200 MWp光伏電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用

張衛(wèi)君,張顯兵,邱洋

(北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京 100038)

200 MWp光伏電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用

張衛(wèi)君,張顯兵,邱洋

(北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京 100038)

隨著環(huán)境和能源問題的日益突出,我國對太陽能光伏發(fā)電的政策支持力度也不斷加大,一大批百兆瓦級集中式光伏電站并網發(fā)電,使太陽能發(fā)電裝機在電網結構中占比不斷加大。大量的光伏電源接入電網后,對配電網的電能質量產生影響。可通過采用自動運行、功能完善的數(shù)據采集與控制、數(shù)據分析與預測診斷系統(tǒng),提高電站的自動化、信息化、智能化水平,以維護電網安全穩(wěn)定運行。本文以H9000計算機監(jiān)控系統(tǒng)在青海黃河共和產業(yè)園區(qū)三期200 MWp并網光伏電站的應用為例,介紹百兆瓦級集中式并網光伏電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的特點及解決方案。

H 9000;光伏電站;監(jiān)控系統(tǒng);200 M W p

0 引言

隨著環(huán)境和能源問題的日益突出,我國對太陽能光伏發(fā)電的政策支持力度也不斷加大,一大批百兆瓦級集中式光伏電站并網發(fā)電。“十三五”太陽能光伏裝機目標為150 GW,如達成此目標,則中國未來5年內平均每年的光伏裝機將突破20 GW[1]。若上述目標達成,那么到2020年底,太陽能發(fā)電裝機規(guī)模將在全國電力結構中占比7%。大量的光伏電源接入電網后,對配電網的電能質量產生影響。為維護電網的安全穩(wěn)定運行,需要通過逐步的應用與研究,建立一整套完備的、適用大型光伏并網電站的數(shù)據采集、監(jiān)視與自動控制、數(shù)據分析與預測的計算機監(jiān)控系統(tǒng),提高并網光伏電站的自動化、信息化、智能化水平。

青海黃河共和產業(yè)園并網光伏電站,位于青海省海南州共和縣恰卜恰鎮(zhèn)塔拉灘光伏發(fā)電園區(qū),距縣城18km,場區(qū)平均海拔2920m,總裝機容量600MWp。電站三期裝機200 MWp,共由3個區(qū)組成,其中Ⅷ區(qū)光伏陣列區(qū)共56個子陣,裝機容量66.5 MW,1～48號子陣采用平單軸跟蹤支架,49～56號子陣采用斜單軸跟蹤支架,均采用組串式逆變器。Ⅸ區(qū)光伏陣列區(qū)共68個子陣,裝機容量68 MW,其中1～48號子陣采用斜單軸跟蹤支架、組串式逆變器,49～68號子陣采用固定式支架、集中式逆變器。Ⅹ區(qū)光伏陣列區(qū)共59個子陣,裝機容量66.5 MW,均采用固定式支架,其中1～30號子陣采用集中式逆變器、31～59號子陣采用組串式逆變器。每個區(qū)設置1個匯集站,通過架空線匯入升壓站35 kV母線,經主變升壓至330 kV后接入電網。三期計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司H9000 V4.0系統(tǒng),實現(xiàn)3個匯集站及各子陣的數(shù)據采集、監(jiān)視與控制、AGC/AVC等功能。

1 系統(tǒng)整體結構

計算機監(jiān)控系統(tǒng)為分層分布開放式系統(tǒng),網絡采用星形+環(huán)網結構。監(jiān)控系統(tǒng)設備包括現(xiàn)地層183個子陣的數(shù)據采集柜,間隔層3個匯集站的公用測控柜和網絡柜,廠控層3臺主服務器、1臺AGC/AVC服務器、2臺遠程集控通信服務器、主干網交換機、路由器及時鐘系統(tǒng)。

