杨 杰

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

分布式光伏电站远程监控系统的设计与应用*

杨 杰

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

以山西某生物发电有限公司1.52MW分布式光伏发电并网系统为基础，设计了一种分布式光伏电站远程监控系统。系统主要有设备数据实时采集与显示、设备远方调度、设备故障信息检测、功率预测与优化调度等功能。经现场安装调试，系统达到相关标准和技术要求，运行情况良好。

光伏电站； 远程监控； 设计； 应用

当前，全球不可再生能源形势紧张，气候变暖，各国都在积极寻求新能源代替不可再生能源[1]。我国太阳能资源丰富，太阳能作为新能源的代表，具有较好的市场前景[2]。光伏发电将光能转化为电能，是一种零污染、零排放发电形式[1-4]。随着光伏技术的快速发展，越来越多的光伏发电站投入运行[5-7]。由于光伏电站大多运行在无人值守，且并网发电控制复杂的环境中，因此实现对光伏电站远程监控意义重大[8-9]。笔者以山西某生物发电有限公司峰值功率1.52MW分布式光伏发电并网系统为背景，论述了光伏电站远程监控系统的设计思想和应用实例。

1 系统功能

远程监控系统通过采集设备的开关量、电气量、保护信息及报警信息并进行进一步处理，保证光伏发电站安全稳定运行，具体有以下功能。

(1) 设备数据的实时采集与处理。实时采集光伏阵列信息、气象站环境参数、逆变器输出信息、电池能量转换系统(PCS)和电池信息等数据，传输至远程监控系统，并依据要求对数据进行预处理，存储于实时数据库和历史数据库供远程监控系统调用。

(2) 监控数据的显示。主要包括实时数据和历史数据的显示。监控界面根据需要调用实时数据库，更新界面数据信息。系统可依据用户需求显示模拟量动态曲线。此外，远程监控系统还可调用历史数据和历史曲线供用户查看。

(3) 设备报警信息及故障的检测。实时检测光伏发电站运行状态，在设备出现故障时远程监控应立即发出报警信息，并显示故障的时间和故障原因，依据故障的严重程度发出不同的报警信息，通知操作员进行故障处理。用户可查询不同时间段的报警信息。

(4) 设备的远方调度。依据电站运行性能要求，操作员可在远程监控系统对设备进行遥调、遥控操作，从而控制设备的运行状态，以保证系统安全可靠地运行。

(5) 打印功能。用户可依据自身需求对监控日志、报警记录、报表、历史数据等进行打印，以方便查看。

(6) 功率预测与优化调度[10]。用户依据当天的光照强度及前 25d 的光伏电站发电功率预测当天的发电功率。此外，依据光伏电站当天的发电功率及电池管理系统电池电量，控制电池的充发电状态。

2 系统总体设计

分布式光伏电站远程监控系统总体结构如图1所示，主要包括设备数据采集、数据传输网络组网、监控系统设计三个部分。系统实现现场数据的采集、传输、处理、管理等功能，以保证光伏发电系统安全稳定运行。设备数据采集部分主要通过通信管理机采集设备各项运行参数和状态量，如光伏阵列信息、环境参数、逆变器参数、储能电池参数等。数据传输网络组网的功能是通信管理机将采集的设备运行参数遵照电力104规约转发给监控软件实现的。监控软件接收到数据后以图形或数值的方式直观展现，以便用户查看各个设备的运行状态，同时可对设备进行控制。当光伏发电系统检测到异常时主动向监控系统发送异常信号，以便用户及时处理。用户可方便查看历史数据、异常记录，并可预测当天的光伏电站发电功率。

图1 分布式光伏电站远程监控系统总体结构

3 系统通信

系统通信连接如图2所示，主要包括通信管理机与现场设备之间的通信和通信管理机与监控系统之间的通信。系统通信流程为：通信管理机通过Modbus协议采集各设备的实时数据，并通过104规约将数据转发给监控系统，由监控系统对数据进行处理、显示和存储。

3.1 Modbus通信

Modbus通信方式为问答式[11]。图2中光伏逆变器、气象站、智能断路器均采用菊花链模式连接，即将设备的RS485通信线首尾相连。断路器与PCS的RS485通信线直接与通信管理机串行通信接口相连，其通信协议为Modbus-RTU。因为光伏逆变器的数量多且单个逆变器数据量比较大，所以配备数据采集器可对多个逆变器并行处理数据。数据采集器与通信管理机的物理连接是网线，其通信协议为Modbus-TCP。本系统中通信管理机只提供两个网口，其中一个网口供监控系统使用，另一个网口不能同时连接两台数据采集器，因此采用网络交换机进行连接。

图2 系统通信连接

3.2 电力104规约通信

通信管理机与监控系统连接方式为网线，通信协议为104规约，其中通信管理机作为服务端，监控系统作为客户端。客户端每 15min 向服务端发送总召唤，每 10min 发送一次对时，每 5min 发送一次电能召唤。当遥测、遥信发生突变时，服务端主动将数据推送至客户端，由监控软件对数据进行处理、显示和存储。同时，客户端可下发指令至服务端，由服务端对设备进行操作。

