智能化光伏電站監測與運維系統設計

張太亮，龐金龍，孫記忠

（1.山東尚禾電力工程咨詢有限公司，山東 濟南 250000；2.山東新能電力科技有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

光伏電站作為太陽能利用的重要方式，已在全球范圍內得到廣泛推廣和應用。目前，光伏電站要求匯流箱、逆變器等關鍵設備必須在無故障狀態下高效運行[1]。但由于人力資源的有限性和傳統監測系統在智能化方面的不足，電站監測常存在盲區多、故障定位慢的問題，影響光伏電站的運行效率，還可能帶來安全隱患。

1 光伏電站布局與設備配置

1.1 光伏電站布局規劃

1.1.1 區域劃分與設備分布

光伏方陣區主要用于安裝光伏組件，形成大面積的光伏陣列，以捕捉太陽能并轉換為電能。布置方式需考慮地形、設備特點和施工條件，通常采用單元模塊化的布置[2]。方位角一般采用正南方向，排、列間距確保互不遮擋。逆變升壓區結合光伏方陣單元模塊化布置，一般位于光伏方陣單元模塊的中部，靠近主要通道，主要負責將光伏方陣產生的直流電逆變為交流電，并升壓至符合電網要求的電壓等級。站內道路與交通區包括主干道、次干道和通向建筑物的人行引道，需要設計滿足設備運輸、安裝和運行維護要求的道路系統。主要道路與城鎮現有公路連接，方便行車，避免與鐵路交叉。供排水與防洪區設計排水系統，確保場地排水暢通，防止積水。在山區或丘陵地區設有防止山洪流入站區的設施，供水系統根據站區需求和生活用水標準設計。

1.1.2 并網方式選擇

發電站的并網接入方式應優先滿足本地負載的需求。發電站的電力負載較大，因此需要確保光伏發電系統發出的電能能夠優先滿足系統內負載需求，提高能源利用率，減少能源傳輸損失，保證發電站的穩定運行。對于大型發電站，可以考慮選擇中壓電網接入方式。中壓并網系統常用于太陽能電池陣列額定功率較大的系統，可以減少電網的傳輸能量損耗，提高電能的利用效能。并網接入方式對比數據如表1 所示。

表1 并網接入方式對比數據

低壓電網接入系統組成相對簡單，對太陽陰影的耐受性強，適用于小型至中型光伏發電系統。然而，其直流側電流較大，需要選用大截面的直流電纜，且發電功率受低壓電網容量的限制。中壓電網接入適用于大型光伏發電系統，具有高電壓、低電流、電纜線徑較小等優點，與逆變器匹配更佳，逆變器的轉換效率更高。中壓電網接入對太陽陰影的耐受性較差，系統設計復雜且成本高。

1.2 關鍵設備配置

1.2.1 光伏組件與逆變器選型

多數光伏組件的工作電壓為1 000 V，但部分光伏組件的工作電壓可達到1 500 V。使用高電壓光伏組件可以減少電纜和連接器的數量，降低系統成本和損耗。逆變器的輸入電壓范圍必須與光伏組件的工作電壓相匹配。逆變器的功率必須與光伏組件的功率相匹配，過大或過小的逆變器功率可能會影響系統的性能和穩定性。優化逆變器功率與組件功率的匹配，可以降低系統的成本和維護成本。逆變器的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）工作范圍必須與組件的開路電壓和短路電流相匹配，如果超出工作范圍，會導致逆變器無法正常跟蹤最大功率點，影響系統的效率。

1.2.2 匯流箱與配電柜配置

為滿足家庭用電需求，最理想的配電箱回路數量（即電閘數量）應該是“1+X+Y+Z”的形式。1 代表主開關；X代表房間數量，用于控制每個房間的普通插座；Y代表大功率電器的數量，用于控制每一個大功率電器的供電（需要使用明裝斷路器或16 A 三孔插座的電器都屬于大功率電器）；Z代表照明回路的數量（對于燈具較多的情況，可以采用2～3個回路；一般情況下，只需1 個回路就能滿足需求）。通過合理配置回路數量，滿足家庭用電的安全要求。1P 斷路器適用于僅控制火線的通斷，對火線提供保護的場景。1P+N斷路器介于1P 和2P 之間，適用于同時控制火線的通斷，并對零線和火線提供保護的場景。2P斷路器能同時控制零火線的通斷，并對零火線提供保護，功能最為全面。

