發電系統，采用分塊發電、集中并網方案，整個發電系統由50個1MWp光伏發電子系統組成，每個光伏發電子系統分別經過一臺0.27kV/0.27kV/35kV升壓變壓器將電壓升至35kV，35kV電纜接至電站110kV升壓變電站35kV配電裝置，經總升壓變壓器將電壓升至110kV，以1回110kV架空線路送至電力系統。電站按“無人值班”(少人值守)的原則設計，采用計算機監控。電站組件的自動化元件、SVG系統、光功率預測系統、有功功率系統均滿足計算機監控的要求。

1 設計要求

監控系統是系統中主要的人機接口，是整個變電站監控運行的中心。通過通信網獲得全站電氣量、開關量、保護信息及各種文件信息，經其進一步處理，保障整個系統安全運行，并滿足下列要求。

（1）數據的實時采集和處理。實時采集陣列輸出電壓、電流、環境參數(輻照度、溫度、風速)、逆變器輸出電壓、電流以及蓄電池端電壓、蓄電池溫度、蓄電池充電電流等數據上傳至上位機，并作預處理，存于實時數據庫，供計算機系統用于畫面顯示、控制調節、報表統計，操作管理和故障分析定位等。

（2）數據的實時顯示。根據需要調用數據庫內容，更新畫面，顯示調用方式、報表、模擬量趨勢曲線、報告接口、歷史數據等。

（3）運行及故障的監測。實時監測光伏發電系統運行狀態，在設備故障時，監控系統立即發出警報，顯示故障的時間和故障原因。根據警報的優先級發出不同報警信號,通知工作人員。具有報警(包括電話語音報警)，報警等級修改，報警匯總，報警歷史記錄等功能。

（4）打印功能。用于實時打印事件、報警信號、報表、歷史數據、報警記錄等數據。

（5）遠方調度功能。該系統能保證在無人值班的條件下安全可靠運行,應具有遙測、遙信、遙控、遙調功能，遙測、遙信除送地調監控外，還需送往省調、集控中心，信息通過遠動通道傳送，通信規約遵循國際通用的標準通信協議。

（6）系統自診斷與自恢復功能。系統設備有自診斷功能，設備異常有報警信號，設備本體有LED信號指示，系統各設備不僅自檢，還可通過網絡進行設備間的互檢，形成系統檢測報告。并將系統異常情況及時報警通知運行人員以及時處理，且可對某些異常情況進行恢復或冗余部件切換處理。

2 系統總體結構

圖1 黑河光伏發電工程監控系統結構框圖

黑河50MWp光伏發電工程監控系統采用分層分布式結構，由站控層、網絡層及現地控制單元構成。站控層主要完成信息的收集和綜合處理，配置操作員站、工程師站、培訓站、遠動站等。站控層設備均布置在相應的二次屏室及逆變器室內。根據國家電力監管委員會主席辦公會5號令的要求配置計算機監控系統安全防護方案。

主控機和現地單元通過以太網連接；現地層主要包括測控單元、與站控層網絡的接口以及和繼電保護通信接口裝置等，通過總線與CPU連接；站控層設備及現地層設備均按工程實際建設規模配置。站控層設備及現地層設備均布置在相應的二次屏室及逆變器室內。網絡層包括網絡交換機光/電轉換器、光配線架（盒）、接口設備、網絡連接線、電纜、光纜及網絡安全設備等；實現網絡傳輸速率不小于100Mbps，構成分布式高速工業級以太網，實現站級單元的信息共享以及站內設備的在線監測、數據處理以及站級聯鎖控制，設備組屏布置。系統結構圖如圖1所示。

