光伏电站箱变智能监控装置的应用

李传阔

1、引言

光伏电站将太阳能转变成直流电能，经逆变器逆变后，将直流转变为交流，经箱变升压后，接入中压或高压电网。光伏电站系统图如图1所示。

通过上图可以看出，自动化监控系统在光伏电站中起着重要的作用，它通过数据采集维护，实现发电设备的运行控制，从而实现光伏发电设备的远程管理和自动化监控，以达到“无人值班，少人值守”的运行管理方式。随着光伏电站技术的成熟，监控系统也逐渐向高集成化发展。

2、传统的自动化监控系统

传统的光伏电站的自动化监控系统由通讯管理机柜、光缆、交换机、操作员站和工程师站等组成， 可对太阳能光伏电站里的电池阵列、汇流箱、逆变器、交直流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备进行实时监测和控制，通过各种样式的图表及数据快速掌握电站的运行情况。电站内的汇流箱、逆变器、开关柜、箱变等设备的运行信息传输给通讯管理机，然后通讯管理机经光纤收发器上传到自动化监控系统。由于光伏电站内的设备比较分散，需要就地布置较多的通讯管理机柜，增加了设备投资。另外设备多使得整个系统的接线过于繁多，增加了故障发生的机率，不利于以后系统故障的排查。

3、智能监控装置

智能监控装置具备光伏电站箱变的模拟量采集、非电量保护、远方控制和通讯功能，同时还可融合传统自动化监控系统的通信管理机、光纤交换机功能，负责接入、传输发电单元内逆变器、智能汇流箱等设备的数据通信，实现光伏发电单元内智能设备通讯信息的集中和传输，并通过光纤以太网接入自动化监控系统，进而实现光伏电站就地设备的远程管理和自动化监控，满足光伏电站全面智能化、无人值守的运行管理方式。

该智能监控装置安装在光伏电站的箱变的低压开关柜内，它除了具有通讯管理机的功能外，还为箱变提供完善的测控和保护。箱变智能监控装置的应用减少了自动化监控系统内的通讯管理机和光纤交换机的数量，提高了设备的集成度，简化了监控系统的设备配置，从而降低了光伏电站的造价和运行、维护的成本。

3.1智能监控装置的功能选配

智能监控装置的具体配置要根据光伏电站的配置确定，其典型的功能配置如下：

a）用于箱变的保护功能：至少具有3路直流量输入，热电阻或4～20mA可任意组合，采集变压器油温及箱变内环境温度，防止变压器温升过高而损坏。该装置还具有变压器的非电量保护功能，包括重瓦斯动作跳闸、轻瓦斯动作告警、SF6气压异常报警、变压器高温报警、变压器超高温跳闸、变压器油位低、压力异常告警等，当变压器发生故障，瓦斯或油位发出信号，该装置就会发出跳闸指令，及时停止变压器的运行，切断故障点。除了非电量保护，装置还带有复合电压闭锁的三段式电流保护、零序电流、过压、欠压、CT断线、PT断线等电气量的保护，对穿越性故障该装置还具有防范措施，以保证变压器运行安全。

b）用于箱变的测控功能：光伏电站的箱变采用双分裂变压器时，两路低压侧接入逆变器转换的低压交流电源，变压器高压侧升压为一路35kV电源接入升压站。为了适应双分裂变压器，智能测控装置可具备双功率点。同时还具有交流采样功能，可测量I、U、P、Q、F、COSφ、有功电度、无功电度等遥测量。装置还可以采集熔断器熔断、箱变门打开等信号，以及开关状态信号，如35kV负荷开关位置信号、低压侧断路器位置信号、高压侧接地开关位置信号、高低压近远控切换信号、小空开位置信号、熔断器熔断信号、断路器跳闸信号等。c）通讯和传动功能：装置至少具有30路遥信开入、6路继电器输出并可扩展、8路RS485通讯，通讯协议满足电站监控系统要求，采用标准的IEC103/104、IEC61850和Modbus通讯规约，并可完成规约转换，方便接入自动化监控系统，以及引接逆变器、汇流箱等其它智能装置。箱变智能测控装置配置的光纤环网交换机可实现光纤环网的组网，将汇流箱、逆变器、开关柜等测控数据通过智能测控装置的光纤交换机和通讯管理机的功能进行接收和传输，与主控室中的后台监控设备形成一套完整的电站自动化监控系统。d）遥控和故障录波功能：装置对有电操控功能的开关可实现远程分、合闸操作，方便运行人员操作。同时该装置还具有完善的事件报告处理功能和操作记录功能，可至少保存最新25次SOE变位记录、最新25次用户操作记录。

