基于現(xiàn)場(chǎng)總線的大型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于現(xiàn)場(chǎng)總線的大型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) （國網(wǎng)電力科學(xué)研究院清潔能源發(fā)電研究所，南京市 210003）摘要：本文針對(duì)大型光伏電站的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了大型光伏電站對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的需求和lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)，提出了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的大型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。整套系統(tǒng)具有功能全面、組網(wǎng)靈活、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能夠有效提高大型光伏電站的運(yùn)行維護(hù)效率。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線，lonworks，光伏電站，監(jiān)控系統(tǒng)4 引言目前，世界范圍內(nèi)的太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，近10年全球太陽能光伏產(chǎn)業(yè)年均增長(zhǎng)41.3%，近5年為49.5%，而中國已經(jīng)為世界上最大的太陽能光伏電池組件的生產(chǎn)國，約占世界總產(chǎn)

2、量的40%以上。2009 年3 月，財(cái)政部發(fā)布并實(shí)施“太陽能屋頂計(jì)劃”，支持開展光電建筑應(yīng)用示范，通過20 元/wp定額補(bǔ)助，推廣城市光電建筑一體化利用、農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)建筑光電利用。2009年7月，財(cái)政部等三部門又共同推出“金太陽工程”，計(jì)劃在三年內(nèi)投入30億資金，補(bǔ)助不低于500mw的光伏發(fā)電項(xiàng)目，單個(gè)項(xiàng)目將得到相當(dāng)于其建設(shè)費(fèi)用50%70%的補(bǔ)助。在這一系列支持政策的刺激下，我國已投入運(yùn)行、在建及規(guī)劃中的太陽能光伏電站數(shù)量和規(guī)模正在逐年大幅攀升。根據(jù)并網(wǎng)電壓等級(jí)和裝機(jī)容量的不同，光伏電站可以分為小型、中型和大型；根據(jù)建設(shè)形式的不同，光伏電站又可分為離網(wǎng)型、用戶側(cè)并網(wǎng)型及大型并網(wǎng)型。目前，在我

3、國已建成或在建的光伏電站中，大型并網(wǎng)光伏電站占據(jù)了很大比例，這是在太陽能資源發(fā)達(dá)地區(qū)的主要建設(shè)形式。大型光伏電站必須配備自動(dòng)運(yùn)行、功能完善的監(jiān)控系統(tǒng)。這種監(jiān)控系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)或變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，相對(duì)來說，大型光伏電站內(nèi)設(shè)備種類不及傳統(tǒng)電廠豐富，生產(chǎn)控制流程也不太復(fù)雜。但其典型特點(diǎn)是裝機(jī)容量大（10mw以上）、占地面積廣（150畝以上），且地理位置偏僻、維護(hù)人員很少，這就要求生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安保技防等各環(huán)節(jié)集中統(tǒng)一起來，且能夠適應(yīng)其位置分散、配置靈活的特點(diǎn)?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)的大型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)可以滿足這些要求。5 lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)lonworks

4、技術(shù)是目前控制領(lǐng)域的主流現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一，其采用的lontalk協(xié)議遵循iso/osi參考模型，實(shí)現(xiàn)了osi所定義的全部7層協(xié)議，這是目前唯一提供全部7層協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線。lonworks總線技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片（neuron chip），lontalk協(xié)議被完整的內(nèi)置在神經(jīng)元芯片中。這樣，只要在設(shè)備中嵌入神經(jīng)元芯片和合適的軟硬件接口，設(shè)備就能夠被安裝到lonworks控制網(wǎng)絡(luò)中。神經(jīng)元芯片內(nèi)包括3個(gè)8位cpu，以并行方式工作：第一個(gè)cpu為介質(zhì)訪問控制器，處理lontalk協(xié)議的第一、第二層；第二個(gè)cpu為網(wǎng)絡(luò)處理器，處理lontalk協(xié)議的第三到第六層；第三個(gè)cpu為應(yīng)用處理器，執(zhí)行用戶代

5、碼以及用戶調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。當(dāng)被應(yīng)用于大型光伏電站監(jiān)控時(shí)，lonworks總線技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：（1）可選用雙絞線、電力線、光纖等多種物理介質(zhì)，并且已經(jīng)有整合了神經(jīng)元芯片與物理層的智能收發(fā)器芯片。智能收發(fā)器目前包括雙絞線和電力線兩種物理層，其中雙絞線物理層電氣性能達(dá)到2km/78kbps；電力線物理層能夠耦合到供電線上，靈敏度可達(dá)-80db，并在兩個(gè)波段上分別提供3.6kbps和5.4kbps的通信速率。（2）基于lonworks的設(shè)備可以采用分布式的對(duì)等通信方式，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備都能夠在不依賴其他設(shè)備的情況下獨(dú)立的接收、發(fā)送和處理網(wǎng)絡(luò)信息。這意味著每個(gè)l