圖2 保護配置圖

圖3 環境監測器總體結構圖

圖4 系統軟件結構框圖

3 系統硬件

黑河50MWp光伏發電工程監控系統硬件主要是由上位機系統、光伏逆變現地單元、保護裝置及環境監測儀等部分組成。

3.1 上位機系統

上位機系統監控主機、工程師站、遠動通信設備、智能接口設備、GPS設備、各種語音提示設備及打印機等構成。

主機兼操作員站，監控主機用作站控層數據收集、處理、存儲及網絡管理的中心。操作員站是站內監控系統的主要人機界面，用于圖形及報表顯示、事件記錄及報警狀態顯示和查詢，設備狀態和參數的查詢，操作指導，操作控制命令的解釋和下達等。運行人員可通過操作員工作站對變電站各一次及二次設備進行運行監測和操作控制。遠動工作站通過遠動通道向調度端傳送信息。

3.2 現地控制單元

現地控制單元（LCU）是監控系統的核心組成部分，也是聯系整個監控系統的紐帶。光伏逆變現地單元的測量及控制是通過逆變器室內安裝的數據采集柜實現。數據采集柜用于采集、處理光伏電站系統中逆變器室內電氣設備、室外箱變及匯流箱數據，可與光伏并網逆變器、匯流箱、室外箱變進行通訊，既可以對單臺逆變器進行監控，也可以對數臺逆變器進行監測。具有多種數據通訊接口，包括RS485標準串口、USB、網絡通訊等。

每套數據采集柜包括1套通信服務器及1套數字式綜合測控裝置。

3.2.1 通信服務器應具有的特點

（1）采用32位高性能單片機和商用實時多任務操作系統。

（2）內置GPS硬件對時插件用于全系統時鐘同步，應滿足與電站主監控系統的對時要求，時鐘偏差不大于1ms。

（3）應具有高速可靠的網絡通信接口用于系統擴展。

（4）應有靈活的在線、離線調試手段，可靠的程序升級、下載參數及數據查詢功能，滿足日新月異的網絡信息時代要求。

（5）對監控主網采用光纖通信口，對現地設備采用異步通信口，并支持同步通信方式。支持 IEC 870-5-101/103、DL 451-1991（國標 CDT）、N4F-POLLING等各種標準通信規約，并可根據用戶要求單獨進行特殊規約的開發。

3.2.2 數字式綜合測控裝置應具有的特點

主要功能包括：開關量信號采集、脈沖信號采集、編碼信號采集、溫度信號采集、直流信號采集、交流量信號采集、開關量控制輸出、模擬量信號輸出/遙調、遠方就地操控、以及各種通訊接口等。

配置有GPS硬件對時電路，便于全系統時鐘同步。通信接口配備高速以太網絡通信（支持電或光接口），同時支持雙串口通信連接，支持IEC 60870-5-103標準通信規約。

3.3 保護裝置

與集成電路型模擬式保護相比，微機保護裝置功能齊全、運行靈活、可靠性高、抗干擾能力強、具備自檢功能、價格適中、且能方便地與本站計算機監控系統接口。結合本站自動化水平的要求，本監控系統采用微機型繼電保護裝置，由線路保護、母差保護、故障錄波、主變壓器保護等構成。配置示意圖如下圖2所示。

110kV線路保護采用四方公司CSC-163AZ1微機光纖縱差保護測控裝置，該裝置實現高壓線路的保護和測控功能，以微機光纖縱差保護為主保護，以三段式相間距離、三段式接地距離及四段式零序方向電流保護為后備保護，獨立組屏安裝。

110kV母線及35kV母線采用南瑞繼保公司RCS-915AB母差保護，用于單母線接線，含斷路器失靈及失靈啟動功能。

主變壓器保護由南瑞繼保公司RCS-9671CS-2TP型微機變壓器主保護、RCS-9661CS-2TP型微機變壓器非電量保護、RCS-9681CS-2TP型微機變壓器高低壓測后備保護裝置構成，采用“啟動+出口”方式。保護出口采用跳閘矩陣方式，可靈活整定。差動保護是對變壓器繞組和引出線上發生故障時，其保護瞬時動作，跳開各側電源斷路器；瓦斯保護反應于油箱內部所產生的氣體或油流而動作，其中輕瓦斯動作于信號，重瓦斯動作于跳開變壓器各側電源斷路器。可實現15路非電量保護，其中8路非電量保護可以通過CPU延時發信號或跳閘。

