基于物聯網和光纖環網的光伏電站集成監控系統方案

國電南瑞科技股份有限公司 ■ 周超 吳家祺

0 引言

光伏電站由光伏組件、匯流箱、支架、逆變器、氣象站、視頻監控系統、變壓器、配電裝置和升壓站(可選)組成，目前普遍采用基于光纖環網的監控系統對光伏電站進行監控[1]。在一些對可靠性有嚴格要求的項目中，常采用雙環網結構或采用“PRP+HSR”通信結構體系[2-4]，但采用雙環網結構時，由于通道和路徑鄰近，常同時發生故障；而由于光伏電站接入點的電壓等級通常在220 kV以下，對于完全采用“PRP+HSR”網絡以實現“N-1”冗余容錯能力及零時間間隔通信網絡切換并無必要[5]?；诖耍疚奶岢隽艘环N新的方案，構建了基于物聯網和光纖環網的光伏電站集成監控系統，與之前的方案相比具有更高的性價比。

1 光伏電站監控系統的組成和典型功能要求

光伏電站總體上由3部分構成：1)由光伏組件、支架、匯流箱、DC電纜、逆變器等部分構成的低壓(LV)部分，電壓水平在DC1500 V以下。2)由升壓變、12/20 kV開關柜、環網柜、站用變、AC電纜等構成的中壓(MV)部分，電壓水平在AC20 kV以下。3)為可選部分，由隔離開關、斷路器、電力變壓器、地下電纜或輸電線等構成的高壓(HV)部分，電壓水平在110 kV以下。相應的，光伏電站監控系統則由這3部分的自動化設備，以及氣象站、視頻監控系統等組成。

對于20 MW以上的光伏電站項目，其監控系統典型功能要求包括：

1)數據采集、控制、人機接口、報警信號生成、事件記錄、系統效率PR值測量[6]、報表管理。

2)提供數據庫備份機制，能在線訪問數據庫，進行發電效率的計算，提供日報、周報、月報、季報、半年報和年報。

3)作為逆變器和功率控制器的接口，能夠管理、控制和優化光伏場區的性能。

4)測量、數據交換和分析符合GB/T 20513-2006 標準[7]。

5)系統文檔、運行測試和檢驗符合GB/T 50796-2012 標準[8]。

6)數據和信息安全符合IEC 27002-2006標準。

7)監控系統放置在控制室的光伏電站數據采集與監控(SCADA)中心，能夠遠程訪問和操作逆變站監控系統、升壓站保護、遠程終端控制系統(RTU)、氣象站和視頻監控系統。

8)關鍵節點采用冗余設計，保證系統的高可靠性和可用性；符合技術規范和標準要求[9]。

9)系統維護性要求低，有完善的自檢及自測失敗告警功能。

10)系統配置UPS系統，當遭遇市電停電時，能提供3 h系統用電需求。

11)提供數據查詢功能，最小時間間隔為5 min，最大時間間隔為1年。事故發生或越限時，在1 s內產生報警信號。支持短信和Email方式告警。

12)逆變器的投入和退出、逆變器無功輸出、開關設備的投入和退出等控制操作，都具有遠程和當地兩種操作方式。

13)系統能控制并網接入點的電壓和功率系數[10]。

14)系統能產生和提供發電預測數據給運行人員和調度。

2 基于物聯網和光纖環網的光伏電站集成監控系統

從電站監控系統功能來看，需要保證電站的發電量和發電效率，以及進行較準確的負荷預測功能，還需要提供在線和歷史數據的訪問及存儲[11]，這些都要求監控系統具有較高的可靠性。

2.1 物聯網技術簡述[12-13]

物聯網技術是互聯網技術與嵌入式技術的綜合，它利用嵌入式技術中傳感技術對物理世界進行感知識別，并利用智能控制技術對物理世界進行控制調節。通過互聯網技術將現實的物理世界連接起來，實現感知數據與控制信息的遠程傳輸。通過網絡互連，實現了人與物之間的信息交互和連接，達到了人對物的遠程實時監測控制的目的。隨著物聯網技術的發展，傳感器與智能終端之間、智能終端與交換機之間可以通過無線方式實現數據的交互。