1.2.3 升壓變壓器及其他電氣設備

在光伏升壓站中，升壓變壓器將光伏電池板輸出的低壓直流電升壓為高壓交流電，以便能夠并網輸送至電網。電抗器補償變壓器的輸入和輸出電流，以減小電流變化對系統的影響。電抗器一般分為輸入電抗器和輸出電抗器，分別連接在變壓器的輸入端和輸出端，最大限度地降低電流波動。開關設備用于控制光伏升壓站中的電流回路，并確保在發生故障時能夠及時切斷電流，保護設備和人身安全。斷路器在異常情況下自動切斷電流，隔離開關在檢修時隔離電流，負荷開關在正常狀態下控制電流的通斷。為保證光伏升壓站中電氣設備的正常運行和延長其使用壽命，必須采取合理的維護管理措施，定時校準和整定電氣設備的保護裝置，確保其在異常情況下能夠正確動作。

2 智能化監測系統設計

2.1 數據采集與傳輸技術

2.1.1 傳感器選擇與布局

利用RS-485 總線與各通信模塊相連，將運行數據傳輸至上位機，結合組態軟件構建監控界面，監測和分析企業廠區的光伏發電系統。該系統將廠區的4個屋頂劃分為A、B、C 以及D 發電區域，并采用集中式和分布式相結合的方式進行發電[3]。其中，C 區廠房面積較大且自用電較少，因此采用集中式結構，根據工廠屋頂面積配置相應數量的光伏面板，并以20 路為一組接入直流匯流箱，再將匯流箱的電流輸入集中式逆變器進行處理。

2.1.2 通信協議與接口設計

在光伏升壓站中，智能型匯流箱、逆變器等設備間的通信需遵循統一的通信協議，RS-485 總線接口用于傳輸匯流箱、逆變器等智能設備與機柜間的數據，采用差分信號傳輸方式，光纖接口用于機柜與上位機之間的數據傳輸，通過光纖介質進行高速數據傳輸。人機交互接口利用組態軟件構建監控界面，使用戶能夠對光伏升壓站的數據和設備進行控制。報警裝置接口接收來自匯流箱、逆變器設備集成驅動器電子（Integrated Drive Electronics，IDE）故障信號，并在故障發生時及時預警，提醒運維人員及時處理。

2.1.3 數據采集頻率與精度要求

數據采集頻率與精度數據如表2 所示。

表2 數據采集頻率與精度數據

由表2 可知，光伏電站的數據采集系統能夠按照設定的頻率穩定地采集數據。利用該數據能夠評估電站的監控性能。

2.2 實時監測與故障診斷系統

2.2.1 實時監測功能設計

實時監測功能是確保光伏發電站穩定、高效運行的關鍵[4]。系統需要具有實用性，選用XL87 機臺監控終端，支持快速數據采集與實時數據傳輸。軟件則需要優化數據處理流程，減少數據傳輸和處理的時延。系統需要具備準確性，采用XL51TH 溫濕度傳感器、XLSWS 風速傳感器，真實可靠地采集環境參數。在軟件層面對數據進行校驗和修正，進一步提高數據準確度。數據需要具備完整性，系統需全面覆蓋光伏電站關鍵監測點，設計多層次的數據采集網絡，覆蓋電站的每一個角落。實時監測功能具有直觀的圖表、曲線和數據面板，運維人員可以清晰地掌握電站的實時運行狀態。

2.2.2 故障診斷算法與實現

故障診斷算法應基于電站的歷史數據和實時數據，結合物理模型、統計分析和機器學習，準確診斷電站的各種潛在故障。通過分析逆變器的輸出電壓和電流波形，診斷逆變器內部的功率管故障、電容老化現象。同時，故障診斷算法根據電站的運行數據不斷優化診斷模型。在診斷模型優化的過程中，應收集分析運行數據，更準確地預測電站的運行狀況并及時做出相應的調整和優化。

2.2.3 故障預警與報警機制

預警機制應基于故障診斷算法的輸出，當檢測到潛在故障時，及時發出預警信息，提醒運維人員進行檢查和維修。報警機制則應在故障發生時立即啟動，通過聲光報警、短信通知等方式迅速通知運維人員處理[5]。智能化光伏電站監測與運維數據如表3 所示。

表3 智能化光伏電站監測與運維數據

智能化光伏電站監測與運維系統通過實時收集和分析光伏板溫度、逆變器輸出功率、總輻射量等關鍵數據，成功構建了一個高效的預警和報警機制。故障診斷算法檢測出潛在故障時，系統會及時發出預警信息。例如，在2023 年5 月1 日11:00，逆變器輸出功率的下降被及時捕捉并預警，運維人員得以及時響應并處理。而當實際故障發生時，如逆變器故障和停機，報警機制則通過聲光報警、短信通知等方式，確保運維人員能夠迅速得知并處理，減少故障對電站運行的影響。

3 結 論

文章主要研究設計集光伏電站布局與設備配置優化、智能化監測于一體的智能化系統。精心規劃光伏電站布局與設備配置，確保變電站在多變的環境條件下均能保持高效的發電狀態。智能化監測系統的設計與實施，不僅可以實時監測對電站運行狀態，還能識別出潛在的故障風險，大幅提高電站的運行穩定性。