南京南瑞繼保電氣有限公司的研究人員王仁斌、胡紹謙等，在2019年第1期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，大型地面光伏電站具有設(shè)備數(shù)量多、種類繁雜、組網(wǎng)復(fù)雜的特點(diǎn)，建立綜合自動(dòng)化系統(tǒng)難度較大。本文結(jié)合大型地面光伏電站組成結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，分析了其綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的功能需求，提出了一種基于分布式監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。

該方案將綜合自動(dòng)化系統(tǒng)自下而上設(shè)計(jì)為子陣層、子陣環(huán)網(wǎng)層、間隔層、網(wǎng)絡(luò)層與站控層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，劃分不同數(shù)據(jù)網(wǎng)，降低網(wǎng)絡(luò)故障風(fēng)險(xiǎn)，有利于后期擴(kuò)建，降低接入難度。分布式調(diào)節(jié)降低了AGC/AVC算法難度，提高了調(diào)節(jié)速度，縮短對電網(wǎng)調(diào)度調(diào)節(jié)指令的響應(yīng)時(shí)間，有利于并網(wǎng)后電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在中國廣闊的土地上，有著豐富的太陽能資源，理論儲(chǔ)量達(dá)每年17000億t標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。我國地處北半球，西部地區(qū)光照條件好，日照時(shí)間長，人口密度低，未利用的土地遼闊，非常適宜發(fā)展集中式大型地面光伏電站。

近幾年，我國光伏發(fā)展迅速，裝機(jī)容量不斷攀升。中國國家能源局（NEA）最新公布的數(shù)據(jù)顯示，2017年中國光伏新增裝機(jī)量為52.83GW，大約相當(dāng)于澳大利亞整個(gè)電網(wǎng)裝機(jī)總?cè)萘?。這占了2017年全球光伏裝機(jī)量的一半左右，并且與2016年同比還增加了68%，首次超過煤炭與天然氣的增長速度。

相對于分布式光伏電站，大型地面光伏電站的優(yōu)勢在于統(tǒng)一設(shè)計(jì)，統(tǒng)一施工，統(tǒng)一維護(hù)，經(jīng)濟(jì)效益高；發(fā)電量大，通常在數(shù)十兆瓦乃至數(shù)百兆瓦級別。接入電網(wǎng)可靠性高，是目前我國采用的主要模式，容量在100MWp以上的大型或者超大型的光伏發(fā)電場逐年增多。

光伏電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[2-3]是光伏電站建設(shè)的重要組成部分，其實(shí)現(xiàn)對一、二次設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制、操作、故障記錄以及功率預(yù)測、AGC/AVC（automatic generation control/automatic voltage control）等自動(dòng)化功能，是保障電站穩(wěn)定安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要技術(shù)手段。

隨著光伏電站的規(guī)模不斷擴(kuò)大，一、二次設(shè)備數(shù)量激增，組網(wǎng)變得更復(fù)雜，建立綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的難度變得更高。本文針對大型地面光伏電站的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。

1 需求分析

1.1 大型地面光伏電站的組成結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

大型地面光伏電站的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)多采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)的方案，圖1所示是光伏電站的基本組成結(jié)構(gòu)。通常每1MW為一個(gè)光伏子陣，以集中逆變器為例，光伏板陣列將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能，經(jīng)直流匯流箱匯集到子陣逆變器，轉(zhuǎn)換成交流，再經(jīng)子陣箱式變壓器初步升壓，然后多個(gè)光伏子陣集中到一路送至升壓站的低壓母線，最終由升壓站的主變壓器升壓后，并入電網(wǎng)系統(tǒng)。

組串式逆變器略有區(qū)別，它是將光伏板陣列產(chǎn)生的直流電能就地經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電能，然后經(jīng)交流匯流箱匯集到箱式變壓器。組串式逆變器容量比較小，1MW的光伏子陣安裝的組串式逆變器大約有40臺(tái)，若使用集中式逆變器，則一般為2臺(tái)。

光伏電站的一、二次設(shè)備可分為光伏發(fā)電區(qū)與升壓站兩部分。光伏發(fā)電區(qū)需要監(jiān)控的設(shè)備包含的每個(gè)光伏子陣的匯流箱、逆變器、箱變保護(hù)測控裝置以及分布在光伏發(fā)電區(qū)的環(huán)境檢測儀、光伏組件旋轉(zhuǎn)設(shè)備和電度表等智能設(shè)備。光伏發(fā)電區(qū)的設(shè)備具有數(shù)量多、種類繁雜、地域分布廣、組網(wǎng)復(fù)雜等特點(diǎn)。升壓站的二次設(shè)備數(shù)量相對較少，包含保護(hù)測控裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測裝置、無功補(bǔ)償裝置、直流屏、電度表等。

