Acrel-1000系列分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)
在湖北荊門一馬光彩大市場
屋頂光伏發(fā)電項目中應用

摘 要：分布式光伏發(fā)電能夠對日益嚴重的環(huán)境壓力起到有效緩解作用,在當前對環(huán)境保護需求越來越大情況下,發(fā)電行業(yè)在發(fā)展中不但要提升發(fā)電效率,同時也需要降低成本。分布式光伏發(fā)電主要是利用風能和太陽能等可再生清潔能源進行發(fā)電,對于空氣質量具有改善效果,和傳統(tǒng)發(fā)電方式相比有污染小、噪聲小等優(yōu)勢。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的建構,主要是利用太陽能資源,能夠有效實現(xiàn)能源結構優(yōu)化,減少煤炭消耗量,對于經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有有效促進作用。同時,分布式發(fā)電系統(tǒng)的建設,對電網(wǎng)系統(tǒng)運行中也能夠起到削峰填谷作用,進一步豐富供電方式,積極開展分布式光伏發(fā)電站及接入發(fā)電研究具有重要意義。同時，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的通信架構難以滿足海量光伏終端的實時監(jiān)測與控制需求，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。如何配置并構建通信管理系統(tǒng)。

關鍵詞：分布式光伏發(fā)電；通信管理

概述

湖北荊門一馬光彩大市場屋頂光伏發(fā)電項目（以下簡稱“本項目”）是響應國家“優(yōu)化能源結構，提供更加清潔、可靠的能源”的號召，投資建設的分布式光伏發(fā)電應用示范項目。

本項目位于湖北荊門一馬光彩大市場旁，利用現(xiàn)有廠房屋頂建設分布式光伏發(fā)電項目，總建設規(guī)模約為3280kW。光伏發(fā)電組件位于荊門市東寶區(qū)東寶路1號，通過用戶配電站接入公共電網(wǎng)，屬于荊門市供電公司管理范圍。

本研究圍繞光伏電站并網(wǎng)關鍵技術展開，探討了以下核心內(nèi)容：
（1）并網(wǎng)系統(tǒng)接入方案的可行性分析與優(yōu)化設計；
（2）符合電網(wǎng)調度要求的自動化系統(tǒng)解決方案；
（3）滿足電站運行需求的通信系統(tǒng)架構設計。

項目現(xiàn)場

現(xiàn)有電網(wǎng)情況

220kV 變電站 10kV 630 二回線線路型號為 JKLYJ-240，允許通過電流為 553A，該線路近三年至小負荷平均值為 0.11MW，考慮線路負載率不超過80%，則該線路理論可接入分布式電源容量為9.24MW。目前該變電站已接入和在途分布式電源總容量為0.009MW，則剩余可接入分布式電源容量 9.23MW，目滿足本期接入需求

現(xiàn)有供電示意圖如下：

用戶配電站現(xiàn)供電示意

分布式光伏預制艙設計

預支艙尺寸為（長*寬*高）15000mm*4400mm*3500mm，門檔高2600mm，安全門檔高2200mm，底框采用20#H鋼、14#、10#槽鋼、5#角鋼焊接，外板為2.0mm瓦楞波紋板+中間50mm防火巖棉+內(nèi)板1.0mm鍍鋅板制作，一次室底板為3.0mm鋼板，二次室底板為靜電地板抬高200。

艙體基礎應用良好的排水措施，所有進出電纜需要做好防水。進出線電纜溝的位置現(xiàn)場根據(jù)實際確定。電纜出線管的大小、多少、位置由用戶根據(jù)情況而定，預埋件需要用水平儀找平，否則影響現(xiàn)場拼柜。外部樓梯正對應箱體朱門，內(nèi)部爬梯正對箱體人井孔位置。

光伏預支艙圖

技術方案

本項目直流側裝機容量4017kWp，交流側裝機容量3280kW，共1個并網(wǎng)點，由2個光伏發(fā)電單元構成。該項目運營模式為全額上網(wǎng)。利用廠房屋頂建設光伏發(fā)電系統(tǒng)，關鍵設備光伏組件、逆變器、變壓器等采用國內(nèi)知名產(chǎn)品。本項目光伏發(fā)電系統(tǒng)所輸出的直流電經(jīng)組串式逆變器轉換成交流電后，就地升壓至10KV，經(jīng)開關柜通過1回出線接入至廠區(qū)10KV進線母線的用戶側，實現(xiàn)并網(wǎng)。變電站近三年至小負荷平均-0.15MW，考慮主變 N-1 情況下，另一主變負載不超過 80%，則該變電站可接入的分布式光伏容量為 179.81MW，目前該變電站已接入及在途分布式光伏容量共 115.48MW，因此剩余可接入容量 64.33MW。滿足本期接入需求，同時本項目采用安科瑞電氣Acrel-1000分布式光伏電力監(jiān)控系統(tǒng)作為電站綜合自動化平臺，該系統(tǒng)集保護、控制、通信、測量等功能于一體，實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)及開關站的智能化綜合管控。系統(tǒng)接入逆變器、高低壓設備等關鍵設備的狀態(tài)信號，構建完整的電站監(jiān)控網(wǎng)絡。系統(tǒng)采用分層分布式架構，通過工業(yè)以太網(wǎng)與就地層設備互聯(lián)。就地層按功能分區(qū)獨立部署于逆變器區(qū)域及箱變內(nèi)，各子系統(tǒng)具備自治能力，在站控層通信中斷時仍可持續(xù)完成所轄電氣設備的就地監(jiān)控功能，確保系統(tǒng)可靠性。

