力控科技光伏电站SCADA系统方案

北京三维力控科技有限公司 董黎芳

1 方案概述

太阳能光伏电站主要由光伏电池阵列、汇流箱、低压直流柜、逆变柜、交流低压柜、升压变压器等组成，最后产生的高压交流并入电网。随着光伏发电在中国的持续建设和投入，如何提供全站设备的本地和远程运行监控和管理、视频监控，以及按照规定的协议进行数据传输，是电站业主和电网公司所共同关心的问题。

根据市场的分析，光伏电站监控系统面临的主要问题有以下几个方面：

（1）现场一般采用的是不同厂家的产品，现场设备种类繁多，通讯协议不一致，如何实现集中的监控和管理？

（2）大型电站的测点数量级达万点以上，如何保证数据采集的速率和准确性，以及历史数据的海量存储、分析、查看？

（3）将现场数据接入信息层时，面临着病毒、恶意软件的入侵，如何保证整个系统的安全性？

（4）分散的光伏电站各个子系统相互独立，如何整合成一个统一的平台以消除信息孤岛？

力控科技根据这些需求和难点，提出了光伏电站SCADA系统综合解决方案，其SCADA系统作为整个电站对外、对内数据交换的接口，对上具备解析调度指令，对下具备数据采集、数据记录分析、设备报警、Web发布等功能。同时可以根据具体项目的要求，对国网公司地方调度，或者其它如鉴衡认证中心、北京市节能环保中心等职能机构按照规定的协议进行数据传输，从而实现对光伏电站完整、统一的本地和远程运行监控、数据的集中管理，给电站业主和电网公司提供了方便的管理。

2 系统方案设计

2.1 系统设计的原则

（1）可扩展性—系统的设计上一方面要全面满足当前环境下的需求及未来一段时间的应用需求，另一方面要能方便地进行功能扩展，可灵活增添删减功能模块。

（2）可集成性—从技术发展角度和用户需求来看，软件结构本身应能与其它应用系统集成，做到信息共享和资源共享。

（3）互操作性—支持各种主流实时数据库的数据接口，并通过标准关系数据库接口(ODBC，OLE DB)实现与其它系统的数据集成。平台的开放性保证了今后可从生产管理系统的不同数据模块中裁剪不同的功能，以满足某个特定任务的需要，实现互操作。

2.2 设计规范

下列文件对于本方案的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本方案。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 12325—2008 电能质量 供电电压偏差

GB/T 12326—2008 电能质量 电压波动和闪变

GB/T 13729—2002 远动终端设备

GB/T 13730—2002 地区电网调度自动化系统

GB/T 14549—1993 电能质量 公用电网谐波

GB/T 15543—2008 电能质量 三相电压不平衡

GB/T 15945—2008 电能质量 电力系统频率偏差

GB/T 19939 光伏系统并网技术要求

GB/Z 19964 光伏发电站接入电力系统的技术规定

GB/T 20046—2006 光伏(PV)系统 电网接口特性

GB 50217 电力工程电缆设计规范

JB/T 5777.2—2002 电力系统二次电路用控制及继电保护屏（柜、台）通用技术条件

DL/T 634.5101 远动设备及系统 第5-101部分：传输规约 基本远动任务配套标准

DL/T 634.5104 远动设备及系统 第5-104部分：传输规约 采用标准传输协议集的IEC 60870-5-101网络访问

DL/T 667 远动设备及系统 第5部分：传输规约 第103篇：继电保护设备信息接口配套标准

DL/T 5136—2001 火力发电厂、变电所二次线路设计技术规程

DL/T 5137—2001 电测量及电能计量装置设计技术规程

DL/T 5149 220 kV～500 kV变电所计算机监控系统设计技术规程

3 系统方案设计

本方案中包括三个核心部分，分别是调度中心、站控和网络结构。力控光伏电站SCADA系统调度中心完成了对分散的光伏电站子系统的全面数据的采集存储、历史备份、WEB发布，实现了光伏电站的远程运营与维护。站控系统完成的是本地光伏发电系统的监控和管理，并且为调度中心提供数据，网络结构的设计为数据的集中采集以及安全提供了保障。