35kV線路及10kV線路保護采用RCS-9611CS系列微機線路保護測控裝置，該微機線路保護測控裝置實現中低壓線路的保護和測控功能，配置三段電流電壓方向保護。保護測控裝置在開關柜就地安裝。

3.4 環境監測

光伏發電系統的能量密度低、隨機性強，所以構成的分布式發電系統的網絡拓撲結構與傳統的集中式發電系統的網絡拓撲結構有明顯的區別。光伏發電系統受環境因素影響較大，通過分析不同環境參數及電站運行數據的影響，不僅可以對電站性能進行評估，還對研究光伏電站運行特性，進行光伏電站優化設計，起著重要的作用。環境監測器主要監控系統工作環境，包括組件溫度、環境溫度、太陽輻照度、風速、風向等，環境監測器總體結構如圖3所示。本站應用Pcs9700系列光伏預測系統化，并采用MYSQL數據庫作為數據庫支撐平臺，存儲數值天氣預報、歷史氣象監測數據、歷史電氣量數據、歷史功率數據、短期超短期功率預測數據。

該系統要對上述實時氣象、發電量數據的采集、數值天氣預報的接入、以及未來光伏電站發電量的預測進行對比分析，并將上述分析結果提供給計算機監控系統。由計算機監控系統結合環境參數對電站的發電量進行測算，并通過實際發電量對整個電站的綜合轉換效率進行計算，為電網調度方合理安排發電計劃提供參考。

4 系統軟件

系統軟件管理整個系統資源，實現數據采集和處理、被測量的實時顯示、系統診斷、參數計算、數據庫管理等功能，應與系統的硬件資源相適應。除系統軟件、應用軟件外，還應配置在線故障診斷軟件，數據庫應考慮具有在線修改運行參數、在線修改屏幕顯示畫面等功能。

黑河50MWp光伏發電工程監控系統軟件基于WindowsNT4.0以上系統，采用面向對象的方法和模塊化及向上兼容的設計原則。嚴格滿足可靠性和實時性要求，同時在系統的組態靈活性、擴展性、可用性、維護性以及操作性等方面有了新的突破。該監控系統采用開放式的工作平臺，為多窗口多任務系統，人機交互界面友好，畫面美觀簡潔。系統的軟件結構框圖如圖4所示。

該軟件功能包括：（1）具有基本的應用功能，可以實現系統可靠運行必需的服務功能；（2）管理命令功能，登錄時需要用戶名和密碼，登錄系統后直接進入系統主控界面；為保證控制安全，系統根據權限不同開放不同界面，最高權限，系統完全開放；（3）報警功能，當系統出現異常時，能夠產生與發布報警(包括電話語音報警)，并將數據記錄和匯總，報警等級可以根據需要進行修改；（4）操作員監控功能，操作員可以設標志操作，通過人工設置確定操作權限及報警狀態，也可以改變報警限值，同時對設備進行人工控制及設點控制；（5）打印功能，各種報警報表打印、操作記錄打印、畫面和屏幕拷貝打印等功能；（6）數據顯示功能，能夠顯示模擬量趨勢曲線報告接口，同時具有歷史數據編輯及歷史數據處理功能；（7）系統管理功能，主要是系統配置、計算機時鐘、應用軟件監視管理、報表編輯、遠方調度等，可以實現數據記錄、數據庫編輯及更新、設點控制、單臺設備控制、SOE時鐘校正、遠方調度中心調度等功能。

5 結論

黑河50MWp光伏發電工程已于2012年12月20日并網試運行，監控系統運行穩定，設備硬件和軟件應用功能以及運行效果都達到了相關標準和技術要求。不但實現了光伏電站自動發電、預測發電量并網等的基本功能，而且為電站的穩定、安全運行提供了可靠的分析依據。使運行人員能夠及時了解電站的運行狀態，發現故障征兆，防止故障的惡化。該監控系統提高了整個電站的運行效率和管理水平，取得了好的社會效益和經濟效益。陜西水利

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