大型并网光伏电站监控系统设计与实现

唐明，胡勇，何霄鹏，王玉飞，辛柱

(深圳市金宏威技术股份有限公司，广东 深圳 518057)

0 引言

光伏电站是利用太阳电池的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。大型光伏电站是指通过66 kV及以上电压等级接入电网的光伏电站［1］。大型光伏发电站的设备主要包括变压器、开关、出线、PT、CT、刀闸等升压站内设备，以及光伏阵列、汇流箱、直-交流逆变器设备、箱变等光伏发电设备。配套的控制调节设备及系统主要包括自动发电控制/自动电压控制(AGC/AVC)、电能计量、保护、五防、静止无功发生器(SVG)、光功率预测、调度等。大型光伏发电站监控系统通过对以上各电力设备、各控制调节设备及系统的监测、控制和调节，实现光伏发电并网的安全、稳定、经济运行。

大型光伏电站监控系统涉及通信网络、设备监测控制、通信规约、数据模型、功率控制和电压调节、继电保护、调度通信等各个方面的内容。目前一些文献对光伏发电监控相关的内容进行了研究。文献［2］介绍了一种光伏电站监控系统，涉及到对逆变器、汇流箱等发电设备的监测和采集，以及使用Modbus协议进行数据传输。文献［3］介绍了CAN总线的通信方式实现数据采集。以上两个文献对发电设备的监控提供了参考，但仅仅使用Modbus及CAN不能满足大型光伏电站的监控要求。文献［4-6］分别涉及了变电站、发电设备的公共信息模型(CIM)的建模。文献［7］介绍了风光储能联合发电监控系统结构、AGC/AVC的控制目标和策略。以上研究为数据通信、设备模型及AGC/AVC控制理论等提供了可用的方法，但未涉及到作为一个大型监控系统的通信网络组成、通信规约的转换映射、调度及功率控制和电压调节流程等。本文在分析大型光伏电站监控功能的基础上，设计了大型光伏发电站监控系统的通信网络及系统结构，讨论了符合CIM标准的光伏电站设备模型、Modbus与IEC 104的数据映射、与上级调度中心的通信及AGC/AVC控制流程等关键技术，并在此基础上实现了监控系统的软件。

1 光伏电站监控系统功能

大型光伏电站监控系统功能主要包括:

1)光伏发电设备信息的监测和控制

采集逆变器、汇流箱、箱变的电气数据，并对逆

变器进行启停控制和功率调节。

2)升压站保护及测控信息接入

接入变压器测控及保护信息、高低压线路测控及保护信息、直流电源的监测控制信

息等，并进行开关的遥控操作。

3)五防信息交互

监控系统向五防系统转发升压站内相关断路器、开关及刀闸的遥信信息。并获取五防系

统的操作判断数据。

4)AGC/AVC控制调节

根据调度下发的目标值进行逆变器、SVG的有功功率及无功功率输出的调节。

5)光功率预测信息交互

监控系统向光功率预测系统转发预测相关数据。

6)直流系统监测

监控系统对升压站内直流电源系统信息进行监测和控制。

7)调度数据转发

监控系统向上级调度系统转发升压站的相关遥测、遥信信息。

2 系统结构

依照以上的功能分析，本文将光伏发电监控分为主站监控和光伏设备监控两个方面。

2.1 主站监控的结构及通信网络

主站的监控设计为双机双网结构，由两个以太网交换机组成独立的双网，配置两台前置机、两台数据处理服务器及双数据库。双数据处理服务器采用热主备方式，双数据库保持数据同步，双前置机采用负载均衡的方式接入各台通信管理机信息。升压站内的保护测控单元通过一台通信管理机接入主监控网络。SVG、直流监测、电能表计等通过一台通信管理机接入主监控网络。其他系统如五防、光功率预测主机直接接入一段以太网络与监控系统进行通信。

2.2 光伏发电设备监控的结构及通信网络

在大型光伏发电系统中包含了数量较多的汇流箱、逆变器及箱变等光伏发电设备，所以在每个光伏场区配置一个通信管理机，各通信管理机通过光交换机接入光纤环网，并通过三层光交换机接入主监控系统网络。通信管理机对下采用Modbus规约及RS485通信方式采集各个场区内的光伏发电设备信息，并通过Modbus与IEC 104的协议转换，将发电设备的信息经光纤环网接入主站监控。

监控系统结构及通信网络及结构如图1所示。

图1 监控系统结构及通信网络

3 光伏电站监控系统的关键技术

3.1 系统设备模型

系统设备模型主要包括两个部分:升压站内的设备模型和光伏设备模型。系统设备模型整体遵循CIM标准，以升压站为根节点，按照光伏电站-电压等级(变压器)-间隔的树状层次关系进行建模。根节点光伏电站下包括变压器、变压器低压侧电压等级、逆变器输出电压等级。

变压器包括高压侧绕组和低压侧绕组。变压器低压侧电压等级中含有母联间隔、母线间隔、出线间隔。升压站内设备如开关、刀闸、CT、PT、出线等设备包含于相应的间隔中。

由于进行第一次升压的箱变直接连接至出线，根据其设备的连接关系，作为一个负荷建立在相应的变压器低压侧电压等级下的出线间隔中。

同时依照CIM标准进行扩展，在逆变器输出电压等级中扩展建立逆变器间隔。逆变器间隔是光伏支路中光伏逆变器及其直流侧所接设备的集合［8］。逆变器、汇流箱等光伏设备均包含于逆变器间隔中。

