离网光伏发电系统监控报警装置的设计与研究

高兢

摘要：设计一种对离网运行的光伏发电系统进行监控及报警的装置。为了避免误报警的发生，提出一种精度优化算法，并利用改良的最速下降率函数来确定报警条件。该监控报警装置的研制对于推动我国光伏发电系统的普及应用具有重要意义。

关键词：光伏发电；离网；监控；报警；阈值

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）08-0031-02

当电网由于误操作、电气故障或自然因素等原因停止供电时，太阳能光伏发电系统将检测出停电状态，自身脱离电网，继续向用户发电，形成了一个由光伏发电系统和负载构成的独立运行系统。在独立运行系统工作中，由于天气等因素影响，光伏发电系统的发电电量会瞬间或者逐渐减小，若其小于负载的使用电量，则此时处于过载，将引起用户电气设备烧毁，而当电网恢复时因相位不同步引起的冲击电流可能会损坏并网逆变器，所以有必要对独立运行的光伏发电系统的发电电量进行监控，并判断光伏发电系统的发电电量是否有持续下降的趋势，根据需要采用报警的控制方法，切断或减小用户的用电设备，以防止不良后果的发生。

1 光伏发电监控系统报警精度的问题分析

1.1 技术发展现状

随着现代经济的快速发展和社会的进步，能源需求量日益增加，但传统化石能源的储量却在逐渐枯竭，因此分布式能源的研究与应用具有广阔的前景。光伏发电作为最典型的分布式能源，得到了广泛关注，近年来发展迅速。但由于天气等原因，光伏发电电量低于用户消耗电量时，电气设备将强制被断电，从而引起电气设备烧毁等问题。人们对供电可靠性、灵活性、能源利用率等要求不断提高，希望供电系统不再是在电网发生故障时退出运行，而是在断电前发出警报，手动关闭电气设备，从而提高负载供电可靠性。因此，当光伏发电系统离网发电时，对这些发电设备进行监控，在发电电量即将低于消耗电量之前切断电气设备，使得电气设备不出现故障，保证安全用电。

1.2 存在的问题

目前对报警控制条件的研究，仅仅局限于设定一个固定阈值，当监控到的发电量低于该阈值则报警。这种设定固定阈值的监控方法在气候不稳定或其他的外界不稳定因素导致光伏发电系统发电量不稳定的情况下，容易导致误报警或未能及时报警，造成电气设备损坏。例如：发电量只是瞬间低于阈值但并未低于当前最大使用电量，而下一时刻恢复高于该阈值的情况下，会产生误报警；当前时刻的发电量未达到阈值，下一时刻突然低于阈值并且低于当前最大使用电量的情况下，报警时电气设备已经损坏。为此，本研究主要针对小规模独立光伏发电系统，研究一种新型发电监控系统的智能算法，通过预测未来时刻的发电量来决定报警条件，可以避免误报与漏报，大大提高用电设备的安全性。

2 新型光伏发电监控系统的设计

2.1 监测装置的设计

本研究提出的具有报警功能的发电量监测装置，是分布式电源离网运行时对住宅负载（照明设备、空调、冰箱、电视等）供电的监测装置，其构成如图1所示。监视单元300由连接住宅内通信回路500的通信单元310、记忆单元320、与PCS相连的数据获取单元330、处理单元340、报警单元350所组成。通信单元310是通过住宅内通信回路500的取得负载所需消耗的电量合计值，由于负载的所需消耗电量是频繁变动的，所以通信单元需要实时更新电量值。记忆单元320是记忆处理单元运行的程序。数据获取单元330是获取分布式电源供给电量。处理单元340根据记忆单元320记忆的程序进行处理，处理单元340由监测单元341、判定单元342、实施单元343所组成。监测单元341对一个监测周期内分布式电源离网运行时的发电量进行监测，当该发电量低于负载消耗的电量阈值时，缩短监测周期继续进行电量监测。

2.2 監测装置的工作原理

监测装置的工作原理是：在一个监测周期内对太阳能发电量进行检测，设定比住宅消耗电量略高的发电量阈值，当太阳能发电量低于设定的阈值时，由判定单元判定发电量是否有连续减少的倾向，若符合上述两个约束条件，则做出报警处理。

监测周期是由前述发电量下降到负载消耗电量阈值所需的最短时间（最快下降时间T）所决定，是该最短时间的分割比（如“T/2”）。该监测周期由第一监测周期（“T/2”）和比第一监测周期更短的第二监测周期（“T/4”）所组成。在第一监测周期内前述发电量低于负载消耗电量阈值时，实施第二监测周期内的发电量监测处理。

2.3 算法设计流程

电力系统一旦发生停电，控制系统就会从并网运行系统中脱出，切换成离网运行系统，监视装置开始动作。离网运行供电系统对发电量监测报警方法的流程图如图2所示。

2.4 数学函数模型

本研究提出的算法与发电量的最大下降率有关。发电量的下降率是指单位时间内的发电量下降值，由历史记录（过去该时间段天气状况记录）中实际下降率统计得出最大下降率。负载所需消耗电量合计值为发电量B，发电量A是略高负载所需消耗电量合计值的阈值，预设发电量△w=发电量A-发电量B。预设发电量△w是人为任意设定的，一般情况下设定为发电量B的20%。由预设发电量△w与发电量最短下降时间T的比值得到最大下降率Kx。关系式为Kx=△w/T。

当监测单元监测到的发电量低于负载所需消耗电量的阈值时，则需判定该监测周期内发电量是否有连续下降的倾向。具体判定方法是：根据记录的每次监测的发电量，比较当前电量值与前一时刻的电量值，来判断是否有连续下降倾向。如果没有连续下降倾向，监测单元在第二监测周期进行发电量监测处理；如果确定发电量有连续下降的倾向，通知报警单元做报警处理。

3 结语

本研究设计一种对独立光伏发电系统的发电量进行监测并具有报警控制功能的装置，可以提高用电设备的安全性；并提出一种改良的精度优化算法和最速下降率函数作为报警条件，以减少误报警的发生几率。该新型光伏发电监控系统的研制对于推动我国光伏发电系统的普及应用具有重要意义。

参考文献

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[4] 林楠.独立光伏发电系统远程监控装置设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

Abstract： A device which can monitor and warn the photovoltaic power generation off-grid was designed. In order to avoid the occurrence of false alarms， a precision optimization algorithm was put forward and warning condition was determined by use of improved steepest descent rate function. The development of the monitoring warning device was of great significance to promote popularization and application of photovoltaic power generation system in China.

Key words： photovoltaic power generation； off-grid； monitoring； warning； threshold value