光伏电站监控系统解决方案.docx

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光伏电站监控系统解决方案

光伏电站监控系统解决方案

引言

煤炭、石油等化石能源频频告急，环境污染问题日益严峻，而太阳能作为最具潜力的可再生能源，因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性以及实用的经济性，越来越被人们所青睐。

大力发展光伏产业、积极开发太阳能，在全球范围得到了空前重视，已成为各国可持续发展战略的重要组成部分。

光伏产业也称太阳能电池产业，即利用太阳能级半导体电子器件吸收太阳光辐射能，并使之转换为电能的产业。

浙江正泰太阳能科技有限公司将最新的自动化技术应用于光伏电站，推出AstroWeb2011光伏电站监控系统。

1.总述

光伏电站主要由光电池阵列、汇流箱、低压直流柜、逆变柜、交流低压柜、升压变压器等组成，最后产生的高压交流直接并入电网。

针对每个环节电力参数检测的需要，浙江正泰太阳能科技有限公司推出针对光伏电站监控的AstroWeb2011光伏电站监控系统，实现对分布在不同区域的光伏发电站的监控。

AstroWeb2011光伏电站监控系统可对太阳能光伏电站里的电池阵列、汇流箱、逆变器、交直流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备进行实时监测和控制，提供设备数据采集、解析、处理、事件产生、存储，并通过各种样式的图表、趋势、报表呈现电站的运行情况，确保客户远程对电站数据的监控需求。

其友好的用户界面、强大的分析功能、完善的故障报警确保了太阳能光伏发电系统的完全可靠和稳定运行。

光伏电站主要由光电池阵列、汇流箱、低压直流柜、逆变柜、交流低压柜、升压变压器等组成，最后产生的高压交流直接并入电网。

针对光伏电站整体监控的需要，正泰太阳能公司推的了AstroWeb2011光伏电力监控系统实现了对光伏电站的监测与控制。

2.监控系统构架

光伏电站监控系统采用分级分布式结构配置，系统由就地监控子站、区域监控中心和全球监控中心组成。

就地监控子站位于光伏发电站现场。

区域监控中心以省为单位，位于省会城市或者光伏电站比较集中的市县。

全球监控中心设在杭州公司总部。

3.就地监控子站部分

主要完成逆变器、汇流箱、直流配电柜、交流配电柜、环境监测、升压变压器等设备参数的采集及数据预处理。

并将就地监控子站采集到的数据通过各种传送方式传输给区域监控中心或者全球监控中心。

1）系统结构

网关RTU：

将现场各种智能设备的通讯数据转换为标准协议，传送给监控计算机及通讯服务器。

数采RTU：

采集现场模拟量及开关量信号，转换为标准MODBUS-RTU协议后转送监控计算机及通讯服务器。

监控计算机：

实现光伏电站的运行状态监测、设备监测及环境控制等功能。

通讯服务器：

将光伏电站数据转换为标准协议信号（IEC60870-104/MODBUS-TCP），通过不同通讯方式传送到区域监控或全球监控中心。

设备清单

序号

用途

型号

规格

数量

品牌

备注

1

就地监控主机

DELLT110

主流配置

1

DELL/IBM

就地监控

2

通讯服务器

DELLT110

主流配置

1

DELL/IBM

通讯监控

3

网关RTU

16个RS232/485串口，4个以太网接口

1

Chitic

协议转换

4

数采RTU

RTU100

16个I/O模块，支持信号万能输入，RS485接口，Modbus-RTU协议。

1

Chitic

模拟量采集

5

网络交换机

TL-SG1016DT

16口,100M/1000M自适应

1

TP-LINK/DLINK

组网

2）数据采集RTU介绍

数采RTU采用浙江正泰中自公司的RTU100产品，RTU100是浙江正泰中自控制工程有限公司在DCS系统技术创新基础上，结合丰富的系统集成与工程应用经验，经过持续改进与完善，推出的稳定可靠、先进实用、友好开放的新型RTU组件。

它可实现对工业现场信号的采集和对现场设备的控制。

该产品采用了模块化结构设计，系统基于RS-485网络接口，配以功能单元、功能模块和I/O模块，实现各部分协调工作和数据输入输出。

该产品支持通用模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）、数字量输入（DI）、数字量输出（DO）以及计频率计数（PI）。

通过标准Modbus-RTU协议很容易与主控制器或上位机组成网络控制系统，实现数据采集或集散控制。

图4.2数采RTU结构图

数采RTU100技术指标：

分类

项目

指标

控制方式

控制模式

本地/远程

控制运算

报警及越限控制

精确度

AI误差

±0.1%F.S.