气象数据属于相对独立，直接隶属于光伏电站。

光伏电站系统设备模型如图2所示。

3.2 Modbus与 IEC104 的映射

图2 光伏电站系统设备模型

目前逆变器、汇流箱、箱变等光伏发电设备的通信通常采RS485的Modbus进行数据传输。而在主站监控系统、与调度的通信中为了满足高数据容量、高速率数据通信，普遍采用基于TCP/IP的IEC 104通信方式［9-10］。因此就需要两者之间的数据映射。Modbus基本规约格式应用数据单元(ADU)是由地址域加上协议数据单元(PDU)和差错校验构成。IEC 104基本规约格式应用协议数据单元(APDU)是由应用规约控制信息(APCI)加上应用服务数据单元(ASDU)构成。Modbus采用问答方式，IEC 104采用召唤加主动上报方式，两种规约报文格式、交互方式均有不同，这就要求在Modbus与IEC 104之间进行协议转换。

1)地址映射

Modbus和IEC 104都是面向点的规约形式。

Modbus的变量地址由设备地址和寄存器号确定。IEC 104的变量地址由应用服务数据单元公共地址和点号确定。因而Modbus和IEC 104之间变量地址的对应关系可表示为设备地址对应应用服务数据单元公共地址，寄存器号对应点号。这个对应关系可表达一个Modbus设备与一个IEC 104设备对应时的地址映射关系。在实际应用中，经常多个Modbus设备对应一个IEC 104设备。如一个串口485总线上接多台逆变器或汇流箱设备，将这些设备的信息综合起来作为一个IEC 104设备进行传输。这种多对一的情况可使用Modbus串口号加设备地址加寄存器号对应IEC 104的公共地址加点号的方式进行地址映射。两种情况的地址映射关系如图3所示。

图3 地址映射

2)数据类型的映射

Modbus的数据类型包括离散量输入、线圈、输入寄存器、保持寄存器。这些类型分别对应相应的寄存器地址段。可分别对应IEC 104规约中的遥测信息、遥信信息、遥控信息、定值信息。数据类型的映射关系如表1所示。

表1 数据类型的映射

离散量输入包含分合两种状态，可表示开关状态、报警等信息且为只读。映射到IEC104的遥信类型。

线圈为可读可写的状态量，可表示开关状态及状态的改变，映射到IEC104的遥信或遥控类型。

输入寄存器为16位或32位的只读模拟量，可表示各种电流、电压、功率等值，映射到IEC104的遥测类型。

保持寄存器作为可读可写的16位及32位模拟量，用于设备参数、定值等的设置，映射到IEC 104的设点命令中的标度化、归一化及浮点数数据类型。

3)应用功能的映射

Modbus协议提供对以上数据类型的读和写，以及强制、诊断、报告等功能。104协议定义了更为复杂的数据交互应用功能，如初始化、召唤、对时、设定命令等等，并定义了传输的优先级、超时定义等规则，同时具有变化数据主动上传功能。结合工程中光伏发电设备的实际需求，主要使用Modbus的读写功能对其进行监测和控制。表2列出了Modbus与IEC 104的读写应用功能的映射关系。

表2 应用功能的映射

从表2可看出，Modbus读写功能与IEC 104的功能映射主要为多对一的关系。其中写保持寄存器映射为设定命令，对设备的参数及设定值进行设置。写线圈映射为单点遥控命令，用于改变设备的开关状态。读线圈、读保持寄存器和读输入寄存器则映射为总召唤或者组召唤，以获取光伏发电设备的遥测、遥信数据以及遥控等实时信息。

3.3 AGC/AVC控制调节流程

大型光伏电站通过AGC/AVC调节并网的有功功率和无功功率/电压，以保证电网的安全稳定运行及提高供电质量［11］。调度定期下发调节目标，由功率控制系统选择控制设备进行功率分配，通过监控系统将控制指令发送到逆变器、SVG等被控制设备实现有功功率、无功功率、并网点电压的控制。功率控制涉及到调度与功率控制系统、监控系统与功率控制系统、监控系统与调度、监控系统与被控设备之间的交互。

1)监控系统向调度的数据转发

监控系统向调度转发光伏电站AGC、AVC控制系统运行数据。

2)调度系统向AGC/AVC发送调节目标

调度系统向功率控制系统发送有功功率、无功功率调节指令或者计划曲线。

3)监控系统与AGC/AVC的数据交互

监控系统向 AGC/AVC转发逆变器、SVG的运行信息。AGC/AVC接收到调度系统的调节命令后向监控系统发送逆变器、SVG的调节命令。两系统之间的交互使用IEC104规约。

4)监控系统与被控设备的数据交互

监控系统收到AGC/AVC发送的调节命令，向逆变器、SVG发送控制指令，并将指令执行结果返回给AGC/AVC。监控系统同时采集被控设备的数据。

系统功率控制流程如图4所示。

图4 功率控制和电压调节流程

4 结束语

按照本文设计及实现的监控系统已应用于110 kV电压等级20 MWp光伏发电站中。

1)主监控系统采用双机双网，以及对光伏发电设备进行监控所采用的485与光纤相结合的通信方式，保证了系统稳定性、实时性和可靠性。

2)遵照CIM标准对升压站设备进行建模，通过扩展CIM标准对光伏发电设备进行建模，实现设备的标准化管理。

3)从地址、数据类型和应用功能等方面讨论了

Modbus与IEC 104规约之间的映射转换，实现对光伏发电设备的无缝接入。

4)根据系统要求实现AGC/AVC控制调节流程，达到系统控制调节能力。

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