現(xiàn)地每個子陣配置數(shù)據采集器和交換機,其中集中式子陣匯流箱和電度表信號經串口方式由采集器采集,逆變器與升壓箱變信號經交換機通過網絡方式由站控層主服務器采集;組串式子陣支架控制器、逆變器、電度表信號經串口方式由采集器采集,升壓箱變信號經交換機通過網絡方式由站控層主服務器采集。各匯集站分別配置數(shù)據采集器和交換機,數(shù)據采集器采集直流系統(tǒng)、電度表、消諧裝置信號,各進出線測控、母線保護裝置信號經交換機通過網絡方式由站控層主服務器采集。各區(qū)組串式子陣每7～8個子陣為一列、集中式每10個子陣為一列,每列子陣交換機通過環(huán)網串連接入匯集站交換機。監(jiān)控系統(tǒng)總體結構圖見圖1。

圖1 共和光伏三期監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)特點

2.1 海量數(shù)據集成與畫面監(jiān)視

光伏電站監(jiān)控的主要特點是設備多,數(shù)據量大,共和光伏三期電站共需監(jiān)控183個子陣和3個匯集站約80萬數(shù)據點。海量的數(shù)據點在數(shù)據庫文本集成、數(shù)據庫生成更新、數(shù)據庫讀寫等方面對監(jiān)控系統(tǒng)來說都是嚴峻的考驗。在數(shù)據庫結構設計上,嚴格按照H9000系統(tǒng)數(shù)據的“廠站-設備-類型-點名”4層結構[2],將每個區(qū)定義為一個廠站,每一列定義為一個設備,數(shù)據類型有“模擬量”、“開關量”、“脈沖量”、“綜合信息”等,點名按照“子陣號_設備名_點序號”編排,如:“GH10U.ZC01.ANA.Z01_NBQ1_001”代表Ⅹ區(qū)第一列1號子陣逆變器1的模擬量第一點。4層結構設計實現(xiàn)數(shù)據庫點快速定位查找,能很好的解決數(shù)據庫讀寫速度問題。同類型子陣的數(shù)據采集與控制點基本相同,點名的編排設計方式,增強數(shù)據庫文本的復用性與可替換性,提高集成效率。

在監(jiān)控系統(tǒng)畫面設計上,按照“分區(qū)-子陣-設備”逐級鏈接方式,共設計畫面2 000副左右。系統(tǒng)監(jiān)視畫面采用動態(tài)加載技術,使得畫面切換顯示更新時間和畫面動態(tài)數(shù)據刷新時間均在1 s以內。

圖2 子陣并網監(jiān)視總圖

圖3 集中式子陣逆變器監(jiān)視圖

圖4 組串式子陣逆變器監(jiān)視圖

2.2 通信協(xié)議種類多、數(shù)量多

光伏電站設備種類多,生產廠家多,數(shù)據通信協(xié)議各不相同,主要通信協(xié)議有 IEC104、IEC103-TCP、MODBUS、DLT645等,所有支持網絡協(xié)議設備經過交換機與主站服務器建立通信連接,其他支持串口協(xié)議設備與數(shù)據采集器建立通信連接,然后由數(shù)據采集器與主站服務器建立網絡連接。各通信協(xié)議連接設備及連接數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1 通信協(xié)議及連接數(shù)統(tǒng)計表

眾多的通信協(xié)議及連接,導致通信進程的管理及通信點表的集成與維護變得十分困難。在本監(jiān)控系統(tǒng)的設計中,在每個區(qū)的數(shù)據服務器上,對與同一設備廠家的通信啟用一個進程(主進程),然后由主進程創(chuàng)建及管理多個子進程,子進程數(shù)量即為通信連接路數(shù)。在各子進程的總召處理上采用錯峰廣播的優(yōu)化設計,避免多個子進程數(shù)據同步廣播導致網絡阻塞的問題。在集成通信點表時,首先建立一個設備的點表,通過編寫批處理腳本,實現(xiàn)點表的自動建立與批量替換。通信點表按照“協(xié)議類型/設備編號/點表”分層引用。數(shù)據采集器為中水科技公司ICS0208,將各類串口協(xié)議數(shù)據轉換為IEC104協(xié)議上送給服務器。

