甘肃黑河50MWp光伏发电工程监控系统设计与应用

郭 琳

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

甘肃黑河水电50MWp并网光伏发电工程位于张掖市甘州区西南，距张掖市区20km，海拔高度1670m。电站场址距张掖330kV变电站10km，距110kV黑开变电站2km。工程区多年平均太阳总辐射量6129.96MJ/m3，多年平均日照小时数3110.5h，最大阵风风速2.7m/s，沙尘天数7d/a，年平均气温7.3℃，场地开阔、平坦，交通便利。工程装机容量为50MWp，工程占地约1.2km3。

本工程光伏并网发电系统，采用分块发电、集中并网方案，整个发电系统由50个1MWp光伏发电子系统组成，每个光伏发电子系统分别经过一台0.27kV/0.27kV/35kV升压变压器将电压升至35kV，35kV电缆接至电站110kV升压变电站35kV配电装置，经总升压变压器将电压升至110kV，以1回110kV架空线路送至电力系统。电站按“无人值班”(少人值守)的原则设计，采用计算机监控。电站组件的自动化元件、SVG系统、光功率预测系统、有功功率系统均满足计算机监控的要求。

1 设计要求

监控系统是系统中主要的人机接口，是整个变电站监控运行的中心。通过通信网获得全站电气量、开关量、保护信息及各种文件信息，经其进一步处理，保障整个系统安全运行，并满足下列要求。

（1）数据的实时采集和处理。实时采集阵列输出电压、电流、环境参数(辐照度、温度、风速)、逆变器输出电压、电流以及蓄电池端电压、蓄电池温度、蓄电池充电电流等数据上传至上位机，并作预处理，存于实时数据库，供计算机系统用于画面显示、控制调节、报表统计，操作管理和故障分析定位等。

（2）数据的实时显示。根据需要调用数据库内容，更新画面，显示调用方式、报表、模拟量趋势曲线、报告接口、历史数据等。

（3）运行及故障的监测。实时监测光伏发电系统运行状态，在设备故障时，监控系统立即发出警报，显示故障的时间和故障原因。根据警报的优先级发出不同报警信号,通知工作人员。具有报警(包括电话语音报警)，报警等级修改，报警汇总，报警历史记录等功能。

（4）打印功能。用于实时打印事件、报警信号、报表、历史数据、报警记录等数据。

（5）远方调度功能。该系统能保证在无人值班的条件下安全可靠运行,应具有遥测、遥信、遥控、遥调功能，遥测、遥信除送地调监控外，还需送往省调、集控中心，信息通过远动通道传送，通信规约遵循国际通用的标准通信协议。

（6）系统自诊断与自恢复功能。系统设备有自诊断功能，设备异常有报警信号，设备本体有LED信号指示，系统各设备不仅自检，还可通过网络进行设备间的互检，形成系统检测报告。并将系统异常情况及时报警通知运行人员以及时处理，且可对某些异常情况进行恢复或冗余部件切换处理。

2 系统总体结构

图1 黑河光伏发电工程监控系统结构框图

黑河50MWp光伏发电工程监控系统采用分层分布式结构，由站控层、网络层及现地控制单元构成。站控层主要完成信息的收集和综合处理，配置操作员站、工程师站、培训站、远动站等。站控层设备均布置在相应的二次屏室及逆变器室内。根据国家电力监管委员会主席办公会5号令的要求配置计算机监控系统安全防护方案。

主控机和现地单元通过以太网连接；现地层主要包括测控单元、与站控层网络的接口以及和继电保护通信接口装置等，通过总线与CPU连接；站控层设备及现地层设备均按工程实际建设规模配置。站控层设备及现地层设备均布置在相应的二次屏室及逆变器室内。网络层包括网络交换机光/电转换器、光配线架（盒）、接口设备、网络连接线、电缆、光缆及网络安全设备等；实现网络传输速率不小于100Mbps，构成分布式高速工业级以太网，实现站级单元的信息共享以及站内设备的在线监测、数据处理以及站级联锁控制，设备组屏布置。系统结构图如图1所示。

