基于物联网和光纤环网的光伏电站集成监控系统方案

国电南瑞科技股份有限公司 ■ 周超 吴家祺

0 引言

光伏电站由光伏组件、汇流箱、支架、逆变器、气象站、视频监控系统、变压器、配电装置和升压站(可选)组成，目前普遍采用基于光纤环网的监控系统对光伏电站进行监控[1]。在一些对可靠性有严格要求的项目中，常采用双环网结构或采用“PRP+HSR”通信结构体系[2-4]，但采用双环网结构时，由于通道和路径邻近，常同时发生故障；而由于光伏电站接入点的电压等级通常在220 kV以下，对于完全采用“PRP+HSR”网络以实现“N-1”冗余容错能力及零时间间隔通信网络切换并无必要[5]。基于此，本文提出了一种新的方案，构建了基于物联网和光纤环网的光伏电站集成监控系统，与之前的方案相比具有更高的性价比。

1 光伏电站监控系统的组成和典型功能要求

光伏电站总体上由3部分构成：1)由光伏组件、支架、汇流箱、DC电缆、逆变器等部分构成的低压(LV)部分，电压水平在DC1500 V以下。2)由升压变、12/20 kV开关柜、环网柜、站用变、AC电缆等构成的中压(MV)部分，电压水平在AC20 kV以下。3)为可选部分，由隔离开关、断路器、电力变压器、地下电缆或输电线等构成的高压(HV)部分，电压水平在110 kV以下。相应的，光伏电站监控系统则由这3部分的自动化设备，以及气象站、视频监控系统等组成。

对于20 MW以上的光伏电站项目，其监控系统典型功能要求包括：

1)数据采集、控制、人机接口、报警信号生成、事件记录、系统效率PR值测量[6]、报表管理。

2)提供数据库备份机制，能在线访问数据库，进行发电效率的计算，提供日报、周报、月报、季报、半年报和年报。

3)作为逆变器和功率控制器的接口，能够管理、控制和优化光伏场区的性能。

4)测量、数据交换和分析符合GB/T 20513-2006 标准[7]。

5)系统文档、运行测试和检验符合GB/T 50796-2012 标准[8]。

6)数据和信息安全符合IEC 27002-2006标准。

7)监控系统放置在控制室的光伏电站数据采集与监控(SCADA)中心，能够远程访问和操作逆变站监控系统、升压站保护、远程终端控制系统(RTU)、气象站和视频监控系统。

8)关键节点采用冗余设计，保证系统的高可靠性和可用性；符合技术规范和标准要求[9]。

9)系统维护性要求低，有完善的自检及自测失败告警功能。

10)系统配置UPS系统，当遭遇市电停电时，能提供3 h系统用电需求。

11)提供数据查询功能，最小时间间隔为5 min，最大时间间隔为1年。事故发生或越限时，在1 s内产生报警信号。支持短信和Email方式告警。

12)逆变器的投入和退出、逆变器无功输出、开关设备的投入和退出等控制操作，都具有远程和当地两种操作方式。

13)系统能控制并网接入点的电压和功率系数[10]。

14)系统能产生和提供发电预测数据给运行人员和调度。

2 基于物联网和光纤环网的光伏电站集成监控系统

从电站监控系统功能来看，需要保证电站的发电量和发电效率，以及进行较准确的负荷预测功能，还需要提供在线和历史数据的访问及存储[11]，这些都要求监控系统具有较高的可靠性。

2.1 物联网技术简述[12-13]

物联网技术是互联网技术与嵌入式技术的综合，它利用嵌入式技术中传感技术对物理世界进行感知识别，并利用智能控制技术对物理世界进行控制调节。通过互联网技术将现实的物理世界连接起来，实现感知数据与控制信息的远程传输。通过网络互连，实现了人与物之间的信息交互和连接，达到了人对物的远程实时监测控制的目的。随着物联网技术的发展，传感器与智能终端之间、智能终端与交换机之间可以通过无线方式实现数据的交互。

