顾 超 ，宋树平 ，方 凯

（1.苏州供电公司虞东变电运维班，江苏 苏州 215000；2.常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏 常熟 215506）

0 引言

随着世界能源产业结构的调整和人类对环境问题的重视[1-2]，太阳能凭借资源丰富、布局灵活的优势，成为当今新能源发展的主流，当前越来越多的光伏电站投入运营[3]。光伏电站的可靠运行，需要汇流箱、逆变器等设备在无故障状态下运行，对光伏设备的状态监测十分重要。目前，光伏电站主要采用人工定期检查、网络化监控的方式对设备进行监测[4]。由于人力资源有限及传统光伏监测系统智能化不足，这两种方式都存在光伏阵列监测不足、遇到故障时无法快速定位的问题[5]。

在此背景下，本文对某企业屋顶光伏电站的监测系统进行了智能化设计。该监控系统为光伏电站汇流箱、逆变器等设备配备通信模块，利用RS485总线与各通信模块相连，将运行数据传输至上位机，并利用组态软件在上位机建立监控界面，对运行数据进行分析，实现光伏电站运行状态实时动态监测，设备故障时上位机通过监控界面发出报警信号，提高了光伏电站的安全性[6]。

1 光伏电站布局

企业厂区4个屋顶被分成A、B、C、D四个光伏发电区域，采用集中式和分布式相结合的方式发电。C区厂房面积较大且自用电较少，故对C区厂房采用集中式结构，根据工厂屋顶面积配置与之相对应的光伏面板，并以20路为一组接入直流汇流箱，汇流箱的电流输入到集中式逆变器。A、B、D区采用分布式结构，使用组串式逆变器将直流转换为交流后直接并入电网，最后再将四个区域通过交流电缆将电流输送至并网柜。

2 智能监控系统设计方案

为了能够在光伏设备发生故障时快速定位故障点，在硬件上选用智能型的汇流箱、逆变器；使用组态软件构建一个界面，将每个智能元器件在界面上显示出来，通过RS485总线将数据汇总到机柜串口后，通过光纤与上位机进行连接从而实现监视功能。该系统实现数据采集和状态监控的同时，可进行简单、直观的人机交互。其中，数据采集、状态监控和简单的数据分析由各种智能元器件来实现，人机交互通过组态软件实现；在组态软件中建立监控界面，将实时数据导入其中进行分析处理，两者之间的连接通过建立在C区的串口机柜实现，数据传输示意图如图1所示。

图1 数据传输示意图

设备故障时报警设计方案如下：在监测系统中设有报警装置，当光伏面板发电量低于正常值便会发出报警信号。晴天时，软件系统及时响应所有的故障告警信号；阴雨天，软件屏蔽逆变器孤岛保护及回流量0 A电流输入的告警，但是响应其他的告警；晚上不响应任何故障告警。

根据上述设定，采用一台通过GPS校时的上位机电脑，查询当地历史平均每个月或者每10天，日出、日落的时间。超出日出、日落范围的时间认为是晚上，不响应故障告警；在该范围内的时间认为是晴天，响应所有故障告警。此外，由于软件算法很难计算阴雨、多云、低光照强度的天气，因此，该工作由值班人员完成。软件提供功能开关，值班人员可以在阴雨天气，关闭孤岛保护和0 A电流输入的告警。

3 硬件选型

3.1 直流汇流箱

直流汇流箱需要监视各个光伏面板的输出电流，当任意一个回路发生电流故障，该模块提供报警信号。另外，汇流箱要采集保护断路器的触点信号，了解该断路器的位置，在发生跳闸后需要第一时间送出信号。因此，直流汇流箱选用常熟开关制造有限公司生产的CXPV-16/Z光伏直流汇流箱。

3.2 逆变器

根据设计要求，逆变器需提供远程控制功能，并且发生故障时，能够第一时间输出报警信号。因此选用两种型号的逆变器，一种为CS1并网型光伏逆变器。该型号逆变器具有较多的通信接口和远程控制功能，且输入电压范围宽，使其适用于小型组串低压设备[7]。另一种选用SUN2000-60KTL-M0组串式逆变器。这种型号的组串式逆变器基于模块化的设计，能够减少电池组件最佳工作点不匹配逆变器的情况，大幅增加发电量。

4 软件开发

利用Riyear-PowerNet系统设计该光伏电站的工业现场信息。采集到的元器件数据用Riyear-PowerNet系统进行储存，建立历史及实时数据库，在系统发生故障时，利用存储的数据对故障进行分析定位。

4.1 软件结构

智能硬件系统通过Modbus驱动程序与上位机相连接，人机界面就可以显示设备数据的记录、数据报警等，系统软件结构如图2所示。

图2 软件结构

4.2 软件设计与实现

首先，添加组态，选用常熟开关设备制造有限公司的两种I/O组态；其次，为了能够读取数据，需要定义好数据库；其三，定义中间变量。在定义数据库变量之前，需要先确定设备类型和设备模块，数据由Modbus标准命令采集，存储在各种寄存器中，便于软件读取数据。在设备配置中根据相关要求设置设备地址、串口编号以及相关通信参数。数据库变量的作用域包括整个应用程序[8]。定义数据库即定义地址，将变量与对应的设备连接起来。此时，在进行连接时就可以依靠事先设定好的地址，准确地找到想要的数据[9]。

当设备发生故障，经过软件判断需要给予响应时，第一时间切换至该设备的故障界面，同时播放报警声音。逆变器发生故障时，系统主界面显示区域闪烁，使值班人员能够快速定位故障发生区域，系统故障报警显示如图3所示。

图3 故障报警

4.3 软件运行流程

首先启动软件，加载完成软件基本环境后，TCP/IP进行网络连通，连接完成后初始化各个串口，根据地址向硬件设备发送数据。如果发送失败，则再连续尝试发送三次，如果仍然未能发送成功，则判断该台设备离线；如果成功，在智能设备接收数据信息后，将自身数据回馈至上位机，软件接收数据后存入实时数据库，并在人机界面读取数据。将各个串口互相连接通信并将历史数据加载读取。如果智能设备出现故障，将向系统发送故障数据，系统根据定义好的算法判断设备的故障类型，在界面上显示报警区域，在故障解除之后软件系统回到正常状态[10]。流程图如图4所示。

图4 软件运行流程

5 结束语

毋庸置疑，设备监测对光伏电站的安全运行、管理具有重要意义。为了便于电站智能化、精细化管理，本文设计并开发了光伏电站智能监测系统。该系统对光伏电站的设备进行数据采集，然后利用RS485总线将数据传输至上位机；随后，利用Riyear-PowerNet软件把电站的历史和实时运行数据建成数据库。基于此，该软件实现对电站的实时、在线监测。光伏设备发生故障时，监测系统通过对数据库数据分析，可以快速、准确地定位故障位置。该监测系统有效保障了光伏电站的可靠运行和集中管理。