6、onworks設(shè)備都能夠自主進(jìn)行決策和信息處理，而不依賴于中央處理器，任意節(jié)點(diǎn)的故障也不會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓。（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變。可以使用總線形、星型、環(huán)形等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而大大降低了建設(shè)與維護(hù)的工作量。（4）lonworks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間使用邏輯連接，很容易添加和刪除節(jié)點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整和擴(kuò)充。（5）lontalk協(xié)議可以根據(jù)不用的應(yīng)用環(huán)境而靈活配置，該協(xié)議嚴(yán)格按照osi七層模型設(shè)計(jì)，并且完全開放。6 監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)大型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心、光纖環(huán)網(wǎng)、監(jiān)控子網(wǎng)、通信單元、測(cè)控終端、安保技防單元等部分組成，系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1. 監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)監(jiān)控中心是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)

7、的核心。監(jiān)控中心通過通信系統(tǒng)與各現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，完成運(yùn)行監(jiān)測(cè)、命令下達(dá)、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)顯示、統(tǒng)計(jì)分析等功能，并接受調(diào)度指令，進(jìn)行光伏電站的有功/無功功率控制。光纖環(huán)網(wǎng)是監(jiān)控系統(tǒng)的骨干通信網(wǎng)，物理介質(zhì)采用100m或1000m單模光纖，通信協(xié)議為tcp/ip協(xié)議，具有速度快、實(shí)時(shí)性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，可配置為單環(huán)網(wǎng)或雙環(huán)網(wǎng)形式，監(jiān)控中心和各現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入光纖環(huán)網(wǎng)。監(jiān)控子網(wǎng)是指由各種測(cè)控終端、現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)以及安保技防單元組成，并一同接入工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的監(jiān)控子系統(tǒng)。大型光伏電站一般以500kw或1mw容量為一個(gè)光伏發(fā)電單元，監(jiān)控子網(wǎng)的功能范圍就是以光伏發(fā)電單元為依據(jù)來界定的。

8、監(jiān)控子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中光伏匯流箱的測(cè)控終端以電力線載波方式通過直流電纜通信，直流防雷配電柜內(nèi)的測(cè)控終端接收載波信號(hào)，并通過雙絞線將光伏匯流箱與自身的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一起發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線上。圖2. 監(jiān)控子網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通信單元負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)預(yù)處理和規(guī)約轉(zhuǎn)換，是信息上傳下達(dá)的關(guān)鍵設(shè)備。監(jiān)控子網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議和其他通信協(xié)議將通過規(guī)約轉(zhuǎn)換和隧道技術(shù)在tcp/ip網(wǎng)絡(luò)上完成傳送。測(cè)控終端是監(jiān)控系統(tǒng)中最基本的設(shè)備，負(fù)責(zé)完成末端的數(shù)據(jù)采集與命令下達(dá)，并與通信單元進(jìn)行交互。根據(jù)測(cè)控對(duì)象、處理能力和通信介質(zhì)的不同，測(cè)控終端也分為不同類型，以達(dá)到靈活部署、降低成本的目的。7 監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能4.1 scada功能大

9、型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的scada功能可以分為操作類和管理類兩大類，數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、事件記錄等屬于操作類功能，而用戶管理、安全管理、系統(tǒng)設(shè)置、時(shí)間同步等屬于管理類功能，其中較為重要的功能包括：（1）數(shù)據(jù)采集與處理。系統(tǒng)通過前置通信服務(wù)器接收來自各通信單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。對(duì)于實(shí)際測(cè)點(diǎn)，根據(jù)模擬量、狀態(tài)量、電度量等不同數(shù)據(jù)類型分別進(jìn)行預(yù)處理；對(duì)于計(jì)算測(cè)點(diǎn)，通過計(jì)算引擎和計(jì)算規(guī)則在線完成計(jì)算任務(wù)。（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估。監(jiān)控中心能通過顯示器對(duì)光伏電站主要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過系統(tǒng)配置圖、電氣接線圖、過程曲線圖、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等畫面展示系統(tǒng)的各個(gè)細(xì)節(jié)，并評(píng)估系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)。（3）設(shè)備操

10、作與控制。監(jiān)控中心能夠?qū)夥娬局饕O(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，控制命令通過通信單元下達(dá)。使能遠(yuǎn)程控制功能后，監(jiān)控中心可以在畫面上對(duì)逆變器進(jìn)行起機(jī)、停機(jī)、限制出力等基本控制，以及對(duì)各電壓等級(jí)斷路器、隔離開關(guān)等進(jìn)行遙控操作。（4）系統(tǒng)報(bào)警與診斷。系統(tǒng)報(bào)警可分為兩種類型，一種是事故報(bào)警，另一種是預(yù)警報(bào)警。前者一般包括逆變器主動(dòng)上報(bào)故障信息，以及非計(jì)劃性斷路器跳閘等；后者包括一般設(shè)備變位、采集數(shù)據(jù)異常、趨勢(shì)報(bào)警等。報(bào)警信號(hào)以圖形、文字、語音等形式發(fā)出，并提供輔助診斷信息。（5）事件記錄與追憶。當(dāng)光伏電站或電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)提取故障前后指定時(shí)間段內(nèi)的有關(guān)信息以供分析，事故追憶的可通過關(guān)鍵故障條件自動(dòng)觸

