基于Web 平台的光伏电站预警监控系统设计与分析

田 亮

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

随着近年来油价上涨、化石燃料开采对环境的污染加剧以及全球经济危机对低成本能源的需求，光伏发电产业迅速发展［1］。光伏电站具有区域分散大、各地环境造成发电效能差异大等特点。用户或电力公司需将分散在各个地方的光伏电站纳入统一的监控系统进行集中管理。在这种新的模式下，开发一种可以根据用户的电能需求和电站运行成本来监管和控制光伏电站发电的集成系统尤为重要［2］。现有解决方案是基于CAN、LabVIEW、MCGS 等各种控制程序的电网控制系统［3-5］。但由于各光伏电站都配备了各自的技术运行和管理人员，各电站之间缺乏有效协调与监控。且不同品牌、不同容量、不同型号的逆变器设备缺乏集中监测和统一管理，难以实现不同区域范围内多座电站的远程集中监测。另外，为有效应对电站的突发状况，也亟须设计和开发一种实时性强、运行稳定、界面友好、操作简单、智能化程度高的光伏电站监控系统。

设计一套由分布式传感器、数据采集、分析软件和执行器组成的监控系统，可监测与分析光伏系统设备的运行参数。采用多通道通信方式，保证信息传递、数据分析、能源生产控制、视频监控管理等功能的有效性。

1 监控系统构成

监控系统由嵌入式终端主机、摄像头、逆变器、穿线盒、辐射传感器、调制解调器等设备组成，系统集成如图1 所示。嵌入式终端主机是实现监控系统的主要硬件设备，主要用于监控逆变器和辐射传感器［6］。

图1 系统集成

逆变器可以将光伏太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电，可以反馈回商用输电系统，或是供离网的电网使用。本系统逆变器选用固德威DT 系列的GW15K-DT 型，其额定直流功率是15.4 kW，最大允许接入的组串功率为19.5 kW，额定输出工频为50 Hz，正常工作条件下偏差在±1%以内。

调制解调器是嵌入式终端主机与本地网的中继传输设备，由发送、接收、控制、接口及电源等部分组成。可以对来自终端主机光信号进行调制与解调。其光波长为1 310 nm，发送光功率不小于－10 dBm，接收灵敏度不大于－37 dBm，接口速率支持10／100 M自适应接入，传输速率支持纯2 M 及透明传输纯10 M两种，用户可根据实际需要自行选择。

穿线盒是介于太阳能电池方阵和太阳能充电控制装置之间的连接装置，由盒体、线缆及连接器3 部分构成，其主要作用是连接和保护太阳能光伏组件，将太阳能电池产生的电力与外部线路连接，传导光伏组件所产生的电流。其最大工作电流为16 A，最大耐压1 000 V，使用温度为-40～90 ℃，最大工作湿度为5%～95%（无凝结），防水等级为IP65，连接线直径为4 mm。

辐射传感器用于测量太阳的短波辐射量，其利用硅光探测器产生一个正比于入射光的电压输出信号，为了减小余弦误差，在仪器内安置一个余弦修正器，该辐射计可直接与数字电压表或数采器相连，进行辐射强度的测量。选用TBQ-2C 型热电型总辐射传感器，其测量波长范围为300～3 200 nm，测量辐射强度范围0～2 000 W／m2。

温度传感器具有定点数据上传功能，以无线发射电台为通信平台，具有不受地理限制、稳定、可靠和成本低等优点。选用2 组NTC 型Pt100 铂热电阻温度传感器测量光伏组件的温度。工作温度为-20～60 ℃，天线阻抗为50 Ω，测量范围为-200～400 ℃，热响应时间<30 s，允许通过的最大电流为5 mA，传感器具备稳定性好、抗震动、耐高压等特点［4］。

能量计数器能够检测温度传感器上的异常变化，且能够自动校准电流和电压通道，ADE9153B1型能量计数器是一款高精度、单相能量计量，具有传感器监控和自动校准。

由于不同电站的装机规模、所处环境以及电网接入要求各不相同，主要部件的配置可根据不同电站实际需求进行选型。监控系统主机对逆变器输出的相电压、线电压、相电流、功率、功率因数、电量、频率和开关状态量等参数进行数据采集，同时通过温度传感器采集实际运行阵列周围的空气温度，通过辐射传感器采集太阳短波辐射量，通过摄像头监测警戒区域，并进行在线气候数据分析和产能预警［7］，对异常情况及时报警。以上主要部件均通过调制解调器与主机进行数据通信。

由于光伏产能主要受光照辐射、面板温度的影响，因此，监控系统可通过与上述的信息存储组件集成，在预期产能和实际产能间存在显著差异时发出警告。主机与网站平台进行联络，以供运行人员实时监控电站运行状态。

2 监控系统主机配置

监控系统采用嵌入式PC 平台，Linux 操作系统［8］。软件开发平台为LabVIEW2011，通信方式用xml 格式文件进行描述。数据采集卡的驱动程序为NI-DAQmx9.4，利用LabSQL 数据库工具包对采集数据进行管理，即完成了数据的保存、查询、修改、删除等功能［9］。具有采集数据精度高、系统运行稳定、界面友好、操作简单、实时性强等优势。