3.2智能监控装置的硬件选取

装置采用32位高性能嵌入式微机处理器，大容量的内存和存储器，可高速、可靠的进行数据处理、逻辑运算和信息存储。为了提高测量精度和计量准确性，采用高精度测量芯片。装置的电源、CPU、IO板、通讯板在内的装置全部元器件可在宽温-40℃～+70℃条件下正常工作，能承受GB/T14598.13-1998规定的频率为1MHz及100kHz衰减振荡波（第一半波电压幅值共模为2.5kV，差模为1kV）脉冲群干扰试验。各带电的导电电路分别对地（即外壳或外露的非带电金属零件）之间，交流回路和直流回路之间，交流电流回路和交流电压回路之间，绝缘电阻值均不小于100MΩ（用开路电压为500V的测试仪器测试）。

4、智能测控装置的组网

光伏电站的设备分布比较分散，就地设备距离主控室有几十米或几百，因此箱变智能测控装置的组网就要考虑实际情况选择最经济、最合适的组网方案。根据箱变和汇流箱、逆变器等电气设备的具体位置，将箱变就近的电气设备均接入箱变智能监控装置，组成一个星形拓扑结构网络，再将一定数量的箱变智能监控装置进行串接形成一个光纤环网，该光纤环网引出两路光纤至自动化监控系统的主控设备层，从而构成完整的光伏电站自动化监控系统。采用光纤环网提高了系统运行的可靠性，当网络上的某个设备出现故障时，环网上的其他设备可以通过另一侧网络继续进行通讯，保证其他设备的正常运行。箱变智能监控装置组成的自动化监控系统网络结构示意如图2。

由自动化监控系统网络结构示意图可以看出，自动化监控系统除了箱变智能监控系统组成的光纤环网外，还包括后台计算机、音响报警、网络设备、时钟同步和打印机等主控级设备。箱变智能监控装置对各就近电气设备的模拟信号和开关信号进行采集和控制，并上传到自动化监控系统的后台主机中，能够迅速、准确有效地完成对各被控对象的安全监控。箱变带有保护功能的智能测控单元通过光纤环网组成多个子网络，再通过光纤将各个子网络和自动化监控系统的主控层设备组成主干环网。自动化监控系统通过采集各个设备的数据信息，进行实时处理，准确有效的完成光伏电站的实时监视、控制和调节，并根据运行需要进行参数设定、事件记录、运行参数计算、报表、通信控制、系统诊断、软件开发和画面生成、系统扩充（包括硬件、软件）、运行管理和操作指导等。箱变智能测控装置还可以选配两个光纤通讯模块，利用CPLD（Complex Programmable Logic Device）数字控制技术实现自愈式光纤环网。CPLD为控制环网自愈接口单元，具有速度快、集成度高、可靠性强、可重复编程或动态重构等特点。其控制电路由分频器、中心状态机、发送数据选择器、接收数据选择器组成。CPLD芯片和数字控制技术可大幅提高光纤通道切换速度至毫秒级，且性能稳定，提高了系统通讯的准确率。箱变智能测控装置的两块光纤通訊模块通过CPLD技术进行数据切换和控制。当两个光纤通讯模块均正常工作时，CPU接收到数据并进行分析处理，然后再分别将接受到的数据通过两个光纤口发送到下一个光纤通讯模块的接收单元。同样，下一个光纤数据接收单元会把收到的数据再分别转发出去。因此两个光纤通讯模块传输的数据是相同的，两个通道间的数据传送是同步的，两个通道互为热备用。当其中一个通道发生数据中断时，CPLD立即切换数据通道，保证光线数据沿另一通道继续准确的传输，实现光纤环网的自愈。

5、结语

箱变智能测控装置的应用提高了光伏电站设备的集成度，减少了设备投资和占地。智能测控装置提供的完善的保护功能可以可靠的保护箱变及其他相关设备，为电站的安全、可靠运行提供了保障。它丰富的接口和通讯协议可以满足各种外部设备的接入，从而能采集箱变、汇流箱、逆变器等设备的数据信息，并输送给电站自动化监控系统，实现实时监视和控制，方便了电站的运行维护。这种箱变智能测控装置相对于传统的自动化监控方案具有较大的优势，相信在未来光伏电站中会得到广泛的应用，会进一步提高光伏电站的设备集成度和无人值守运行水平。

（作者单位：山东电力建设第一工程公司）