11、發(fā)，也能夠以用戶指定的方式啟動(dòng)。4.2 高級(jí)應(yīng)用功能（1）有功/無功自動(dòng)聯(lián)合控制。有功自動(dòng)聯(lián)合控制是指根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令或系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)總有功輸出以及系統(tǒng)內(nèi)各逆變器的有功輸出進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控分配，以滿足電網(wǎng)調(diào)度要求，并優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行效率。無功自動(dòng)聯(lián)合控制是指根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令或接入電網(wǎng)狀態(tài)，利用逆變器可以在0.95（超前）0.95（滯后）功率因數(shù)范圍內(nèi)平滑輸出無功功率的能力，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)svc/svg和各逆變器的無功輸出進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控分配，從而滿足電網(wǎng)對(duì)接入點(diǎn)電壓的要求。（2）光伏功率預(yù)報(bào)。監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了與光伏功率預(yù)報(bào)系統(tǒng)的信息接口，預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取運(yùn)行數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，也可以通過監(jiān)控系統(tǒng)將

12、短期光伏功率預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)發(fā)往調(diào)度中心。4.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)功能大型光伏電站占地面積大、工作人員少、維護(hù)難度大，特別是當(dāng)光伏電池組件表面存在污染或遮擋時(shí)對(duì)系統(tǒng)發(fā)電量影響非常大。將環(huán)境監(jiān)測(cè)功能納入監(jiān)控系統(tǒng)體系中，對(duì)電站內(nèi)光伏電池表面污染狀況、空氣質(zhì)量、蓄水池水量（用于清洗光伏電池）等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，可以有效提升系統(tǒng)發(fā)電效率，減少維護(hù)工作量。4.4 安保技防功能安保技防功能包括視頻監(jiān)視、紅外探測(cè)、聲光報(bào)警以及應(yīng)急照明等四個(gè)主要環(huán)節(jié)，對(duì)光伏電站完成無盲區(qū)覆蓋，工作人員通過該功能可以提高安保水平、降低工作強(qiáng)度，該功能同時(shí)也為環(huán)境監(jiān)測(cè)和設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視提供了技術(shù)手段。8 監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件5.1 測(cè)控終端測(cè)控終

13、端直接面向測(cè)控對(duì)象完成數(shù)據(jù)采集上傳與控制命令下達(dá)的任務(wù)。測(cè)控終端的核心器件是微處理器和智能收發(fā)器，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，微處理器可以采用arm7、arm9或powerpc，智能收發(fā)器可以選擇電力線或雙絞線物理層。具體的，微處理器承擔(dān)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理以及控制命令辨識(shí)等功能，而智能收發(fā)器負(fù)責(zé)在lonworks總線上收發(fā)數(shù)據(jù)。測(cè)控終端的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3. 測(cè)控終端的基本結(jié)構(gòu)5.2 通信單元通信單元采用高性能嵌入式系統(tǒng)，支持lontalk協(xié)議和iec60870-5-101、iec50870-5-103、iec50870-5-104、cdt等通信規(guī)約，具備多個(gè)lonworks雙絞線、以太網(wǎng)、rs2

14、32、rs485接口，可以同時(shí)與多臺(tái)不同通信介質(zhì)的測(cè)控終端進(jìn)行信息交互，并能正確接收、識(shí)別、處理、執(zhí)行監(jiān)控中心的遙控命令。5.3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用分層分布的跨平臺(tái)開放式系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。支撐平臺(tái)系統(tǒng)由消息/服務(wù)軟總線、系統(tǒng)管理服務(wù)、安全防護(hù)服務(wù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)、業(yè)務(wù)運(yùn)算服務(wù)和公共服務(wù)構(gòu)成，其中公共服務(wù)包括數(shù)據(jù)服務(wù)、模型服務(wù)、文件服務(wù)、畫面服務(wù)、告警服務(wù)、權(quán)限服務(wù)、報(bào)表服務(wù)、日志服務(wù)等組件。scada等應(yīng)用功能在支撐平臺(tái)系統(tǒng)上運(yùn)行。圖4. 監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)9 結(jié)束語lonworks總線技術(shù)在實(shí)時(shí)性、可靠性、維護(hù)性、實(shí)現(xiàn)性等方面具有顯著優(yōu)點(diǎn)，基于此開發(fā)的大型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)具有功能全面、組網(wǎng)靈活、安裝方便、穩(wěn)定可靠、反應(yīng)迅速等特點(diǎn)，能夠有效提高大型光伏電站的運(yùn)行維護(hù)效率。參考文獻(xiàn)1閆銘, 王璐璐. lonwork