升壓變壓器及高低壓配電設備

本項目配備2臺三相交流2000KVA的干式變壓器。額定電壓10.5±2×2.5%/0.38kV，接線組別為 Dy11。交流頻率為50Hz,可以戶外使用，能效等級滿足國家規(guī)范要求。

繼電保護及安全自動裝置

本光伏電站內(nèi)主要電氣設備采用微機保護，以滿足信息上送。元件保護按照《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》（GB14285－2006）配置。

1）線路保護

本項目為10kV并網(wǎng)，建議光伏開關站總出線開關建議光伏開關站總出線開關配置線路方向過流等保護，包括三段可經(jīng)復壓和方向閉鎖的過流保護，三段零序過流保護、過負荷并具備低周減載功能，以便線路發(fā)生故障時快速切除，避免事故范圍擴大。

2）頻率電壓異常緊急控制裝置

本項目光伏并網(wǎng)點斷路器要求具備失壓跳閘功能，不設重合閘，可通過逆變器內(nèi)低壓保護與頻率保護實現(xiàn)解列，不配置獨立的安全自動裝置。

1. 防孤島檢測及安全自動裝置

采用具備防孤島能力的逆變器，逆變器需要具備快速監(jiān)測孤島且監(jiān)測到孤島后立即斷開與電網(wǎng)連接能力，其防孤島保護方案應與繼電保護配置、頻率電壓異常緊急控制裝置配置和低電壓穿越相配合。

1. 電能質量監(jiān)測

在公共連接點裝設滿足 GB/T 19862《電能質量監(jiān)測設備通用要求》標準要求的 A 類電能質量在線監(jiān)測裝置一套。監(jiān)測電能質量參數(shù)，包括電壓、頻率、諧波、功率因數(shù)等，電能質量監(jiān)測數(shù)據(jù)應至少保存一年。

系統(tǒng)調度自動化

本項目為10kV電壓等級并網(wǎng)，需通過獨立信息傳輸設備將光伏電站有功、無功、功率因數(shù)、逆變器數(shù)據(jù)、電量及開關、刀閘狀態(tài)量、功率調節(jié)數(shù)據(jù)和功率預測數(shù)據(jù)等信息上傳至調度端，場站應配置AGC裝置，具備接收并自動執(zhí)行有功功率控制指令的能力；需要具備一次調頻能力；10kV發(fā)電系統(tǒng)應上報中期、短和超短期功率預測數(shù)據(jù)。通過通信管理機或協(xié)議轉換器對光伏發(fā)電系統(tǒng)設備層的各種設備（逆變器、防孤島保護、故障解列裝置、電能質量監(jiān)測裝置、直流屏等設備）信息進行采集和處理，將處理好的數(shù)據(jù)上傳至SCADA系統(tǒng)和遠動裝置。遠動裝置數(shù)據(jù)經(jīng)縱向加密后通過4G/5G無線通信網(wǎng)將上傳至荊門供電公司地調。

調度自動化圖

計量

本項目采用的運營模式為全額上網(wǎng)，并網(wǎng)點共1個，關口點共1個，均設置在光伏出線處。本項目計量配置原則如下。

(1)在關口計量點配置 1 塊三相三線電能表，具有雙向計量功能，用于計量用戶與電網(wǎng)間的上、下網(wǎng)電量。在關口計量點配置 GPRS 用電現(xiàn)場管理系統(tǒng)，用于采集數(shù)據(jù)及用戶用電結算。

(2)在并網(wǎng)點設置 C 級電能表和 GPRS 用電現(xiàn)場管理系統(tǒng)，用于發(fā)電量信息采集及營銷系統(tǒng)遠傳。具體設備配置規(guī)模以現(xiàn)場實際為準。

新建光伏一次圖

一次系統(tǒng)圖

系統(tǒng)結構

本項目光伏電站配置一套綜合自動化系統(tǒng)，采用安科瑞電氣股份有限公司所提供的Acrel-1000分布式光伏電力監(jiān)控系統(tǒng)具有保護、控制、通信、測量等功能，可實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)、開關站的全功能綜合自動化管理。本項目逆變器、高低壓設備等狀態(tài)信號都要接入本監(jiān)控系統(tǒng)。