4 系统软件

系统软件主要用于对系统进行监测、运行控制和分析管理，将采集的设备数据以图表、数值的形式进行显示。当设备出现故障时，系统软件将故障详细信息推送到界面，并发出报警，通知操作员进行相应处理。为了保证系统安全可靠运行，操作员可通过系统软件对设备进行远方调度以保证电站的运行性能。通过系统软件的历史数据库和实时数据库，系统可对光伏电站的发电功率进行相关预测，从而有助于能量调度。

4.1 系统软件架构

系统软件架构如图3所示。系统软件采用三层结构即视图展现层、业务逻辑层、数据层。其中数据层包括数据传输层和数据存储层。

(1) 视图展现层的功能是用于响应用户控制要求，将所需监控的数据、故障状态以图表曲线形式表示给用户，以方便用户对设备的运行状态做出决策。

(2) 业务逻辑层主要负责整个系统的协调运行、数据交互，包括两个线程：数据采集线程和控制命令线程。数据采集线程将通信管理机转发的数据进行解析显示，控制命令线程将用户操作的命令转换为104规约报文下发，用于对设备的操作和故障进行处理。

(3) 数据层主要负责与数据库交互，将采集的设备数据存储于数据库中，同时将最终数据结果反馈至业务逻辑层，并为视图展现层提供历史数据和报警数据，以及用户设置和系统配置的记录等。

4.2 系统软件功能

系统软件功能如图4所示，主要包括实时数据监视、故障报警、报表管理、设备控制、能量管理、数据存储、参数配置等。

(1) 实时数据监视包括设备监视和曲线监视。用户可查看设备的运行状态及运行参数，同时用户可依据监控界面的数值和曲线判断设备是否运行正常。

(2) 故障报警主要包括实时故障报警和历史记录报警。当设备出现运行故障时，其故障状态可在监控界面上直观展示，同时向操作员发出报警声响，以便操作员及时处理。为方便操作员查看设备原先发生的故障状态，系统提供历史故障记录存储功能。

(3) 报表管理主要包括报表查看和报表打印功能。用户可通过报表管理功能查看历史数据、实时数据、故障记录等。根据需要，用户还可对报表进行打印。

图3 系统软件架构

图4 系统软件功能

(4) 设备控制主要包括开关量控制和模拟量控制，即遥调和遥控功能。用户可根据设备的运行状态对设备进行参数设定和状态控制。

(5) 能量管理主要包括能量预测和实时控制。系统可依据当天的光照强度及前25天光伏电站的发电功率对发电功率进行预测，并描绘出预测曲线。同时，系统依据当天光伏电站的发电功率及储能电池电量值对电池状态进行控制。

(6) 数据存储主要包括实时数据的存储和历史数据的存储。实时数据指从设备采集的即时数据，可用于判断当前设备的运行状态。历史数据指设备前5min 的运行状态，用户可根据历史数据判断前一时刻设备的运行状态。

(7) 参数配置主要包括通信参数的配置和越限参数的配置。为方便数据传输，所采集的设备数据将乘以一定的倍率，因此系统得到真实数据时需除以一定的倍率。用户可根据通信协议对通信参数进行配置，以确保获取真实值。越限参数的配置是指用户需设定设备的运行阈值，当设备运行参数超过或小于该阈值时，系统将向操作员发出报警，以保证设备安全稳定地运行。

5 结论

山西某生物发电有限公司1.52MW分布式光伏发电工程已于2015年12月7日并网运行，远程监控系统运行稳定。系统监控界面数据刷新短于1s，界面调用响应时间短于 1s，控制命令响应时间短于1s，能量预测误差小于5%，系统的运行功能都达到相关标准和技术要求。

这一系统为光伏电站的稳定、安全运行提供了可靠的保障，用户能够及时监控光伏电站的运行状态。当设备发生故障时，系统及时通知用户并对故障进行处理。这一系统提高了光伏电站的运行效率和管理水平，节省了人力、物力、财力，取得了较好的经济效益和社会效益。

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The remote monitoring system for distributed PV power station was designed on the basis of the 1.52MW distributed PV power generation and parallel network system built by a biomass power generation company in Shanxi. The system has main functions such as real-time data acquisition and display device, remote monitoring device, equipment failure information and detection, power prediction and optimizing regulation. After field installation and commissioning, the system could meet the relevant standards and technical requirements and service in good condition.

PV Power Station； Remote Monitoring； Design; Application

*上海市科学技术委员会基金项目(编号：14DZ1203400)

2016年4月

杨杰(1986— )，男，硕士，助理工程师，主要从事分布式能源远程监控系统设计研究工作， E-mail：yangjie4@shanghai-electric.com

TM615

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1674-540X(2016)04-005-05