图2 保护配置图

图3 环境监测器总体结构图

图4 系统软件结构框图

3 系统硬件

黑河50MWp光伏发电工程监控系统硬件主要是由上位机系统、光伏逆变现地单元、保护装置及环境监测仪等部分组成。

3.1 上位机系统

上位机系统监控主机、工程师站、远动通信设备、智能接口设备、GPS设备、各种语音提示设备及打印机等构成。

主机兼操作员站，监控主机用作站控层数据收集、处理、存储及网络管理的中心。操作员站是站内监控系统的主要人机界面，用于图形及报表显示、事件记录及报警状态显示和查询，设备状态和参数的查询，操作指导，操作控制命令的解释和下达等。运行人员可通过操作员工作站对变电站各一次及二次设备进行运行监测和操作控制。远动工作站通过远动通道向调度端传送信息。

3.2 现地控制单元

现地控制单元（LCU）是监控系统的核心组成部分，也是联系整个监控系统的纽带。光伏逆变现地单元的测量及控制是通过逆变器室内安装的数据采集柜实现。数据采集柜用于采集、处理光伏电站系统中逆变器室内电气设备、室外箱变及汇流箱数据，可与光伏并网逆变器、汇流箱、室外箱变进行通讯，既可以对单台逆变器进行监控，也可以对数台逆变器进行监测。具有多种数据通讯接口，包括RS485标准串口、USB、网络通讯等。

每套数据采集柜包括1套通信服务器及1套数字式综合测控装置。

3.2.1 通信服务器应具有的特点

（1）采用32位高性能单片机和商用实时多任务操作系统。

（2）内置GPS硬件对时插件用于全系统时钟同步，应满足与电站主监控系统的对时要求，时钟偏差不大于1ms。

（3）应具有高速可靠的网络通信接口用于系统扩展。

（4）应有灵活的在线、离线调试手段，可靠的程序升级、下载参数及数据查询功能，满足日新月异的网络信息时代要求。

（5）对监控主网采用光纤通信口，对现地设备采用异步通信口，并支持同步通信方式。支持 IEC 870-5-101/103、DL 451-1991（国标 CDT）、N4F-POLLING等各种标准通信规约，并可根据用户要求单独进行特殊规约的开发。

3.2.2 数字式综合测控装置应具有的特点

主要功能包括：开关量信号采集、脉冲信号采集、编码信号采集、温度信号采集、直流信号采集、交流量信号采集、开关量控制输出、模拟量信号输出/遥调、远方就地操控、以及各种通讯接口等。

配置有GPS硬件对时电路，便于全系统时钟同步。通信接口配备高速以太网络通信（支持电或光接口），同时支持双串口通信连接，支持IEC 60870-5-103标准通信规约。

3.3 保护装置

与集成电路型模拟式保护相比，微机保护装置功能齐全、运行灵活、可靠性高、抗干扰能力强、具备自检功能、价格适中、且能方便地与本站计算机监控系统接口。结合本站自动化水平的要求，本监控系统采用微机型继电保护装置，由线路保护、母差保护、故障录波、主变压器保护等构成。配置示意图如下图2所示。

110kV线路保护采用四方公司CSC-163AZ1微机光纤纵差保护测控装置，该装置实现高压线路的保护和测控功能，以微机光纤纵差保护为主保护，以三段式相间距离、三段式接地距离及四段式零序方向电流保护为后备保护，独立组屏安装。

110kV母线及35kV母线采用南瑞继保公司RCS-915AB母差保护，用于单母线接线，含断路器失灵及失灵启动功能。

主变压器保护由南瑞继保公司RCS-9671CS-2TP型微机变压器主保护、RCS-9661CS-2TP型微机变压器非电量保护、RCS-9681CS-2TP型微机变压器高低压测后备保护装置构成，采用“启动+出口”方式。保护出口采用跳闸矩阵方式，可灵活整定。差动保护是对变压器绕组和引出线上发生故障时，其保护瞬时动作，跳开各侧电源断路器；瓦斯保护反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作，其中轻瓦斯动作于信号，重瓦斯动作于跳开变压器各侧电源断路器。可实现15路非电量保护，其中8路非电量保护可以通过CPU延时发信号或跳闸。

35kV线路及10kV线路保护采用RCS-9611CS系列微机线路保护测控装置，该微机线路保护测控装置实现中低压线路的保护和测控功能，配置三段电流电压方向保护。保护测控装置在开关柜就地安装。