在物聯網設計構架中，有3層模型結構，分別是感知層、網絡層和應用層。其中，感知層通過各種傳感設備，如溫度傳感、濕度傳感、電流檢測、電壓檢測等感知器件獲取現場相關數據，是實現物聯網系統構架的基礎；網絡層是物聯網的精髓所在，通過各種遠程通信網絡將感知層采集的各種信息數據進行大范圍的連接傳輸；應用層則完成采集數據的存儲、分析、處理，針對實際應用為用戶提供個性化服務。

在變電站在線監測及變電站智能輔助系統中，物聯網技術得到了大量成功的應用。

2.2 光伏電站集成監控系統方案

基于物聯網和光纖環網的光伏電站集成監控系統的結構概念圖如圖1所示。

由圖1可知，光伏電站集成監控系統的結構分為3層：站控層、間隔層、過程層。

1)站控層采用雙星型總線形式，包括監控主機、服務器、交換機、一體化信息平臺、工程師工作站、遠動工作站、防火墻、路由器等；可以完成發電量的計算、發電效率的計算、數據采集和處理、發電控制，以及負荷預測，實現與調度、升壓站SCADA的通信，遠方命令的接收、執行和數據上送，以及與間隔層的通信、報表處理等。

2)間隔層采用光纖環網加星型結構，其中星型結構以光纖環網交換機為核心。主要包括逆變站單元、組件單元、氣象站單元、CCTV單元、升壓變壓器，以及線路的保護和測控單元、計量單元。逆變站單元數據中集成了組件單元和氣象站單元的數據，在這種情況下，只需保留逆變站單元即可。CCTV單元根據工程的性能要求，也可以直接和站控層總線連接。

圖1 基于物聯網和光纖環網的光伏電站集成監控系統的結構概念圖

3)過程層采用485總線或profibus 總線形式，包括光照傳感器、溫濕度傳感器、風速/風向傳感器、操作箱(或開關的執行機構)、攝像頭等。

與常規的基于光纖環網的監控系統結構相比，本系統是一冗余型結構，站控層的數據可以從有線通道光纖來，也可以從無線通道來，增加了可靠性。CCTV的攝像圖與主機、氣象站的傳感器和終端間，以及組件傳感器和終端間，可考慮采用無線連接方式，無線通道既可租用GPRS等4G公用通道，也可在光伏電站范圍內自建無線局域網。與光纖或網線等有線連接相比，這種方式的施工與運維更為方便[14]。

考慮到經濟性，不是所有的節點要求同時支持有線與無線通道，可依據其重要性及工程的性能要求選擇設置[15-16]。

圖1僅為集成監控系統的概念圖，在實際應用中，可根據可靠性、性能要求及經濟性要求進行裁剪及合理的變化。

2.3 光伏電站在線監測系統[12,17-19]

在光伏電站設計的國家標準及國際光伏電站總包項目中，對以運維為目的的在線監測系統無明確要求。但是，借鑒智能變電站和輸電線路在線監測的經驗，在本監控系統中集成在線監測系統是完全可行的。

隨著視頻識別技術的發展，CCTV的圖像定時發給監控后臺，在線監測軟件采用人工智能算法分析圖像，可及時檢測出各種設備故障、危險源及安全隱患。常見的設備故障類型包括：短路、支架垂直度偏差超范圍、局放超標、組件表面灰塵度超標、開關柜溫度越限。由于在線監測系統的實時性要求比集成監控系統低，可以考慮共用無線基站和通道，并根據工程需求配置適量的攝像頭、垂直度傳感器、局放傳感器、溫度傳感器等。通過人工智能算法分析[20]還可以發現設備的亞健康狀態，以及開發防盜功能。光伏電站在線監測系統概念圖如圖2所示。

圖2 光伏電站在線監測系統概念圖

3 結論

本文提出的基于物聯網和光纖環網的光伏電站集成監控系統方案包括光纖有線和無線兩種通道，較單光纖環網系統具有更高的可靠性和性能，較雙光纖環網和“PRP+HSR”方案具有施工方便和經濟性更好的優勢。在本集成監控系統方案的軟硬件平臺上易于集成在線監測系統，對提高光伏電站的可用性和效率具有積極意義。視頻識別技術和人工智能算法的應用和提升可使光伏電站的性能、效率及安全性得到進一步提高。

本集成監控系統方案已部分應用于一些國外的工程中，效果良好。在澳大利亞電力市場運行管理部門制定的光伏電站的技術規范中，明確提出通信信道要有主、備兩種，主信道用光纖，備用信道采用4G無線通信[14]。