在物联网设计构架中，有3层模型结构，分别是感知层、网络层和应用层。其中，感知层通过各种传感设备，如温度传感、湿度传感、电流检测、电压检测等感知器件获取现场相关数据，是实现物联网系统构架的基础；网络层是物联网的精髓所在，通过各种远程通信网络将感知层采集的各种信息数据进行大范围的连接传输；应用层则完成采集数据的存储、分析、处理，针对实际应用为用户提供个性化服务。

在变电站在线监测及变电站智能辅助系统中，物联网技术得到了大量成功的应用。

2.2 光伏电站集成监控系统方案

基于物联网和光纤环网的光伏电站集成监控系统的结构概念图如图1所示。

由图1可知，光伏电站集成监控系统的结构分为3层：站控层、间隔层、过程层。

1)站控层采用双星型总线形式，包括监控主机、服务器、交换机、一体化信息平台、工程师工作站、远动工作站、防火墙、路由器等；可以完成发电量的计算、发电效率的计算、数据采集和处理、发电控制，以及负荷预测，实现与调度、升压站SCADA的通信，远方命令的接收、执行和数据上送，以及与间隔层的通信、报表处理等。

2)间隔层采用光纤环网加星型结构，其中星型结构以光纤环网交换机为核心。主要包括逆变站单元、组件单元、气象站单元、CCTV单元、升压变压器，以及线路的保护和测控单元、计量单元。逆变站单元数据中集成了组件单元和气象站单元的数据，在这种情况下，只需保留逆变站单元即可。CCTV单元根据工程的性能要求，也可以直接和站控层总线连接。

图1 基于物联网和光纤环网的光伏电站集成监控系统的结构概念图

3)过程层采用485总线或profibus 总线形式，包括光照传感器、温湿度传感器、风速/风向传感器、操作箱(或开关的执行机构)、摄像头等。

与常规的基于光纤环网的监控系统结构相比，本系统是一冗余型结构，站控层的数据可以从有线通道光纤来，也可以从无线通道来，增加了可靠性。CCTV的摄像图与主机、气象站的传感器和终端间，以及组件传感器和终端间，可考虑采用无线连接方式，无线通道既可租用GPRS等4G公用通道，也可在光伏电站范围内自建无线局域网。与光纤或网线等有线连接相比，这种方式的施工与运维更为方便[14]。

考虑到经济性，不是所有的节点要求同时支持有线与无线通道，可依据其重要性及工程的性能要求选择设置[15-16]。

图1仅为集成监控系统的概念图，在实际应用中，可根据可靠性、性能要求及经济性要求进行裁剪及合理的变化。

2.3 光伏电站在线监测系统[12,17-19]

在光伏电站设计的国家标准及国际光伏电站总包项目中，对以运维为目的的在线监测系统无明确要求。但是，借鉴智能变电站和输电线路在线监测的经验，在本监控系统中集成在线监测系统是完全可行的。

随着视频识别技术的发展，CCTV的图像定时发给监控后台，在线监测软件采用人工智能算法分析图像，可及时检测出各种设备故障、危险源及安全隐患。常见的设备故障类型包括：短路、支架垂直度偏差超范围、局放超标、组件表面灰尘度超标、开关柜温度越限。由于在线监测系统的实时性要求比集成监控系统低，可以考虑共用无线基站和通道，并根据工程需求配置适量的摄像头、垂直度传感器、局放传感器、温度传感器等。通过人工智能算法分析[20]还可以发现设备的亚健康状态，以及开发防盗功能。光伏电站在线监测系统概念图如图2所示。

图2 光伏电站在线监测系统概念图

3 结论

本文提出的基于物联网和光纤环网的光伏电站集成监控系统方案包括光纤有线和无线两种通道，较单光纤环网系统具有更高的可靠性和性能，较双光纤环网和“PRP+HSR”方案具有施工方便和经济性更好的优势。在本集成监控系统方案的软硬件平台上易于集成在线监测系统，对提高光伏电站的可用性和效率具有积极意义。视频识别技术和人工智能算法的应用和提升可使光伏电站的性能、效率及安全性得到进一步提高。

本集成监控系统方案已部分应用于一些国外的工程中，效果良好。在澳大利亚电力市场运行管理部门制定的光伏电站的技术规范中，明确提出通信信道要有主、备两种，主信道用光纤，备用信道采用4G无线通信[14]。