3.1 光伏发电SCADA系统拓扑结构（如图1所示）

图1 光伏发电SCADA系统拓扑结构

3.2 光伏发电SCADA系统特点

整体方案架构体系包括五层：现场设备层、网络层、站控层、调度层和信息层，整体采用光纤以太网络实现互联。

（1）现场设备层由逆变器、配电与计量设备、汇流箱、气象监测仪、电池板组件、变压器等组成。

（2）站控层由监控主机（配组态软件ForceControl）、采集网关pFieldComm组成，提供子站所有设备的接入、监控和管理、视频监控，以及将数据上传到调度层。

（3）网络层由现场网络交换设备、网络线路等构成，提供全站运行和监控设备的互联与通信。

（4）调度中心由实时历史服务器（配实时历史数据库pSpace）、Web服务器、打印机等组成，实现对分散的光伏电站子系统的海量数据的采集、历史数据存储、WEB发布等。

（5）信息层由WEB客户端、手机客户端、远程访问服务器、安全网关（pSafetyLink）等组成，使用者可以对自己关心的数据进行远程访问和管理，并且能保证调度层系统的安全性。

4 系统平台选型

4.1 光伏发电SCADA系统调度中心平台选型

基于方案设计以及需求分析，光伏发电SCADA系统调度中心平台推荐使用力控企业级实时历史数据库pSpace，这是一款高性能、高吞吐能力、可靠性强、跨平台的实时/历史数据库系统，同时具备以下特点：

（1）海量的数据存储，单节点支持百万级测点，适用测点多的环境，以及针对电站分布广的特点做集中管理。

（2）丰富的设备采集接口，支持主流DCS、PLC、DDC、现场总线、智能仪表等设备，并提供驱动定制，适合现场设备种类多的情况。

（3）支持变量在线组态，满足现场随时增加测点的需求。

（4）开放式架构，可任意组建应用模式，支持C/S、B/S架构，并且提供丰富的客户端应用工具。

（5）具有丰富的数据接口Phi，它是一种用来在pSpace实时数据库以及关系数据之间进行数据转储的工具，它能够方便的将pSpace中的数据进行统计并转存到关系数据库中，从而减少了历史查询给pSpace性能带来的压力，并为上层分析功能应用提供了一个新的查询历史数据入口，经过统计后的数据能更方便的被上层应用所用。

（6）具备协议转发功能，即可以根据规范，如《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》，将数据上传。

4.2 光伏发电SCADA系统安全平台选型

在提供web浏览以及数据上传转发的同时，面临着病毒、恶意软件的入侵，为了保障光伏发电SCADA系统的安全性，使用力控的安全网关pSafetyLink，其双独立主机系统分为控制端和信息端，分别接入过程控制系统网络和管理信息系统网络，同时两主机之间采用PSL专用网络隔离技术，在保证数据快速交互的同时彻底阻断了网络的连接，保证了站控层过程控制系统网络的安全。

4.3 光伏发电站控系统平台选型

站控系统可以分为有人值守和无人值守，其共同特点是都需要采集本地的数据，并且把数据统一上传到调度中心，不同点在于有人值守需要做本地采集显示，历史数据的存储分析等。

4.3.1 有人值守站控系统平台选型

有人值守站控系统选择监控组态软件ForceControl其特点如下：

（1）用户界面友好，功能模块化，组态方便。

（2）可支持IEC101、IEC103、IEC104、ModBus-RTU、ModBus-TCP、CAN2.0 等标准通信规约，实现数据的交互，并且具备支持其他厂家特殊规约的开发能力，例如南瑞、南自等。

