浅谈分布式光伏监控系统的应用开发

摘要：随着光伏发电技术逐步趋于成熟和完善，为了满足光伏发电并网需求，需对光伏发电实行实时监控，当前的分布式光伏发电监控系统主要采用硬连线的组网方式，存在着需挖沟走槽、布线复杂、通信不可靠、时钟不同步等问题。鉴于此，提供了一种分布式光伏监控系统，旨在解决传统监控系统存在的上述问题。

关键词：通信；ZigBee；离散分析；时钟同步

0 引言

  在国家的大力倡导下，分布式光伏电站如今开始兴起，它充分利用了闲置的屋顶、楼顶、厂房顶、农业大棚等，而且低压并网安全又可靠，由此看来，分布式光伏发电的发展是大势所趋。正是在这种趋势的引导下，很多从事电气行业的电气公司开始纷纷转移到分布式能源上来，大量的分布式能源建成投产。为实现对分布式能源的监控，满足电力接入电网的要求，需对分布式能源的合理调配、集中监控、电网分析、配网自动化及日常维护等进行统一管理。然而，当前的分布式光伏发电监控系统主要采用硬连线的组网方式进行监控，而硬连线的组网方式存在着需挖沟走槽、布线复杂、通信不可靠、时钟不同步等问题。

1 系统设计

  本文的主要目的在于提供一种分布式光伏监控系统，旨在解决现有光伏发电监控系统存在的需挖沟走槽、布线复杂、通信不可靠、时钟不同步等问题。为实现上述目的，本文提供了一种分布式光伏监控系统，该系统包括监控中心、通信管理机、汇流箱及逆变器等设备。监控中心用于通过下行目标信道将数据请求无线发送至通信管理机；通信管理机用于接收所述数据请求，并通过上行目标信道将与所述数据请求对应的设备的运行数据无线反馈至监控中心，其中，运行数据为通信管理机采集并保存设备的运行数据。监控中心用于通过上行目标信道接收所述运行数据，并对所述运行数据进行监测。

本系统网络结构由中心节点子网和分布式子网组成，如图1所示，通过对中心节点子网ZigBee数据包和分布式子网ZigBee数据包进行解析，得到信号强度指示值，判断所述信号强度指示值是否满足预设的信道要求，若满足所述信道要求，则对所述信号强度指示值进行离散率分析，得到离散率值。根据所述离散率值确定所述下行目标信道及所述上行目标信道。

图1 分布式光伏监控系统网络结构图

  监控中心还用于通过所述下行目标信道发送时钟同步命令至与所述下行目标信道对应的通信管理机。通信管理机基于所述时钟同步命令进行时钟修正，并通过所述上行目标信道将修正后的时钟返回至监控中心。监控中心与通信管理机采用冗余数据补抄标识，确保数据的安全与完整性。

2 系统通信实施

  在本文实施例中分布式光伏监控系统中包括一个监控中心、若干通信管理机及若干设备。监控系统与通信管理机之间进行信息传输的通道称之为信道，分布式光伏监控系统中可以存在多条信道。其中，下行目标信道表示信息传输方向由监控系统至通信管理机，且网络良好、信道噪声小、传输误码率小的信道。通信管理机用于接收数据请求，并通过上行目标信道将与数据请求对应的设备的运行数据无线反馈至监控中心，其中运行数据为通信管理机采集并保存的设备的运行数据。

在本文实施例中，上行目标信道及下行目标信道表示相匹配的信道，可以是同一信道也可以是不同的信道，上行目标信道及下行目标信道中的上行与下行仅表示信息传输方向，不具有其他限定含义。

  在本文实施例中，每一台通信管理机通过串口线实时获取与自身连接的设备的运行数据，并将获取到的运行数据保存在该通信管理机内，通信管理机在接收到数据请求后，通过上行目标信道将与该数据请求对应的设备的运行数据无线反馈至监控中心。监控中心通过上行目标信道接收运行数据，并对运行数据进行监测。

监控中心还通过下行目标信道将数据请求无线发送至通信管理机，通信管理机用于接收数据请求，并通过上行目标信道将与数据请求对应的设备的运行数据无线反馈至监控中心。与现有技术相比，本文实施例中监控中心基于无线通信的冗余离散分析算法，提高了分布式光伏监控系统通信的可靠性，大大降低了项目的投资成本。

  在分布式光伏监控系统中，每一个信道中的ZigBee数据包的获取过程都是相同的，针对某一信道，预先设置时间段，并将该时间段分成n个采集周期，在预设时间段内，每隔一个采集周期从信道中的中心节点子网的ZigBee设备上采集到1个ZigBee数据包，可以采集n个ZigBee数据包。若一个信道中的分布式子网由k个ZigBee设备构成，在预设时间段内，每隔一个采集周期从信道中的分布式子网中的k个ZigBee设备上采集到k个ZigBee数据包，一共可以采集k×n个ZigBee数据包。通过对中心节点子网的ZigBee数据包和分布式子网ZigBee数据包进行解析，可以得到不同的信号强度指示值。然后对信号强度指示值进行离散率分析，根据得到离散率值就可以判断，满足预设的信道要求表示该信道所处的网络性能良好，信道噪声比小；不满足预设的信道要求表示该信道所处的网络性能较差，信道噪声比大。针对不满足预设的信道要求的，可以通过调整ZigBee设备的位置，频段的匹配调整或增加中继，来提高系统的通信效果及通信的可靠性。

