200 MWp光伏电站计算机监控系统的设计与应用

张卫君,张显兵,邱洋

(北京中水科水电科技开发有限公司,北京 100038)

200 MWp光伏电站计算机监控系统的设计与应用

张卫君,张显兵,邱洋

(北京中水科水电科技开发有限公司,北京 100038)

随着环境和能源问题的日益突出,我国对太阳能光伏发电的政策支持力度也不断加大,一大批百兆瓦级集中式光伏电站并网发电,使太阳能发电装机在电网结构中占比不断加大。大量的光伏电源接入电网后,对配电网的电能质量产生影响。可通过采用自动运行、功能完善的数据采集与控制、数据分析与预测诊断系统,提高电站的自动化、信息化、智能化水平,以维护电网安全稳定运行。本文以H9000计算机监控系统在青海黄河共和产业园区三期200 MWp并网光伏电站的应用为例,介绍百兆瓦级集中式并网光伏电站计算机监控系统的特点及解决方案。

H 9000;光伏电站;监控系统;200 M W p

0 引言

随着环境和能源问题的日益突出,我国对太阳能光伏发电的政策支持力度也不断加大,一大批百兆瓦级集中式光伏电站并网发电。“十三五”太阳能光伏装机目标为150 GW,如达成此目标,则中国未来5年内平均每年的光伏装机将突破20 GW[1]。若上述目标达成,那么到2020年底,太阳能发电装机规模将在全国电力结构中占比7%。大量的光伏电源接入电网后,对配电网的电能质量产生影响。为维护电网的安全稳定运行,需要通过逐步的应用与研究,建立一整套完备的、适用大型光伏并网电站的数据采集、监视与自动控制、数据分析与预测的计算机监控系统,提高并网光伏电站的自动化、信息化、智能化水平。

青海黄河共和产业园并网光伏电站,位于青海省海南州共和县恰卜恰镇塔拉滩光伏发电园区,距县城18km,场区平均海拔2920m,总装机容量600MWp。电站三期装机200 MWp,共由3个区组成,其中Ⅷ区光伏阵列区共56个子阵,装机容量66.5 MW,1～48号子阵采用平单轴跟踪支架,49～56号子阵采用斜单轴跟踪支架,均采用组串式逆变器。Ⅸ区光伏阵列区共68个子阵,装机容量68 MW,其中1～48号子阵采用斜单轴跟踪支架、组串式逆变器,49～68号子阵采用固定式支架、集中式逆变器。Ⅹ区光伏阵列区共59个子阵,装机容量66.5 MW,均采用固定式支架,其中1～30号子阵采用集中式逆变器、31～59号子阵采用组串式逆变器。每个区设置1个汇集站,通过架空线汇入升压站35 kV母线,经主变升压至330 kV后接入电网。三期计算机监控系统采用北京中水科水电科技开发有限公司H9000 V4.0系统,实现3个汇集站及各子阵的数据采集、监视与控制、AGC/AVC等功能。

1 系统整体结构

计算机监控系统为分层分布开放式系统,网络采用星形+环网结构。监控系统设备包括现地层183个子阵的数据采集柜,间隔层3个汇集站的公用测控柜和网络柜,厂控层3台主服务器、1台AGC/AVC服务器、2台远程集控通信服务器、主干网交换机、路由器及时钟系统。

现地每个子阵配置数据采集器和交换机,其中集中式子阵汇流箱和电度表信号经串口方式由采集器采集,逆变器与升压箱变信号经交换机通过网络方式由站控层主服务器采集;组串式子阵支架控制器、逆变器、电度表信号经串口方式由采集器采集,升压箱变信号经交换机通过网络方式由站控层主服务器采集。各汇集站分别配置数据采集器和交换机,数据采集器采集直流系统、电度表、消谐装置信号,各进出线测控、母线保护装置信号经交换机通过网络方式由站控层主服务器采集。各区组串式子阵每7～8个子阵为一列、集中式每10个子阵为一列,每列子阵交换机通过环网串连接入汇集站交换机。监控系统总体结构图见图1。

图1 共和光伏三期监控系统结构图

2 系统特点

2.1 海量数据集成与画面监视

光伏电站监控的主要特点是设备多,数据量大,共和光伏三期电站共需监控183个子阵和3个汇集站约80万数据点。海量的数据点在数据库文本集成、数据库生成更新、数据库读写等方面对监控系统来说都是严峻的考验。在数据库结构设计上,严格按照H9000系统数据的“厂站-设备-类型-点名”4层结构[2],将每个区定义为一个厂站,每一列定义为一个设备,数据类型有“模拟量”、“开关量”、“脉冲量”、“综合信息”等,点名按照“子阵号_设备名_点序号”编排,如:“GH10U.ZC01.ANA.Z01_NBQ1_001”代表Ⅹ区第一列1号子阵逆变器1的模拟量第一点。4层结构设计实现数据库点快速定位查找,能很好的解决数据库读写速度问题。同类型子阵的数据采集与控制点基本相同,点名的编排设计方式,增强数据库文本的复用性与可替换性,提高集成效率。