本項目光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)包括兩部分：站控層和就地層，網(wǎng)絡結構為開放式分層、分布式結構。

監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與就地層相連,就地層按照不同的功能、系統(tǒng)劃分，以相對獨立的方式分散在逆變器區(qū)域或箱變中，在站控層及網(wǎng)絡失效的情況下，就地層仍能獨立完成就地各電氣設備的監(jiān)測。

站控層由計算機網(wǎng)絡連接的服務器、操作員站、遠動站等組成，提供站內(nèi)運行的人機界面，實現(xiàn)管理控制就地層設備等功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并具備與遠方控制中心通信的接口。

就地層設備由智能測控單元、網(wǎng)絡系統(tǒng)通訊單元、逆變器數(shù)據(jù)采集單元、多功能電能表等構成，主要電氣設備包括微機保護、防孤島保護、電能質量在線監(jiān)測裝置、故障解列裝置、多功能儀表、逆變器、箱變測控等設備。它直接采集處理現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡傳送給站控層監(jiān)控主站，同時接收站控層發(fā)來的控制操作命令，經(jīng)過有效性判斷、閉鎖檢測、同步檢測等，最后對設備進行操作控制。

每個光伏發(fā)電單元配帶無線發(fā)射功能的數(shù)據(jù)采集裝置，采集每組光伏組件數(shù)據(jù)，逆變器參數(shù)，測控裝置、智能計量表計的數(shù)據(jù)，打包后通過無線網(wǎng)絡傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)視。

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

項目配置設備清單如下表所示：

表 方案設備列表

系統(tǒng)功能

通信功能

1. 采集配置

本項目的監(jiān)控系統(tǒng)采用Modbus TCP協(xié)議作為數(shù)據(jù)通信的底層機制，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設備的遙測、遙信、遙控及遙設功能。具體而言，系統(tǒng)通過Modbus TCP網(wǎng)絡，實時采集并監(jiān)控關鍵設備的模擬量（遙測）與狀態(tài)量（遙信），并根據(jù)預設邏輯或操作指令，執(zhí)行遠程控制操作（遙控）以及參數(shù)整定（遙設），從而構建了一個具備遠程監(jiān)測、控制與參數(shù)配置能力的分布式自動化系統(tǒng)。

采集界面

（2）報文解析

監(jiān)控系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設備通信情況進行報文監(jiān)視和數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。可按類型篩選報文顯示內(nèi)容，對錯誤報文進行明顯提升，報文支持導出。

系統(tǒng)通信

人機界面

能通過顯示器對主要電氣設備運行參數(shù)和設備狀態(tài)進行監(jiān)視，畫面支持雙屏顯示，畫面操作支持無級縮放，可以平滑漫游，具有導游圖功能。具有網(wǎng)絡拓撲分析功能，能對設備進行動態(tài)著色，確定帶電設備的顏色。主要顯示畫面包括：

（1）運行監(jiān)視圖，包括顯示設備運行狀態(tài)、各主要電氣量(電流、電壓、頻率、有功、無功)、環(huán)境數(shù)據(jù)(氣溫、濕度、氣壓、風速、風向、日照強度等)等的實時值；

（2）網(wǎng)絡監(jiān)視圖，用圖形方式及顏色變化顯示出計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設備配置、連接狀態(tài)；

（3）發(fā)電量實時監(jiān)視圖，通過柱狀圖及數(shù)據(jù)表直觀的查看和對比每臺逆變器實時發(fā)電量信息，同時可以通過鏈接查看和對比發(fā)電量曲線；

（4）發(fā)電單元監(jiān)控圖，顯示每個發(fā)電單元詳細信息，允許手動控制、和調節(jié)每個發(fā)電單元運行工況；

（5）各種保護信息及報表

（6）二次保護配置圖，反映各套保護投切情況、整定值等

（7）控制操作過程記錄及報表

（8）事故追憶記錄報告或曲線、事故順序記錄報表

（9）趨勢曲線圖、棒狀圖

（10）各種統(tǒng)計及功能報表等。

人機界面一次圖

結語

綜上所述，在開展智能變電站二次系統(tǒng)優(yōu)化設計時，需要兼顧當前技術發(fā)展趨勢與未來演進方向。具體而言，應圍繞智能化技術應用、大數(shù)據(jù)處理能力提升、系統(tǒng)架構靈活性增強以及安全防護體系建設等關鍵維度展開深入研究。特別是在新能源高比例并網(wǎng)和電力市場改革深化的新形勢下，二次系統(tǒng)作為電力自動化領域的核心支撐，其戰(zhàn)略地位日益凸顯。因此，在制定優(yōu)化方案時，既要立足現(xiàn)有技術條件，又要著眼長遠發(fā)展需求，確保設計方案具備適度的技術前瞻性和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>