监控系统组成：1 个数据记录器，用于从光伏发电厂设备收集数据；1 个控制器，用于修改植入行为；1 个xml 数据库，用于存储数据，数据库具有报警处理、数据分析、视频监控和数据维护功能，通过信息转换模块向系统用户传输信息。

监控系统整体架构如图2 所示。数据记录器处理与光伏植入系统之间的通信支持TCP／IP 和RTU版本的MODBUS 协议。在有网络覆盖的区域，可以通过英特网建立有线或无线连接；在无网络覆盖区域，可以通过RS232／485 和USB 建立连接。

图2 监控系统

控制器通过MODBUS 协议与光伏植入物进行交互，可接收来自用户或上级网格控制系统的命令。如能源过剩时，根据电网控制要求减少注入电网的能量；当处理程序请求以不同于正常的相位向网络中注入电流时，可重新对网络进行相位调整。控制器能够迅速响应外部命令，使系统实时与智能电网建立通信。

数据库从数据记录器和其他模块收集数据。模块间交换的所有数据使用xml 格式，数据分析模块可提供来自原始数据的聚合数据：最小值、最大值、平均值、方差和瞬时值。

数据分析模块可将太阳辐射实测数据和公共数据库提供的预期数据进行比较［10］。报警处理程序验证每个参数是否在xml 配置文件指定的约束内。维护模块自检警报功能是否正常，并验证是否执行了警报程序所需的每个步骤。视频监控模块可处理植入部位的摄像机，并提供防盗功能。

3 系统功能实现

光伏电站监控系统的信息传输模块将来自监控系统的所有信息传输到用户。上述信息在网络平台上发布，如果报警，会及时通过短信和邮件通知用户，并在网络界面上更改颜色。图3 为用于发布信息和与用户交互的Web 界面。

图3 操作界面

3.1 电站运行能力分析

监控系统控制器（如图2 所示）中嵌入智能导轨表，采集精度相对逆变器精度有明显提高，误差可控制在千分级，使数据更加有可信度。可将采集的系统电压、电流信号送入能量计数器，进而对采样信号进行计算转换为电压、电流、功率和电能等电参量。导轨表采集当前的电压、电流、有功功率、频率、功率因数等运行参数，可通过GPRS 通信模组上传至Web监控平台［11-13］。实时显示日发电量、总发电量、机内温度、总有功功率等电参数。当上报数据超过设定值时，Web 平台告警或平台发起远程跳闸命令并联动运维系统通知运维人员现场排查。

3.2 电站维护

光伏面板通过表面温度传感器采集系统参数。由于光伏面板效率随着温度的升高而降低，为有效监控光伏面板的工作效率，监控系统需采集2 个重要参数： 一是当电池板温度与太阳辐射产生热量发生异常时，采集电池板故障的发生频次数据；二是预期发电量与实际发电量的误差值。

采集光伏组件温度时，在紧贴光伏组件处外接2组温度传感器。据现场检测，在晴天13∶00 左右，光伏组件温度最高，可达50 ℃左右。当温度超过设定值60 ℃时，控制器平台预警；若温度继续升高至温度上限75 ℃时，控制器发起远程跳闸命令并联动运维系统通知运维人员现场排查。

3.3 电站安全远程监控

监控系统具有一组自动重合闸断路器控制接口，可接受主站的命令，当出现异常或其他需要人为关断、合闸的情况时，可远程对自动重合闸断路器进行控制。具有3 组电压检测功能，分别检测进线断路器负载端、自动重合闸负载端电压，判断电表箱中重要元器件的运行状态是否正常。同时，监测逆变器实时电压、电流、有功功率、频率、功率因数等运行参数。当上报数据超过设定值时，Web 平台告警或平台发起远程跳闸命令并联动运维系统通知运维人员现场排查。

3.4 电站集中管理

监控系统对不同级别的用户赋予了不同权限，从而保证系统在运行过程中的安全性和可靠性。除需要操作员级用户输入操作口令外，还需要监护人或工程师级用户输入确认口令后方可完成该操作。

4 结语

设计一套监控系统，可利用现有的通信网络与光伏电站的设备进行集成。可实现不同区域范围内多座电站的远程集中监测，为现有离网电站的管理和后续电站的建设提供了有力支撑。

监控系统可以实时监测上传系统数据，当偏离正常范围时，系统进行预警或者关断操作，避免事故发生；引入智能导轨表，采集精度相对逆变器精度有明显提高，误差可控制在千分级，使数据更加有可信度；由于导轨表可实时监测各电气元件的运行状态和电压等参数，当故障发生之后，可通过历史记录查询故障时间段内，系统中各元件的参数，精确分析故障原因和故障点。对光伏电站的性能评估和优化电站设计起到很好的指导作用。

同时，系统后端可准确进行故障预警和故障分析处理，同时可实现远程升级功能。避免依靠人工反复赶往现场进行维护和管理，减少了大量的人力和物力浪费，节省了运维成本。