王胜
五家渠京能新能源有限责任公司，新疆 奇台 831800
摘要：随着社会的不断发展与进步，光伏发电在我国发展势头十分迅猛，但暴露的安全问题也不容忽视，基于光伏发电现实生产需求，以及国家标准对于光伏发电并网的监控要求，设计了此光伏电站电气火灾监控预警系统。系统分为监控层、传输层、应用层，结合Zigbee、4G技术等技术，旨在实现光伏发电本地控制、远程数据呈现以及远程控制等功能。系统结合光伏电池建模，提出了一套全面的监控策略，为提升光伏发电安全效能提供高效解决方案。
关键词：光伏发电；监控预警
引言
随着近年来油价上涨、化石燃料开采对环境的污染加剧以及全球经济危机对低成本能源的需求，光伏发电产业迅速发展。光伏电站具有区域分散大、各地环境造成发电效能差异大等特点。用户或电力公司需将分散在各个地方的光伏电站纳入统一的监控系统进行集中管理。在这种新的模式下，开发一种可以根据用户的电能需求和电站运行成本来监管和控制光伏电站发电的集成系统尤为重要。现有解决方案是基于CAN、LabVIEW、MCGS等各种控制程序的电网控制系统。但由于各光伏电站都配备了各自的技术运行和管理人员，各电站之间缺乏有效协调与监控。且不同品牌、不同容量、不同型号的逆变器设备缺乏集中监测和统一管理，难以实现不同区域范围内多座电站的远程集中监测。另外，为有效应对电站的突发状况，也亟须设计和开发一种实时性强、运行稳定、界面友好、操作简单、智能化程度高的光伏电站监控系统。
1系统总体设计
光伏电站大多分布偏远，发电现场天气环境多变，不利于精密电子仪器工作；而监控预警系统要求控制设备可靠性要求高、设备安装运营成本较低。根据设备安装运营的地点，本系统分为监控层、传输层、应用层三个层级。监控层主要实现现场数据采集与上传功能，并且根据反馈信号控制光伏板通断，其设备一般考虑安装在户外光伏发电现场；传输层作为系统核心部分，其作用在于完成数据接收、处理和发送，其设备应考虑安装在光伏电站室内；应用层是基于4G面向系统管理者和用户的层级，其系统管理PC端和终端APP不受地域条件的限制。
（1）监控层。该层配置的监控设备主要包括安装在各个光伏板上的信号采集单元和与光伏板相连的继电器开关模块。信号采集单元包括安装在光伏板上的各类传感器（DS18b20温度传感器、GY-30数字光强度传感器）和与光伏板相连的电气测量装置（IM1253功率测量模块），用以实时采集光伏板的实时参数并上传至传输层。监控层根据传输层指令通过继电器开关控制光伏板工作状态。
（2）平台功能需求分析
远程监控和远动：运维人员无须亲临现场，只需通过远程监控平台就可以调整设备参数、查看设备运行状态、控制设备的起停、确认异常报警信息等。并网控制：为了提高光伏电站的经济效益，监管平台能够根据逆变器的运行状况和电网有功功率输入的要求，结合当地的天气和太阳幅照强度情况，优化电站调度运行，合理安排光伏设备切换和调配，合理停机保养。
电能质量监测：能够实时监测输入电网或向交流负载提供的交流电能的质量，如并网频率、电压、功率因数等。能量管理与预测：能够根据太阳幅射强度、发电功率、负荷趋势动态平衡全站有功功率，分析预测发电总功率趋势。
数据统计分析与管理报表：可以对光伏电站设备运行的各种数据进行统计分析，包括发电效率、功率曲线和日照曲线比对分化、电站发电效益等；还能够对光伏电站主要设备的运行状况进行统计分析，包括设备状态信息、变化趋势、报警信息、通信信息等，平台还能够为运营人员提供丰富的管理报表。
2监控系统主机配置
监控系统采用嵌入式PC平台，Linux操作系统。软件开发平台为LabVIEW2011，通信方式用xml格式文件进行描述。
数据采集卡的驱动程序为NI-DAQmx9.4，利用LabSQL数据库工具包对采集数据进行管理，即完成了数据的保存、查询、修改、删除等功能。具有采集数据精度高、系统运行稳定、界面友好、操作简单、实时性强等优势。监控系统组成：1个数据记录器，用于从光伏发电厂设备收集数据；1个控制器，用于修改植入行为；1个xml数据库，用于存储数据，数据库具有报警处理、数据分析、视频监控和数据维护功能，通过信息转换模块向系统用户传输信息。
数据记录器处理与光伏植入系统之间的通信支持ＴＣＰ／ＩＰ和ＲＴＵ版本的ＭＯＤＢＵＳ协议。在有网络覆盖的区域，可以通过英特网建立有线或无线连接；在无网络覆盖区域，可以通过ＲＳ２３２／４８５和ＵＳＢ建立连接。
3传输层设计
3.1Zigbee互联模块
本系统采用Zigbee模块实现信号采集模块与工控机的互联。Zigbee技术能较好地应用于短距离和低速率下的无线通信，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
配置ZigBee协调器，作为网络各节点信息的汇聚点，负责组建、维护和管理网络。ZigBee协调器有较强的通信能力、处理能力和发射能力，能够把数据发送至远程控制端。工控机作为终端节点，与协调器直接相连。考虑到光伏电站生产实际，生产现场光伏板数量较大，相应地，以信号采集单元数量也较大，将其直接与Zigbee协调器连接不利于分区、分层管理，因此需配置部分Zigbee节点作为路由器，将信号处理单元通过路由器连接到协调器。
3.2电站维护
光伏面板通过表面温度传感器采集系统参数。由于光伏面板效率随着温度的升高而降低，为有效监控光伏面板的工作效率，监控系统需采集2个重要参数：一是当电池板温度与太阳辐射产生热量发生异常时，采集电池板故障的发生频次数据；二是预期发电量与实际发电量的误差值。
采集光伏组件温度时，在紧贴光伏组件处外接2组温度传感器。据现场检测，在晴天13∶00左右，光伏组件温度最高，可达50℃左右。当温度超过设定值60℃时，控制器平台预警；若温度继续升高至温度上限75℃时，控制器发起远程跳闸命令并联动运维系统通知运维人员现场排查。
3.3电站安全远程监控
监控系统具有一组自动重合闸断路器控制接口，可接受主站的命令，当出现异常或其他需要人为关断、合闸的情况时，可远程对自动重合闸断路器进行控制。具有3组电压检测功能，分别检测进线断路器负载端、自动重合闸负载端电压，判断电表箱中重要元器件的运行状态是否正常。同时，监测逆变器实时电压、电流、有功功率、频率、功率因数等运行参数。当上报数据超过设定值时，Web平台告警或平台发起远程跳闸命令并联动运维系统通知运维人员现场排查。
结语
监控系统可以实时监测上传系统数据，当偏离正常范围时，系统进行预警或者关断操作，避免事故发生；引入智能导轨表，采集精度相对逆变器精度有明显提高，误差可控制在千分级，使数据更加有可信度；由于导轨表可实时监测各电气元件的运行状态和电压等参数，当故障发生之后，可通过历史记录查询故障时间段内，系统中各元件的参数，精确分析故障原因和故障点。对光伏电站的性能评估和优化电站设计起到很好的指导作用。
参考文献
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