3 系统时钟同步实施

  由于中心节点子网与分布式子网之前是无线传输的，所以监控中心和通信管理机之间信息传输会存在延迟，并且串口线之间进行信息传输也需要传输时间。例如，在某一时刻，监控中心获取当地时间为T，监控中心进行信息打包处理时间为ΔT1，监控中心将打包处理后的信息传输给通信管理机的时间为ΔTc，通信管理机接收到打包处理后的信息后进行解包处理，解包处理时间为ΔT2，通信管理机如果将T作为当前时间修正本地时钟，则这次修正是不正确的，因为通信管理机修改本地时钟的那一时刻，标准时间应该是T+ΔT1+ΔTc+ΔT2，因此，若监控中心在T时刻，将T+ΔT1+ΔTc+ΔT2作为标准时间发送至通信管理机，时钟修正才是准确的。

  其中，ΔT1+ΔTc+ΔT2的确定方法是通过测延迟报文来实现，测延迟报文通常是在初始化时和通信链接中断后又恢复时进行的，测延迟报文的具体流程为：在T+ΔT1+ΔTc+ΔT2时刻，通信管理机收到时钟同步命令后，通信管理机同时发送确认命令，确认命令的长度与收到的时钟同步命令的长度相同，弯曲部位易受到管壁的摩擦和机械损伤从而导致110 kV高压电缆产生扭曲，管壁和电缆线之间发生摩擦损伤。如果在设计阶段没有充分考虑施工时对电缆的影响，尤其是当电缆路径的转弯半径不足或转弯处的侧压力过大时，管道中的残渣将对电缆的外护套造成致命损伤，并且可能会导致金属护套变形、主绝缘变形，这将给后面的电缆附件制作造成难题，也给后期的运行维护埋下安全隐患。

4 安科瑞光伏电站电力监控装置及解决方案

4.1 交流220V并网

  交流220V并网的光伏发电系统多用于居民屋顶光伏发电，装机功率在8kW左右。户用光伏电站今年发展非常迅猛，根据国家能源局网站提供的数据，截至2021年6月底，全国累计纳入2021年国家财政补贴规模户用光伏项目装机容量为586.14万千瓦，这相当于6个月在居民屋顶建造了四分之一个三峡水电站。

  部分小型光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能。光伏电站规模较小，而且比较分散，对于光伏电站的管理者来说，通过云平台来管理此类光伏电站非常有必要，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：

4.2 交流380V并网

  根据国家电网Q/GDW1480-2015《分布式电源接入电网技术规定》，8kW~400kW可380V并网，这类分布式光伏多为工商业企业屋顶光伏，自发自用，余电上网。分布式光伏接入配电网前，应明确计量点，计量点设置除应考虑产权分界点外，还应考虑分布式电源出口与用户自用电线路处。每个计量点均应装设双向电能计量装置，其设备配置和技术要求符合DL/T 448的相关规定，以及相关标准、规程要求。电能表采用智能电能表，技术性能应满足国家电网公司关于智能电能表的相关标准。用于结算和考核的分布式电源计量装置，应安装采集设备，接入用电信息采集系统，实现用电信息的远程自动采集。

 

  光伏阵列接入组串式光伏逆变器，或者通过汇流箱接入逆变器，然后接入企业380V电网，实现自发自用，余电上网。在380V并网点前需要安装计量电表用于计量光伏发电量，同时在企业电网和公共电网连接处也需要安装双向计量电表，用于计量企业上网电量，数据均应上传供电部门用电信息采集系统，用于光伏发电补贴和上网电量结算。

部分光伏电站并网点需要监测并网点电能质量，包括电源频率、电源电压的大小、电压不平衡、电压骤升/骤降/中断、快速电压变化、谐波/间谐波THD、闪变等，需要安装单独的电能质量监测装置。部分光伏电站为自发自用，余电不上网模式，这种类型的光伏电站需要安装防逆流保护装置，避免往电网输送电能。

这种并网模式单体光伏电站规模适中，可通过云平台采用光伏发电数据和储能系统运行数据，安科瑞在这类光伏电站提供的解决方案包括以下方面：

4.3 10kV或35kV并网

  根据《国家能源局关于2019年风电、光伏发电项目建设有关事项通知》（国发新能〔2019〕49号），对于需要国家补贴的新建工商业分布式光伏发电项目，需要满足单点并网装机容量小于6兆瓦且为非户用的要求，支持在符合电网运行安全技术要求的前提下，通过内部多点接入配电系统。

  此类分布式光伏装机容量一般比较大，需要通过升压变压器升压后接入电网。由于装机容量较大，可能对公共电网造成比较大的干扰，因此供电部门对于此规模的分布式光伏电站稳控系统、电能质量以及和调度的通信要求都比较高。

光伏电站并网点需要监测并网点电能质量，包括电源频率、电源电压的大小、电压不平衡、电压骤升/骤降/中断、快速电压变化、谐波/间谐波THD、闪变等，需要安装单独的电能质量监测装置。

  上图为一个1MW分布式光伏电站的示意图，光伏阵列接入光伏汇流箱，经过直流柜汇流后接入集中式逆变器(直流柜根据情况可不设置)，经过升压变压器升压至10kV或35kV后并入中压电网。由于光伏电站装机容量比较大，涉及到的保护和测控设备比较多，主要如下表：

       

         

          

5 结束语

  本文所提供的分布式光伏监控系统，已经应用于屋顶分布式光伏发电、渔光互补发电、农光互补发电等多种场景，运行稳定，通信可靠，大大节省了项目的投资成本，用户反应良好。