淺析光伏電站監控系統方案選擇

梅雷

摘要：本文重點研究了環網光纖通訊和無線通訊方案的特點，在綜合考慮設備需求、施工難易、運維檢修和建設成本等因素的前提下，給出不同類型的光伏電站監控系統選擇方案。

關鍵詞：光伏電站;環網光纖技術;無線通訊技術

0 引言

光伏場區監控系統可以為匯流箱、逆變器、箱變等提供全方面的監控和實時控制，并為用戶提供豐富的信息界面，提供強大的分析處理功能和完善的報警監測機制。針對屋頂、地面、山地、水面、沉陷區等不同的場址狀況，如何結合施工、運維、建設成本等條件，綜合比較不同監控系統方案的實用性、經濟性和綜合效益，將成為一個值得研究的課題。

1 發展現狀和趨勢

國外在上世紀90年代就對光伏場區監控系統進行深入研究，且針對解決某一類特殊問題進行了部分系統數據量的采集和分析，1995年，美國可再生能源實驗室對兩座6kV并網型光伏電站進行了數據采集，根據氣候條件對理論值和實際值分析比較，評價了各器件的效率問題。國內也在早期開展了監控系統的研究工作，合肥工業大學率先開發了并網發電系統的數據采集和監控軟件包;中科院電工所以“組態王”為軟件開發平臺，以RS485總線為骨干，采用分層分布式方式的方式構建了監測系統現場網絡;近年來，華為技術有限公司按照云、管、端三層架構設計，通過高速PLC載波和無線通信技術成功實現光伏場區監控數據采集和傳輸。不同的場區通訊方案不僅在成本上存在差異，且對項目的施工、運維等也存在較大影響，在綜合考慮布線難度、后期維護、運行效率等情況的基礎上，最優選擇通訊系統方案成為當前亟待解決的問題。

2 通訊方案概述

光伏電站場區發電單元與主控室通信網絡是光伏電站系統的神經，擔負著傳遞測控信息，反饋故障狀態，實現電站有功功率調節和無功功率調節，起到光伏電站精細化運維的關鍵作用，是光伏電站內極其重要的通信網絡組成部分。

2.1環網光纖技術

光纖環網通信是光伏電站的主要通信方式之一，也是目前應用最為廣泛的光伏電站監控系統方案。每個發電單元內設置一個逆變升壓裝置，裝置內包含一臺集成環網交換機的箱變測控裝置，以此匯聚發電單元內的匯流箱、逆變器、視頻監控和火災報警等設備數據，通過與發電單元所在集電線路同路徑敷設的環網光纖，將光伏場區設備數據傳輸到升壓站（開關站）二次設備室內的光伏區通訊柜，再經柜內布置的環網交換機完成信號轉換后，采集的數據信息傳輸至站內后臺監控系統，進而完成數據顯示、設備控制等功能。

2.2 無線通訊技術

無線通信方案可以提供快速部署、高速通信、堅強安全的網絡，支撐端到端光伏電站建設。方案的網絡架構主要由信息采集層、終端設備層、無線接入層、核心設備及業務層組成，其中信息采集層包含數據采集器，由無線收發終端、手機終端等設備組成終端設備層，寬帶基站、路由系統等設備組成無線接入層，核心層及業務層則提供無線接入層和終端層的管理。

集中式光伏發電單元中的匯流箱、逆變器、箱變等設備信號均通過RS485通訊方式接入到獨立的通訊管理機或集成通訊管理機的箱變測控裝置的通訊串口，經過集中式接入方式將數據信息傳輸到無線收發終端;組串式光伏發電單元中的組串式逆變器借助交流電纜，通過PLC載波將設備數據匯聚到交流匯流箱，再經過RS485通訊方式將信號傳輸至數據采集器，數據采集器再將數據包以組串式接入方式傳送給無線收發終端。無線數據接入終端通過網口與信息采集設備相連，將數據包通過空中無線電磁波傳送給基站，借助基站天線將數據包接收下來，然后傳送給核心網，核心網依據路由器將數據包轉發到電站控制和業務中心。

3 方案對比分析

3.1 設備需求和成本分析

以100MWp光伏電站為主要類型，按照每個光伏方陣裝機容量為1MWp、5條集電線路、同一項目不同通訊方案考慮，對傳統環網光纖和無線通訊方案所需設備需求和成本進行分析（同一靜態計算基準期），詳見表1和表2 ：

3.2 施工和運維方面

傳統環網光纖方案施工難度主要體現在光纖敷設方面，環網光纖方案設備節點較多、敷設路徑較遠，以山地光伏電站為例，在采用電纜溝或直埋敷設方式下，在不考慮支架、蓋板等材料消耗的前提下，存在開挖難度較大、取土不易、溝內積水等問題;漁光互補光伏電站存在電纜橋架消耗量過大、水平力影響考慮樁基直徑加大等問題;沉陷區水上漂浮光伏電站存在穿管、固定、水位變化造成的電纜損壞等問題;此外，在上述因素影響下，導致的施工周期拉長、安裝成本較高，在一定程度上給具有“短、頻、快”特點的光伏電站帶來了不利影響。但是，傳統光纖環網方案在數據傳輸上的可靠性也為電站的后期運維帶來了一定便利。

無線通訊方案的主要設備集中在站內二次設備室，每個光伏發電單元只需安裝一個無線數據模塊，不受地形影響，設備節點較少，施工周期較短，且能通過配備手持終端，利用無線網絡進行集群通訊、視頻回傳和調度等運維、巡檢相關的通信功能，便于維護人員日常運維的同時，提高了現場的指揮調度能力，縮短了搶修時間，提高了應急能力。但是無線通信在成本、數據可靠性和安全性上存在一定劣勢。

4 結語

綜上所述，結合考慮施工難易、建設成本、運維檢修和數據可靠性等因素，無線通訊方案在按照相關要求設立安全接入區，并部署安全隔離、訪問控制和身份認證等安全措施的情況下，山地光伏、水上光伏可以考慮無線通訊方案;綜合環網光纖在成本、故障率低等優勢，地面光伏和屋頂分布式光伏電站布線空間不受限、開挖或穿管易于實現等特點，建議考慮環網光纖方案。

參考文獻：

[1] 孫星.光伏電站監控系統應用方案研究分析[J].山西電力，2018，（5）：34-39.

[2] 楊富民，梁永進.太陽能光伏電站監控系統通訊方式研究[J]，電氣自動化，2018，（7）：117-119.

[3] 趙義滿，孟婥.光伏電站數據采集系統研究和應用[J]，電源技術，2018，42：855-858.