圖1 光伏電站基本組成結(jié)構(gòu)

1.2 大型地面光伏電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)功能需求

光伏電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)需具備發(fā)電設(shè)備運(yùn)行控制、電站故障保護(hù)和數(shù)據(jù)采集維護(hù)等功能，滿足用戶的日常運(yùn)維；同時(shí)需與電網(wǎng)調(diào)度協(xié)調(diào)配合，快速響應(yīng)調(diào)度指令，調(diào)節(jié)全站的有功與無功出力，既提高用戶的經(jīng)濟(jì)效益，又保證電網(wǎng)的安全。

光伏電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的功能需求大致可概括為實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)、AGC/AVC服務(wù)和功率預(yù)測服務(wù)。

1）實(shí)時(shí)監(jiān)控：實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，向用戶展示光伏發(fā)電區(qū)及升壓站的一、二次設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，并能夠下發(fā)遠(yuǎn)程控制指令。

2）調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)：能夠?qū)⑸龎赫靖鏖g隔保護(hù)測控?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給電網(wǎng)調(diào)度，并接收電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)的控制指令。光伏發(fā)電區(qū)的設(shè)備信息通常不需要轉(zhuǎn)發(fā)給電網(wǎng)調(diào)度。

3）AGC/AVC服務(wù)：AGC全稱為自動(dòng)發(fā)電控制，光伏電站需跟蹤電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)的指令，調(diào)節(jié)逆變器的有功出力，使全站的有功輸出滿足電網(wǎng)系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡(luò)線功率控制要求。AVC全稱為自動(dòng)電壓控制，光伏電站接收來自調(diào)度的母線電壓和總無功的符合設(shè)定，通過一定策略調(diào)節(jié)站內(nèi)逆變器和無功補(bǔ)償設(shè)備，保證電網(wǎng)系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4）功率預(yù)測服務(wù)：太陽輻射受季度、晝夜和陰晴等天氣條件的影響較大，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率具有間隙性和隨機(jī)性。功率預(yù)測服務(wù)通過收集天氣預(yù)報(bào)、光伏發(fā)電區(qū)環(huán)境監(jiān)測儀數(shù)據(jù)以及歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對整個(gè)光伏電站的發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測，了解光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電運(yùn)行特性，與電網(wǎng)調(diào)度配合，有助于整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃與運(yùn)行，減少光伏發(fā)電隨機(jī)性對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖2所示是大型地面光伏電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的總體架構(gòu)框圖。根據(jù)光伏電站的組成結(jié)構(gòu)和功能需求，將光伏電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，自下而上設(shè)計(jì)為子陣層、子陣環(huán)網(wǎng)層、間隔層、網(wǎng)絡(luò)層和站控層。下面詳細(xì)描述系統(tǒng)各個(gè)層次的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

圖2 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的總體架構(gòu)框圖

2.1 子陣層與子陣環(huán)網(wǎng)層

子陣層，在地理上對應(yīng)著每個(gè)光伏子陣。在每個(gè)光伏子陣安裝一臺(tái)智能一體化裝置，通過RS 485串口總線或者以太網(wǎng)與子陣內(nèi)的逆變器、匯流箱等智能設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。分散在光伏區(qū)的其他智能設(shè)備，如環(huán)境監(jiān)測儀、旋轉(zhuǎn)設(shè)備采集裝置、電度表等，也接入附近光伏子陣的通信管理機(jī)。所有通信都是基于通信規(guī)約，常用的規(guī)約有Modbus、IEC 103、IEC 104、CDT、DLT 645等。

相鄰光伏子陣的智能一體化裝置經(jīng)過光纖環(huán)網(wǎng)一個(gè)接一個(gè)，最終連接到間隔層的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，形成子陣環(huán)網(wǎng)層。環(huán)網(wǎng)內(nèi)智能一體化裝置的數(shù)量可根據(jù)地理位置分布與交換機(jī)能力決定。智能一體化裝置通過子陣環(huán)網(wǎng)，基于通信規(guī)約，將接入的智能設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到間隔層發(fā)電分區(qū)的綜合自動(dòng)化設(shè)備，同時(shí)接收控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)給智能設(shè)備。對上轉(zhuǎn)發(fā)的常用規(guī)約有IEC 103、IEC 104等。