（3）数据采集通讯控制单元支持接口类型包括RS-232、RS-485、CAN2.0、ModBus-RTU、ModBus-TCP，通过规约转换采集数据；

（4）系统异常信息实时告警，并提供多种告警方式，同时将报警信息进行存储；

（5）丰富的报表和曲线展示，软件支持报表打印、导出等功能；

（6）软件可支持Web 访问及发布功能。

4.3.2 无人值守站控系统平台选型

无人值守的环境一般比较偏僻或者恶劣，推荐使用力控的采集网关 pFieldComm。

本装置可以从通讯协议级实现串口（包括RS232、RS485、RS422等）、以太网、各种现场总线（包括CAN、LonWorks、Profibus等）通讯网络的相互转换。以便与其它设备或调度间进行实时的数据交换。pFieldComm采集网关采用高性能嵌入式计算平台，内嵌通信采集规约库和转发规约，可以实现采集多个不同子系统的数据，进行数据集中汇总、分类和预处理，并对多个上级调度等平台系统进行数据转发。它具有以下特点：

（1）硬件采用低功耗，无风扇设计，适合现场恶劣的环境，支持无人值守；

（2）硬件具备远程维护与部署的功能；

（3）具备多种工业通信协议驱动接口选择，支持多种网络架构，包括GPRS网络、VPN、以太网、总线等；

（4）支持断线缓存和冗余功能。

5 系统软件功能

5.1 数据采集和控制

（1）逆变器监控（如图2所示）

采集的基础数据：当前总功率、发电量、二氧化碳减排量、直流电压、直流电流、直流功率、交流电压、电流、逆变器机内温度等；

运行状态：运行、关闭、待机；

控制的内容：开启、停止、参数设置/调整。

图2 逆变器监控

（2）汇流箱监控（如图3所示）

采集的基础数据： 光伏阵列每路电流或每个光伏阵列电流；

报警数据：设备可提供的所有报警数据；

控制内容：开启、停止。

图3 汇流箱监控

（3）光伏阵列监控（如图4所示）

采集的基础数据有高度角、方位角、运行状态、报警数据；

控制内容：开启、定位、停止。

图4 光伏阵列监控

（4）气象监测仪监控

采集的基础数据有环境温度 、光照强度、风速、风向等。

5.2 统一的设备维护管理

力控软件平台提供监控设备使用状况功能，显示逆变器等设备的运转情况、电流和电压、设备的故障信息，提供自动报警显示并存储，并且对重要仪表统一管理，提示维修人员及时更换备件、及时维护，延长仪表的使用寿命。

5.3 系统报警

当系统任何节点、任务模块出现故障或异常，在处理系统实时的或历史的数据过程中发现异常、故障时，系统自动给出各种报警提示，包含预设的语音报警、报警简报窗口显示、报警总表显示、报警即时打印、报警画面、图元变色等。

系统产生的报警信息保存，包括告警时间、站点信息、告警类别、告警描述等。同时可以按时间、地域信息、报警类别、描述等做复杂的关键字组合查询和进行复杂的统计，如图5所示。

图5 实时报警报表

5.4 数据存储和显示

调度中心负责实时采集重要参量并进行定期存储，操作员可查询历史数据库的数据，并且以报表和曲线、棒图等形式的展示，同时可以打印数据，为技术员分析系统运行状况提供科学的依据，如图6所示。

图6 历史数据库的数据展示

5.5 用户管理

系统具备用户管理、角色管理和权限管理。管理员能够添加、修改、删除系统用户，能够定义每个用户的角色，也能为每个用户或每种角色分配系统各种功能的使用权限，如图7所示。

图7 用户管理界面

5.6 数据的在线统计

能够对发电站运行的各种常规参数进行统计计算，包括日、月、年、时段的最大、最小值及其出现时间、平均值、越限次数、越限时间、越限率、合格率等。

5.7 Web发布

通过力控软件提供的Web功能，可以使用户从IE浏览器上访问工程画面，浏览的效果与在力控软件运行系统中看到的工程画面完全相同，包含全部动态数据和动画，方便系统的远程管理。

5.8 数据的转发

力控软件提供了《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》、“用户侧光伏电站在线监测系统认证技术规范V7.0”等转发协议，可以将数据传到住建部以及金太阳中心。