3.4 环境监测

光伏发电系统的能量密度低、随机性强，所以构成的分布式发电系统的网络拓扑结构与传统的集中式发电系统的网络拓扑结构有明显的区别。光伏发电系统受环境因素影响较大，通过分析不同环境参数及电站运行数据的影响，不仅可以对电站性能进行评估，还对研究光伏电站运行特性，进行光伏电站优化设计，起着重要的作用。环境监测器主要监控系统工作环境，包括组件温度、环境温度、太阳辐照度、风速、风向等，环境监测器总体结构如图3所示。本站应用Pcs9700系列光伏预测系统化，并采用MYSQL数据库作为数据库支撑平台，存储数值天气预报、历史气象监测数据、历史电气量数据、历史功率数据、短期超短期功率预测数据。

该系统要对上述实时气象、发电量数据的采集、数值天气预报的接入、以及未来光伏电站发电量的预测进行对比分析，并将上述分析结果提供给计算机监控系统。由计算机监控系统结合环境参数对电站的发电量进行测算，并通过实际发电量对整个电站的综合转换效率进行计算，为电网调度方合理安排发电计划提供参考。

4 系统软件

系统软件管理整个系统资源，实现数据采集和处理、被测量的实时显示、系统诊断、参数计算、数据库管理等功能，应与系统的硬件资源相适应。除系统软件、应用软件外，还应配置在线故障诊断软件，数据库应考虑具有在线修改运行参数、在线修改屏幕显示画面等功能。

黑河50MWp光伏发电工程监控系统软件基于WindowsNT4.0以上系统，采用面向对象的方法和模块化及向上兼容的设计原则。严格满足可靠性和实时性要求，同时在系统的组态灵活性、扩展性、可用性、维护性以及操作性等方面有了新的突破。该监控系统采用开放式的工作平台，为多窗口多任务系统，人机交互界面友好，画面美观简洁。系统的软件结构框图如图4所示。

该软件功能包括：（1）具有基本的应用功能，可以实现系统可靠运行必需的服务功能；（2）管理命令功能，登录时需要用户名和密码，登录系统后直接进入系统主控界面；为保证控制安全，系统根据权限不同开放不同界面，最高权限，系统完全开放；（3）报警功能，当系统出现异常时，能够产生与发布报警(包括电话语音报警)，并将数据记录和汇总，报警等级可以根据需要进行修改；（4）操作员监控功能，操作员可以设标志操作，通过人工设置确定操作权限及报警状态，也可以改变报警限值，同时对设备进行人工控制及设点控制；（5）打印功能，各种报警报表打印、操作记录打印、画面和屏幕拷贝打印等功能；（6）数据显示功能，能够显示模拟量趋势曲线报告接口，同时具有历史数据编辑及历史数据处理功能；（7）系统管理功能，主要是系统配置、计算机时钟、应用软件监视管理、报表编辑、远方调度等，可以实现数据记录、数据库编辑及更新、设点控制、单台设备控制、SOE时钟校正、远方调度中心调度等功能。

5 结论

黑河50MWp光伏发电工程已于2012年12月20日并网试运行，监控系统运行稳定，设备硬件和软件应用功能以及运行效果都达到了相关标准和技术要求。不但实现了光伏电站自动发电、预测发电量并网等的基本功能，而且为电站的稳定、安全运行提供了可靠的分析依据。使运行人员能够及时了解电站的运行状态，发现故障征兆，防止故障的恶化。该监控系统提高了整个电站的运行效率和管理水平，取得了好的社会效益和经济效益。陕西水利

[1]吴华波,曾素琼等.光伏并网逆变器合闸方法研究[J].高压电气,2011,(7）:24-28.

[2]於益军，雷为民，单茂华等.风光储联合发电监控系统功能设计与应用[J].电力系统自动化,2012,20(3):32-38.

[3]杨建，杨宇东，胡会永等.乌兰并网光伏电站设计体会[J].第29界电气年会论文:49-52

[4]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术 [M].北京:化学工业出版社，2009，9.

[5]李红萍.工控组态技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011．

[6]王立乔，孙孝峰.分布式发电系统中的光伏发电技术[M].北京：机械工业出版社，2010．

[7]罗飞.综合自动化系统在小型水电站中的应用[J].丽水学院学报,2009,31(2):82-86.

[8]黄新波.智能变电站原理与应用 [M].北京：中国电力出版社，2012．

[9]王军辉.花园水电站综合自动化系统的设计与应用[J].电网与清洁能源,2013,(11）.