2.3 分層分布式AGC結構

光伏發(fā)電的特點決定了光伏電源的不穩(wěn)定性,為盡量減小對電網安全穩(wěn)定運行的影響,2011年國家電網公司頒布了《光伏電站接入電網技術規(guī)定》,提出了在光伏電站配置有功功率控制系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)AGC采用分層分布式結構設計,分為3層結構:站控層AGC、中間層(分區(qū))AGC、子陣AGC。站控層AGC接收調度指令,根據各區(qū)發(fā)電能力優(yōu)化各區(qū)功率分配,并根據各區(qū)返回總實發(fā)功率動態(tài)調整功率分配;分區(qū)AGC接收到總負荷后,根據各子陣并網逆變器臺數(shù)及額定容量在子陣間按照容量比例分配;子陣AGC根據子陣內并網逆變器臺數(shù)進行平均分配。因大型光伏電站龐大的逆變器數(shù)量,采用廠站AGC直接控制逆變器方式,AGC系統(tǒng)在控制過程中會形成大量的遙調和遙控通信報文下發(fā)阻塞延時或丟包,導致AGC控制響應速度慢、控制精度差, 3層AGC結構很好的解決這一問題。Ⅷ區(qū)AGC閉環(huán)控制試驗(5～20 MW)結果見表2。試驗結果表明調整15 MW負荷,調節(jié)時間在20 s內,調節(jié)精度高。

表2 Ⅷ區(qū)AGC閉環(huán)控制試驗(5～20 MW)結果

圖5 Ⅷ區(qū)AGC閉環(huán)控制試驗功率棒圖

3 智能化建設探討

光伏電站一般建在邊遠地區(qū),地理環(huán)境、自然條件較惡劣,不能按照以往的傳統(tǒng)方式進行分散維護和人工監(jiān)控,因此通過建立光伏電站智能化監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對光伏電站的有效監(jiān)控、診斷與檢修,對光伏電站的安全可靠運行,具有十分重要的現(xiàn)實意義。

3.1 通信協(xié)議統(tǒng)一化

光伏電站都是新建電站,設備容易實現(xiàn)標準化。可以考慮規(guī)定所有接入設備都采用IEC61850通信接口協(xié)議,將當前眾多的通信接口規(guī)范化。統(tǒng)一的標準通信協(xié)議,可以在提高通信效率的同時減小因通信接口過多導致故障率高的問題。

3.2 光功率預測與大數(shù)據分析

隨著光伏發(fā)電站在電網電源結構比重的增加,光功率預測系統(tǒng)變得尤為重要,光伏功率預測越準,光伏并網給電網的安全運行帶來的影響就越小,能夠有效的幫助電網調度部門做好各類電源的調度計劃。可以考慮通過對監(jiān)控系統(tǒng)多年歷史數(shù)據進行大數(shù)據分析,對同一地區(qū)不同天氣、不同時段功率數(shù)據的分析,得出更加準確的光功率預測結果,提高光伏電站運營管理效率。

3.3 設備智能診斷與檢修

光伏電站廠區(qū)面積大、設備龐多、環(huán)境惡劣,靠人工巡檢效率低下,檢修方式一般采用故障后檢修。可考慮在監(jiān)控系統(tǒng)中加入設備智能診斷子系統(tǒng),利用監(jiān)控系統(tǒng)的海量數(shù)據,建立數(shù)學模型,實現(xiàn)對光伏組件、逆變器、支架等設備健康狀況水平實時監(jiān)測與故障診斷,做到故障前計劃檢修,提高設備利用效率。

4 結束語

共和光伏三期200 MWp光伏電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)于2016年5月上旬開始現(xiàn)場安裝調試,至2016年6月底實現(xiàn)與電站并網發(fā)電同步投運。目前,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,AGC控制效果良好。H9000 V4.0計算機監(jiān)控系統(tǒng)在此項目的成功應用,進一步驗證了H9000系統(tǒng)對海量數(shù)據的超強處理能力,對系統(tǒng)在光伏監(jiān)控、新能源集控等項目的應用起到了良好的示范。

[1]國家能源局.太陽能利用十三五發(fā)展規(guī)劃征求意見稿[Z], 2015.

[2]王德寬,袁宏,王崢瀛,等.H9000 V4.0計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術特點概要[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2007(3).

TP273+.5

A

1672-5387(2017)07-0029-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.008

2017-04-27

張衛(wèi)君(1980-),男,高級工程師,從事計算機監(jiān)控系統(tǒng)及仿真培訓系統(tǒng)研究開發(fā)工作。