光伏电站监控系统实施方案分析

光伏电站监控系统实施方案分析

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光伏电站监控系统分析

摘要：综合论述了目前国内具有实际工程意义的大型光伏电站及分布式光伏系统的几种监控系统方案。光伏监控系统采用的通讯手段主要包括：有线方式：工业RS485总线、PROFIBUS总线、工业以太网、CAN总线、Modern电话线；无线方式：ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH、IRDA红外。文中对各种通讯方式的构成、特点及应用作了简要阐述及对比。

引言

太阳能光伏发电项目随中国政府持续出台的支持光伏产业发展的政策不断增多[1]，截至2012 年底，我国累计建设容量7.97 GW，其中大型光伏电站4.19 GW，分布式光伏系统3.78 GW [2]。国家能源局发布的《太阳能发电发展“十二五”规划》称，到2015 年底，太阳能发电装机容量达到2100万kW（即21 GW）以上，年发电量达到250 亿kWh。随着大型光伏电站及分布式光伏系统的建设和投运，业主及电网公司对设备的实时监控提出了更高的要求。

光伏监控系统需实现的功能有：1）汇流箱、逆变器、电池板、蓄电池组及其控制器（带储能功能的光伏系统）、环境温度等底层设备实时数据及状态的采集；2）底层设备故障报警；3）重要数据的历史存储；4）远方及本地对电站设备的必要操控。即集遥测、遥控、遥信、遥调功能为一体，且需具备高可靠性，全年不间断工作。目前具有实际工程意义的监控系统从物理实现方式上可分为有线及无线两种。有线方式主要包括：工业RS485总线、PROFIBUS现场总线、CAN 总线、Modem电话线、工业以太网；无线方式主要包括：ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH、IRDA红外。需根据实际工程要求及各种通讯方式的特点选择适合的监控方案。

1 基于现场总线的光伏监控系统

1.1 兆瓦级及以上并网光伏电站监控系统

兆瓦级及以上光伏电站占地面积广、设备数量及种类庞大、建设集中。目前最为广泛采用的是有线监控方式。整体架构包括：本地数据采集、数据传输、数据存储与处理三部分，如图1所示。

本地数据采集

通过数据采集器与底层设备相连接，采集设备的实时数据，如汇流箱电流、逆变器功率和发电量、环境监测仪温度和风向、安防装置视频数据、保护装置（高压开关状态、直流接地状态）、计量装置（电量/电压/电能质量等计量仪器数据）。物理层广泛采用造价低廉的工业RS485总线，MODBUS协议作为总线协议。

1.1.2数据传输

本地数据采集器与监控中心通讯网络间相距较远，一般为几千米至几十千米，采用工业以太网（TCP/IP），光纤连接。基于TCP/IP的以太网是标准开放式网络，光纤组网可采用星形拓扑结构或环网拓扑结构。

星形拓扑结构属于集中控制型网络，整个网络由中心节点执行集中式通讯控制管理，各分节点均直接与中心节点连接，中心节点与分节点之间直接进行数据交互；若某节点线缆出现故障，数据无法传输；总布线距离长。如图2所示，环网拓扑结构可利用它的自愈性能，将线路切换至备用线路上，从而保证信号的实时畅通，实现高可靠性、多备份和信号迅速恢复的要求。且环网的线缆利用率高，线材的成本会大大降低。

数据存储与处理

通过电站监控中心的上位机监控软件对数据进行存储及处理。上位机监控软件目前有两种实现方式：1）基于VC、C++、VB或DELHI等高级语言作为管理软件开发平台开发的上位机软件，开发难度高、工作量庞大、开发周期长、开发完成无需后续资金投入；2）组态软件，基于C/S（Client/Server）客户机/服务器模式（如组态王、三维力控）或基于B/S结构（Browser/Server）浏览器/服务器模式（如研华科技）的组态软件，支持多种通讯协议，无需底层程序开发，只需进行画面、通讯点设置等二次开发后可直接使用，开发周期短、难度低、可靠性高，但需按每个工程通讯点的数量收费购买。

由于兆瓦级及以上并网光伏电站需由当地电网公司进行统一调度，因此，监控中心上位机还需按电网公司电力规约要求（如电力102、103、104规约等），将电站数据上传，并下发电网公司操作指令。“金太阳示范工程”需将数据上传至金太阳中心和住建部。

1.2 带有储能装置的光伏监控系统

CAN总线采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据，废除了站地址编码，代之以对通信数据进行编码，使不同节点同时接收相同的数据，使数据通信的实时性增强，易构成冗余结构，提高了系统的可靠性和灵活性。通信距离最远可达10 km（速率低于5 kbps），速率可达1 Mbps（通信距离小于40 m）。带有大容量储能装置的光伏系统，由于充电电流大，充电过程中充电控制器投入/切出充电频繁，对蓄电池冲击较大，易损坏蓄电池。因此，在对实时性、可靠性和扩展灵活性均有较高要求的光伏储能系统，更适合用CAN总线构建系统[3]，如图3所示。

CAN总线构建系统

CAN该系统由上位机PC、管理模块、n个充电模块组成。管理模块集显示、输入、数据存储、采样、通信为一体，与PC机通过RS232相连接，操作人员可通过PC 机的上位机操作界面输入命令对系统进行操作。充电模块作为终端设备，包括电压及充电电流的采样单元，以及产生控制充电的PWM波形。充电模块根据管理模块的指令产生PWM波形，并将自身的充电状态通过CAN总线上报管理模块。其中由管理模块下发给充电模块的调整PWM占空比命令，在未达到充满电时，由管理模块每1 s（或秒级）发送一次；当接近充满电时，每10 ms（或毫秒级）调整一个充电模块的充电PWM占空比[5]。

1.3 PROFIBUS、CAN、工业以太网的比较

PROFIBUS总线速度较快、组态配置灵活、可实现总线供电，可适应不同应用对象和通讯速率要求，开放性好。接通或断开时不会影响其他站点工作，因此维修性好。PROFIBUS现场总线由于在网络增删节点时需重构逻辑环，参数不易设定，在对于光伏电站或分布式光伏系统这种后期随时可能扩展容量的应用上受到限制[4]。

CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。多主方式工作，节点分成不同优先级，报文采用短帧结构出错率低，节点在错误严重情况下可自动关闭[4]。但不能与Internet互联，不能实现远程信息的共享，不易与上位机直接接口，通信距离与传输速率无法与工业以太网相比[5]。

工业以太网基于TCP/IP协议，为标准开放网络，兼容性和互操作性好，资源共享能力强，数据传输距离远，传输速率高，易与Internet互联，成本低，易组网，与计算机、服务器的接口十分方便，技术支持广泛。但以太网实时性相对较差，存在安全可靠性问题。超时重发机制，使单点故障可以造成整个网络瘫痪。