2.2 間隔層

根據(jù)光伏電站的實(shí)際建設(shè)周期與規(guī)模，可以將光伏發(fā)電區(qū)劃分為多個(gè)發(fā)電分區(qū)，每個(gè)分區(qū)包含數(shù)10個(gè)光伏子陣，設(shè)置分區(qū)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)、分區(qū)監(jiān)控后臺(tái)與分區(qū)AGC/AVC服務(wù)器。發(fā)電分區(qū)的綜合自動(dòng)化設(shè)備與升壓站的二次設(shè)備，構(gòu)成間隔層。

同一發(fā)電分區(qū)內(nèi)的智能一體化裝置組成環(huán)網(wǎng)，接入本分區(qū)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，不同發(fā)電分區(qū)間的網(wǎng)絡(luò)相互隔離，如此分布式監(jiān)控與管理，可有效解決大型地面光伏電站設(shè)備多、數(shù)據(jù)量大、組網(wǎng)復(fù)雜的問題，并且有利于后期擴(kuò)建工程的接入。

分區(qū)監(jiān)控后臺(tái)用于監(jiān)控本發(fā)電分區(qū)內(nèi)的智能設(shè)備，展示各設(shè)備詳細(xì)數(shù)據(jù)；分區(qū)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)將本發(fā)電分區(qū)內(nèi)智能設(shè)備的數(shù)據(jù)有選擇性的轉(zhuǎn)發(fā)給站控層，供站控層的應(yīng)用使用；分區(qū)AGC/AVC子服務(wù)器接收站控層AGC/AVC主服務(wù)器的調(diào)節(jié)指令，經(jīng)一定算法后調(diào)節(jié)本發(fā)電分區(qū)內(nèi)逆變器的有功與無功輸出。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

間隔層的設(shè)備經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層與站控層交互，根據(jù)不同的應(yīng)用功能，網(wǎng)絡(luò)層劃分為了4個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)，分別是光伏區(qū)信息數(shù)據(jù)網(wǎng)、AGC/AVC數(shù)據(jù)網(wǎng)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)、功率預(yù)測數(shù)據(jù)網(wǎng)。

間隔層的分區(qū)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)經(jīng)光伏區(qū)信息數(shù)據(jù)網(wǎng)將光伏發(fā)電區(qū)設(shè)備的數(shù)據(jù)選擇性地送給主監(jiān)控后臺(tái)和功率預(yù)測服務(wù)器；間隔層的分區(qū)AGC/AVC服務(wù)器經(jīng)過AGC/AVC數(shù)據(jù)網(wǎng)與主AGC/ AVC服務(wù)器通信；調(diào)度監(jiān)控相關(guān)設(shè)備與升壓站二次設(shè)備在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi)通信；功率預(yù)測相關(guān)設(shè)備在功率預(yù)測數(shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi)通信。

各數(shù)據(jù)網(wǎng)間相互隔離，無直接數(shù)據(jù)交互，既可保障數(shù)據(jù)網(wǎng)的安全，又方便網(wǎng)絡(luò)故障的排查。

2.4 站控層

站控層根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)、AGC/AVC服務(wù)和功率預(yù)測服務(wù)四大功能部署，包含主監(jiān)控后臺(tái)、工程師站、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)、主AGC/AVC服務(wù)器、光功率預(yù)測服務(wù)器、光功率預(yù)測工作站、天氣預(yù)報(bào)服務(wù)器。

主監(jiān)控后臺(tái)展示升壓站二次設(shè)備信息以及由各分區(qū)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的光伏發(fā)電區(qū)重要信息；工程師站用于維護(hù)主監(jiān)控后臺(tái)與主AGC/AVC服務(wù)器；遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)作為全站惟一出口與電網(wǎng)調(diào)度主站通信，轉(zhuǎn)發(fā)升壓站二次設(shè)備數(shù)據(jù)，同時(shí)接收電網(wǎng)調(diào)度主站的功率調(diào)節(jié)指令，光伏區(qū)數(shù)據(jù)通常不需要送給電網(wǎng)調(diào)度主站；主AGC/AVC服務(wù)器調(diào)節(jié)全站的有功與無功輸出，滿足電網(wǎng)調(diào)度要求；光功率預(yù)測服務(wù)器從發(fā)電分區(qū)獲取逆變器輸出功率與環(huán)境監(jiān)測儀數(shù)據(jù)，對光伏站進(jìn)行功率預(yù)測，并與光功率預(yù)測主站交互數(shù)據(jù)；光功率預(yù)測工作站用于維護(hù)光功率預(yù)測服務(wù)器；天氣預(yù)報(bào)服務(wù)器經(jīng)反向隔離裝置接入公網(wǎng)，獲取天氣預(yù)報(bào)信息，處理后提供給光功率預(yù)測服務(wù)器。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 智能一體化裝置的實(shí)現(xiàn)