在监控系统画面设计上,按照“分区-子阵-设备”逐级链接方式,共设计画面2 000副左右。系统监视画面采用动态加载技术,使得画面切换显示更新时间和画面动态数据刷新时间均在1 s以内。

图2 子阵并网监视总图

图3 集中式子阵逆变器监视图

图4 组串式子阵逆变器监视图

2.2 通信协议种类多、数量多

光伏电站设备种类多,生产厂家多,数据通信协议各不相同,主要通信协议有 IEC104、IEC103-TCP、MODBUS、DLT645等,所有支持网络协议设备经过交换机与主站服务器建立通信连接,其他支持串口协议设备与数据采集器建立通信连接,然后由数据采集器与主站服务器建立网络连接。各通信协议连接设备及连接数统计见表1。

表1 通信协议及连接数统计表

众多的通信协议及连接,导致通信进程的管理及通信点表的集成与维护变得十分困难。在本监控系统的设计中,在每个区的数据服务器上,对与同一设备厂家的通信启用一个进程(主进程),然后由主进程创建及管理多个子进程,子进程数量即为通信连接路数。在各子进程的总召处理上采用错峰广播的优化设计,避免多个子进程数据同步广播导致网络阻塞的问题。在集成通信点表时,首先建立一个设备的点表,通过编写批处理脚本,实现点表的自动建立与批量替换。通信点表按照“协议类型/设备编号/点表”分层引用。数据采集器为中水科技公司ICS0208,将各类串口协议数据转换为IEC104协议上送给服务器。

2.3 分层分布式AGC结构

光伏发电的特点决定了光伏电源的不稳定性,为尽量减小对电网安全稳定运行的影响,2011年国家电网公司颁布了《光伏电站接入电网技术规定》,提出了在光伏电站配置有功功率控制系统的要求。本系统AGC采用分层分布式结构设计,分为3层结构:站控层AGC、中间层(分区)AGC、子阵AGC。站控层AGC接收调度指令,根据各区发电能力优化各区功率分配,并根据各区返回总实发功率动态调整功率分配;分区AGC接收到总负荷后,根据各子阵并网逆变器台数及额定容量在子阵间按照容量比例分配;子阵AGC根据子阵内并网逆变器台数进行平均分配。因大型光伏电站庞大的逆变器数量,采用厂站AGC直接控制逆变器方式,AGC系统在控制过程中会形成大量的遥调和遥控通信报文下发阻塞延时或丢包,导致AGC控制响应速度慢、控制精度差, 3层AGC结构很好的解决这一问题。Ⅷ区AGC闭环控制试验(5～20 MW)结果见表2。试验结果表明调整15 MW负荷,调节时间在20 s内,调节精度高。

表2 Ⅷ区AGC闭环控制试验(5～20 MW)结果

图5 Ⅷ区AGC闭环控制试验功率棒图

3 智能化建设探讨

光伏电站一般建在边远地区,地理环境、自然条件较恶劣,不能按照以往的传统方式进行分散维护和人工监控,因此通过建立光伏电站智能化监控系统,实现对光伏电站的有效监控、诊断与检修,对光伏电站的安全可靠运行,具有十分重要的现实意义。

3.1 通信协议统一化

光伏电站都是新建电站,设备容易实现标准化。可以考虑规定所有接入设备都采用IEC61850通信接口协议,将当前众多的通信接口规范化。统一的标准通信协议,可以在提高通信效率的同时减小因通信接口过多导致故障率高的问题。

3.2 光功率预测与大数据分析

随着光伏发电站在电网电源结构比重的增加,光功率预测系统变得尤为重要,光伏功率预测越准,光伏并网给电网的安全运行带来的影响就越小,能够有效的帮助电网调度部门做好各类电源的调度计划。可以考虑通过对监控系统多年历史数据进行大数据分析,对同一地区不同天气、不同时段功率数据的分析,得出更加准确的光功率预测结果,提高光伏电站运营管理效率。

3.3 设备智能诊断与检修

光伏电站厂区面积大、设备庞多、环境恶劣,靠人工巡检效率低下,检修方式一般采用故障后检修。可考虑在监控系统中加入设备智能诊断子系统,利用监控系统的海量数据,建立数学模型,实现对光伏组件、逆变器、支架等设备健康状况水平实时监测与故障诊断,做到故障前计划检修,提高设备利用效率。

4 结束语

共和光伏三期200 MWp光伏电站计算机监控系统于2016年5月上旬开始现场安装调试,至2016年6月底实现与电站并网发电同步投运。目前,系统运行稳定,AGC控制效果良好。H9000 V4.0计算机监控系统在此项目的成功应用,进一步验证了H9000系统对海量数据的超强处理能力,对系统在光伏监控、新能源集控等项目的应用起到了良好的示范。

[1]国家能源局.太阳能利用十三五发展规划征求意见稿[Z], 2015.

[2]王德宽,袁宏,王峥瀛,等.H9000 V4.0计算机监控系统技术特点概要[J].水电自动化与大坝监测,2007(3).

TP273+.5

A

1672-5387(2017)07-0029-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.008

2017-04-27

张卫君(1980-),男,高级工程师,从事计算机监控系统及仿真培训系统研究开发工作。