AO误差

±0.15%F.S.

时间顺序记录（SOE）时间分辨率

1ms

抗干扰能力

AI共模干扰抑制比

≥120dB

AI串模干扰抑制比

≥60dB

隔离阻抗

20MΩ@500V

可靠性

冗余电源

可选

模块热插拔

是

AO保持

是（系统不掉电）

平均无故障运行时间MTBF

≥100000h

平均维修时间MTTR

≤5min

系统可利用率

≥99.95%

实时性

扫描周期

数字量50ms

模拟量100ms

网络性能

灵巧总线SmartBus通讯速率

19.2kbps

RS485通讯接口

ModbusRTU,1200-38400bps

输入输出特性

AI输入阻抗

电压10MΩ；电流250Ω

AO负载

750Ω@4～20mA

1000Ω@0～10mA

DI输入阻抗

＞6.8kΩ

DO最大负载能力

100mA@24VDC（晶体管）

5A@250VAC（继电器隔离）；

PI频率

0～30KHz；分辨率：

±1Hz

I/O通道配电输出

20mA，24±2VDC

过压及过流保护

有

电源参数

输入电源指标

5VDC/1A，24VDC/1.5A

环境条件

工作温度

0～55℃

存储运输温度

-20～70℃

工作湿度

10～85%RH，无凝结

存储运输湿度

≤93%RH（40℃）

大气压力

86～106kPa

机械结构

外形尺寸（L×W×H）

324mm×204mm×160mm

网关RTU是一种提供数据通讯服务、协议转换、流量监控、报警、GPS对时等功能于一体的通讯交换设备。

它采用目前工业控制系统成熟的技术平台：

嵌入式高性能处理器及嵌入式操作系统、智能通讯冗余技术、现场总线技术、端口保护技术等。

实现智能配电监控系统中的监控计算机与对现场设备的双向数据传输，配合工业自动化组态监控软件完成配电系统的实时数据采集、开关状态、远程控制以及集中管理。

图4.3网关RTU外形图

智能网关服务器外形支持标准的19寸机架安装、桌面安装，提供多达16个RS-232/422/485串口设备联网，4个以太网接口可以通过软件配置提供从机、主机、交换以及冗余功能。

提供LCD液晶屏和键盘作为人机交互设备，用以配置通讯参数以及数据流量监视。

网关RTU技术指标

名称

参数指标

备注

中央处理单元

X86高性能嵌入式处理器，300MHz

最大128M内存，1GBDOC

以太网接口

4口10/100BaseT自适应以太网

网络协议：

TCP/IP、UDP

可由软件设定为master/slave

串行接口

•8口隔离RS232/485/422

•数据位：

5，6，7，8

•校验：

None/Even/Odd/Space/Mark

•停止位：

1，1.5，2

•流控：

RTS/CTS，Xon/Xoff

•速度：

1200~460800bps

•信号端15KVESD

•隔离电压2KV

•1KV（level2）浪涌保护

•形式：

RJ45

•网络协议：

Modbus-RTU

可由软件设定为master/slave/，每个端口可以通过软件配置或键盘设置为RS232、RS485或RS422。

人机界面

•16*2字符点阵LCD屏

•每通道通讯状态LED指示灯

用于设置以太网口IP地址和串口通讯参数，查询通信流量监控、通讯状态等

键盘

•4键

电源输入

•85～265VAC，47～63HZ

•110～370VDC

电源功耗

25W

工作温度

-20～55℃

工作湿度

5～95%

储存温度

-20～85℃

储存湿度

5～95%

外形结构

19英寸标准机架安装，高度1U

安装方式

可选前后安装或台式放置

外形尺寸

440（L）×215（W）×44.2（H）mm

不含固定支架

3）监控计算机监视功能

3.1）光伏电站配电电气结构监控

通过对电站内一次及二次配电网络状态的监控，了解电站内各电气设备的运行情况及状态，并对电站的并网状态、有/无功功率流向情况等进行实时监控。

3.2）光伏组件分布监控

能够根据汇流箱采集数据显示各个光伏方阵的输出功率，定位异常光伏组件。

3.3）逆变器监控

逆变器主要监测指标包括：

✷直流电压、直流电流、直流功率

✷交流电压、交流电流

✷逆变器内温度、时钟

✷频率、功率因数、当前发电功率

✷日发电量、累积发电量、累积CO2减排量

✷电网电压过高、电网电压过低

✷电网频率过高、电网频率过低

✷直流电压过高、直流电压过低

✷逆变器过载、逆变器过热、逆变器短路

✷散热器过热

✷逆变器孤岛

✷DSP故障、通讯故障等

3.4）汇流箱监控

汇流箱主要监测指标包括：

✷光伏组串输出直流电压、输出直流电流、输出直流功率

✷各路输入总发电功率、总发电量

✷汇流箱输出电流、汇流箱输出电压、汇流箱输出功率

✷电流监测允差报警

✷传输电缆/短路故障告警

✷空气开关状态、故障信息等

3.5）直流配电柜监控

直流配电柜主要监测指标包括：

✷进线相电压

✷进线相电流

✷母线开关状态

✷防雷器状态

✷之路电流等

3.6）交流配电柜监控

交流配电柜主要监测指标包括：

✷光伏发电总输出有功功率、无功功率

✷功率因数、电压、电流

✷断路器故障信息、防雷器状态信息等

3.7）环境参数监控

环境参数主要监测指标包括

✷日照辐射

✷风速、风向

✷环境温度

✷太阳能电池板温度等

3.8）升压变压器监控

升压变压器主要监测指标包括：

✷高压保护动作信号、保护装置故障信号

✷变压器重瓦斯跳闸

✷超温跳闸、变压器油温高报警信号

✷压力释放掉闸信号

✷低压电源控制信号

✷断路器故障跳闸信号

✷熔断器熔断信号

✷负荷开关合闸信号、负荷开关分闸信号

✷接地刀位置等

3.9）馈线间隔图

✷馈线开关刀闸位置

✷馈线保护信号

✷电压、电流、有\无功功率、功率因数

✷测控保护装置故障信号、通讯中断信号等、

3.10）站内生产监控图

✷温度控制系统：

控制空调的开关调节，控制设备的温度在正常工作范围内。

✷安保防护系统：

监视控制各处门禁系统。

✷火灾防护系统：

通过安装烟雾、温度传感器监视火灾的发生，并采取相应措施。

✷视频图像监视：

图像监视各生产设备的工作情况，如监视光伏组件表面的积雪、积尘情况。

3.11）系统智能设备运行工况图：

监控系统拓扑结构，各智能设备通讯情况展示。

3.12）全站告警光子牌图

各单元间隔的告警光子牌汇总，集中监视全站设备工作状态。

3.13）告警信息简报

告警信息集中展示，内容包括告警内容描述、告警等级、告警时间、是否复归、是否确认等。

3.14）数据查询检索：

可以按不同条件（时间、设备、描述匹配等）进行告警信息的进行分类检索、显示和打印输出。

3.15）报表图形功能

根据运行需求配置各种应用图形报表，如：

各发电设备功率日、周、月、季、年报表图形，设备工作时间和运行状态统计，环境参数统计，自定义图形对比，组件发电功率温度特性图，组件发电功率日照强度特性图等。

不同设备同一参数的对比：

历史数据的详细展现：

3.16）系统配置功能：

设置用户信息及管理权限、设置告警等级对应的操作等。

3.17）用户帮助功能：

图文结合方式对系统的基本操作进行信息指导。

4）通讯服务器远程接入方式

就地监控系统提供多种数据链路层接入远程主站的方式，可根据实际情况灵活配置。

应用层原则上规定采用IEC60870-104或MODBUS-TCP协议。

4.1）VPN虚拟专网直接接入方式

向运营商申请固定IP地址，申请配置专线，通过光纤、DDN等数据专线直接与监控中心间实现数据通讯。

配置硬件放火墙，保证监控子站的系统安全，使子站设备处于一相对独立网络中，保证系统不受病毒、黑客等恶意攻击；同时自带的VPN功能，与远程主站形成一虚拟专网，实现数据安全交互。

配置清单如下所示：

序号

用途

型号

规格

数量

品牌

备注

1

网络防火墙

V100-S-AC

自带VPN，通讯速率:

100Mbps,220V供电

1

CISCO

/H3C

网络安全

4.2）GPRS无线接入方式：

采用无线接入时，因为采用的为移动公司GSM网络，通讯速率较低，适用于接入数据量少（如只采集电站运行参数，不接入设备参数及视频信号），数据实时性要求不高的场合。

GPRS采用点到点的方式传送数据，数据安全性较好。

采用GPRS通讯时，一般采用MODBUS-TCP协议较多，通过网关RTU将现场信号转换为MODBUS-TCP协议后，由网关RTU代替通讯服务器的功能。

主站端申请公网固定IP地址，通过访问移动公司主机来获取数据，不需要再额外配置网络设备。

配置清单如下所示：

序号

用途

型号

规格

数量

品牌

备注

1

无线路由器

GPRS-DTU

H7210

理论带宽：

171.2Kb/s；实际带宽：

20-50Kb/s，12VDC供电

1

深圳宏电

数据无线远传

4.3）ADSL电话拨号方式：

此种方式适用于子站向总站的单向数据传输，适用于监控中心只要采集数据，不需对子站进行控制的场合。

ADSL每次拨号成功后，会随机分配一个网络IP给拨号计算机，监控子站通过向监控中心（有固定IP地址）服务器定时以报文或邮件形势将子站数据发送到监控中心，中心接受数据后进行解析，保存数据。

序号

用途

型号

规格

数量

品牌

备注

1

ADSL调制解调

ADSL路由

MT880

上行最高1Mbps，下行最高26Mbps

1

华为

电话线拨号联网

4.4）基于3G的CDMA无线专网VPDN方式：

VPDN英文为VirtualPrivateDial－upNetworks，又称为虚拟专用拨号网，是VPN业务的一种，是基于拨号用户的虚拟专用拨号网业务。

即以拨号接入方式上网，通过利用W-CDMA分组网络上传输数据时，对网络数据的封包和加密，可以传输私有数据，达到私有网络的安全级别，接入网络的计算机就如同工作在局域网中一样。

需要向中国电信公司开通相关的无线宽带业务，给各个子站和主站都分配固定IP，在子站通讯主机上安装3G无线网卡，以及相关无线拨号上网客户端软件，实现子站通讯服务器与监控中心的服务器进行通讯。

配置清单如下所示：

序号

用途

型号

规格

数量

品牌

备注

1

3G路由器

D100

通讯速率：

54Mbps

1

华为

3G无线接入

4.区域监控中心部分

区域监控中心以省为单位设置，各地就地监控子站通过光纤、GPRS无线等多种传输方式传送到区域监控中心，区域监控中心经过数据加工筛选后转发给全球监控中心。

通讯协议原则上规定为IEC60780-104和MODBUS-TCP。

区域监控中心运行WEB版AstroWEB2011光伏电站监控系统软件，进行数据采集、数据存储、数据处理、数据转发、警报通知、分析诊断、综合查询、统计报表、数据展现等工作。

构建规模：

目前区域监控中心建设规模，接入管辖范围内所有光伏电站子站，并进行实时监控，满足同时100个左右用户连接访问进行构建。

宽带接入：

考虑到由于中国南北网络互通的问题，也许会对数据采集造成影响。

数据中心宽带将采用双线双IP的方式接入。

将分别接入电信、联通10M的（非光纤）宽带。

双线双IP接入方式技术要求：

每条宽带分别需要2个独立IP地址来进行数据上传和WEB发布的工作。

以减少在用户在访问获取数据时，对数据上传产生的干扰。

设备

数据中心

用户WEB访问

设备

用户WEB访问

电信线路IPA

电信线路IPB

联通线路IPB

联通线路IPA

数据安全措施：

1）双线路保设备与数据中心的正常通讯，保证了数据的正常上传；

2）双IP保证数据上传与用户访问时不相互干扰；

3）服务器采用RAID5方式可确保在单块硬盘损坏的情况下继续保持工作；

4）8小时不间断电源，在断电情况下有充裕的在线时间。

拓扑结构：

系统构架：

硬件设备清单：

序号

设备名称及型号

技术指标

数量

品牌

备注

1

服务器机柜

42U

2

CHITIC

中央机房

2

防火墙

V100-S-AC

2

V100-S-AC

中央机房

3

路由器

双WAN口，智能DNS分配

1

CISCO/H3C

中央机房

4

数采服务器

机架式

2

IBM/DELL

中央机房

5

应用服务器

机架式

2

IBM/DELL

中央机房

6

WEB服务器

机架式

1

IBM/DELL

中央机房

7

监管计算机

主流配置

2

DELL

中央机房

8

UPS

满足全部设备在无供电下可连续工作8个小时

1

SANTAK

中央机房

9

数据通讯服务器

机架式

1

IBM/DELL

中央机房

10

网络交换机TL-SG1016DT

16口,100M/1000M自适应

3

TP-LINK/DLINK

组网

说明：

数采服务器、应用服务器及WEB服务器的功能根据监控中心建设进度，可以分步配置，前期可采用1台数采服务器、1台数据通讯服务器和1台应用服务器，WEB服务器功能由应用服务器来完成，监控中心申请公网固定IP，由防火墙保证中心数据安全，VPN配置的虚拟专网，保证数据通讯的实时性。

当子站采用无线方式发送数据时，数据中心通过防火墙与移动公司服务器联系采集数据。

数据通讯服务器将数据转发全球监控中心，申请公网固定IP，通过VPN专网接入全球监控中心，网络防火墙与数采部分共用。

软件设备配置清单：

序号

功能需求项

软件功能描述

软件名称

软件数量

生产厂商

备注

1

实时数据库

保存实时数据

AstroRDB

1

CHITIC

2

关系数据库

监控系统数据分析

MSSQLServer

1

Microsoft

3

操作系统

监控软件运行平台

MSWindowsServer2003

2

Microsoft

最简配置

4

监控平台

全球电站监控

AstroWEB2011

1

CHITIC

内含

设备管理模块

1

CHITIC

内含

事件记录模块

1

CHITIC

内含

发电分析模块

1

CHITIC

内含

历史报表模块

1

CHITIC

监视功能

1）区域内电站总体分布图

监控软件运行于WEB服务平台，任何接入以太网的用户都可以通过WEB浏览器，根据授权的不同监视分布在区域内各地的光伏电站的运行状态（如电站地理分布、规模信息、是否并网、当前发电量、总发电量等信息）。

2）各子站全局信息图

对光伏子站的整体信息进行监控，采用图形和数据的形式实时动态地展现电站概况、电站实时发电及发电统计信息。

包括电站概括、环境参数、实时信息、发电量统计及发电量TOP10信息。

3）各子站电气结构图：

通过对电站内电气结构的监控，了解电站内各电气设备的运行情况及状态，各开关刀闸的实时位置，并对电站的并网状态、有/无功功率流向情况等进行实时监控。

4）各子站各电气设备图：

5）各子站之间信息对比图：

将不同子站的同一参数或运行数据，集中在一个图形中对比展示和分析，进而发现需要优化的节点。

6）各子站告警信息汇总图：

将各光伏子站的告警信息集中监视，简单方便的监视多个光伏子站的运行异常情况。

7）主站系统设备运行工况图：

展示主站系统结构图，同时监视各工作设备的运行情况。

8）支持生产的监控图：

支持现场温度控制系统、安全防护系统、火灾防护系统、视频图像系统的远程监控。

9）其他应用功能：

其他根据实际应用需求灵活开发的功能。

5.全球监控中心

全球监控中心位于杭州公司总部，各地区域监控中心和光伏子站通过多种传输方式传送到全球监控中心。

目前接入协议原则上规定为IEC60780-104和MODBUS-TCP。

构建规模：

目前全球监控中心建设规模，接入全球范围内所有区域监控中心和光伏电站子站，并进行实时监控，满足同时1000个左右用户连接访问进行构建。

宽带接入：

与区域监控中心一致，采用双线双IP方式。

系统构架：

与区域监控中心基本一致，只是少了数据通讯服务器。

监控功能：

是区域监控中心的功能的兼容，但相对区域监控中心覆盖范围更广。

相同功能不再重复介绍。

1）全球光伏电站总体分布图

2）区域光伏电站发电情况对比

3）专家数据分析系统：

通过数据二次加工、分析研究后形成专家分析系统。

比如研究太阳能发电效率与气象因素的关系，电池组、逆变器件性能评估，光伏电站经济效益与影响因素的研究，太阳能资源分布情况等。