在光伏子陣為實(shí)現(xiàn)箱變保護(hù)測控、通信管理、環(huán)網(wǎng)等功能，通常需配置箱變保護(hù)測控裝置、通信管理裝置、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)需要考慮這些設(shè)備的安裝與長期運(yùn)行，而且在大型地面光伏電站，光伏子陣數(shù)量大，成本問題更加突出。

本文提出一種智能一體化裝置，集箱變保護(hù)測控、通信管理、環(huán)網(wǎng)功能于一體，安裝于箱變內(nèi)部即可，可以很大程度節(jié)約用戶成本。

圖3是智能一體化裝置的軟硬件架構(gòu)框圖，采用雙ARM核+DSP的三核CPU，其中ARM核1實(shí)現(xiàn)通信管理與分布式AGC/AVC相關(guān)功能；ARM核2實(shí)現(xiàn)外設(shè)管理與環(huán)網(wǎng)功能；DSP完成箱變的保護(hù)測控、事件、測量等功能。ARM核均采用Linux操作系統(tǒng)，保護(hù)與通信等應(yīng)用功能在不同的核實(shí)現(xiàn)，互不干擾。

圖3 智能一體化裝置軟硬件架構(gòu)框圖

3.2 具有風(fēng)暴抑制功能的環(huán)網(wǎng)技術(shù)

智能一體化裝置的環(huán)網(wǎng)功能采用了快速生成樹協(xié)議（RSTP），使用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，具有風(fēng)暴抑制功能。采用FPGA硬件計(jì)算網(wǎng)絡(luò)報(bào)文特征值，自學(xué)習(xí)形成特征值表，自動(dòng)丟棄特征值表中有重復(fù)元素的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。

本文采用兩種CRC算法的組合來計(jì)算特征值。長度為k+1的以太網(wǎng)報(bào)文可以映射到如下一組多項(xiàng)式序列：

公式1

式中，n為特征值的階數(shù)。將報(bào)文序列M(x)左移n位，模二除C(x)，得到商數(shù)P(x)和余數(shù)Q(x)，Q(x)即為該網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的特征值。

相同的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文必然有相同的特征值，不同的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文也有可能計(jì)算出相同的特征值，依據(jù)統(tǒng)計(jì)和概率理論，對于n=32的特征值序列，兩個(gè)隨機(jī)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文出現(xiàn)特征值相同的概率為1/232，若使用兩種不同的32位CRC算法組合產(chǎn)生的特征值，則其出現(xiàn)的概率為1/264，這個(gè)出錯(cuò)概率對于電力系統(tǒng)的應(yīng)用完全可以忽略。

3.3 分布式AGC/AVC的實(shí)現(xiàn)

AGC/AVC功率控制是大型光伏電站必須具有的功能，對保障光伏電站并網(wǎng)后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到積極作用，對電網(wǎng)調(diào)度調(diào)節(jié)指令的響應(yīng)時(shí)間是大型光伏電站的重要指標(biāo)。

以往AGC/AVC服務(wù)器的調(diào)節(jié)目標(biāo)都是逆變器，以逆變器為模型進(jìn)行計(jì)算，但隨著光伏電站規(guī)模的增大和組串式逆變器的廣泛使用，逆變器的數(shù)量激增，AGC/AVC服務(wù)器的調(diào)節(jié)目標(biāo)與計(jì)算模型增多，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)的難度加大。

若使用上文介紹的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，引入分區(qū)AGC/AVC服務(wù)器概念，則這一問題便能得到解決，其實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）調(diào)度主站發(fā)送光伏電站有功/無功輸出目標(biāo)值給站控層遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)。

2）遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)經(jīng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)將目標(biāo)值轉(zhuǎn)發(fā)給主AGC/AVC服務(wù)器。

3）主AGC/AVC服務(wù)器以各發(fā)電分區(qū)及無功補(bǔ)償設(shè)備為模型，經(jīng)過一定策略計(jì)算出各發(fā)電分區(qū)和無功補(bǔ)償設(shè)備輸出目標(biāo)值，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層的AGC/AVC數(shù)據(jù)網(wǎng)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)分別發(fā)送給間隔層的分區(qū)AGC/AVC服務(wù)器和無功補(bǔ)償設(shè)備。

4）分區(qū)AGC/AVC服務(wù)器以本發(fā)電分區(qū)內(nèi)的逆變器為模型，經(jīng)過一定策略計(jì)算出各逆變器的輸出目標(biāo)值，經(jīng)子陣環(huán)網(wǎng)發(fā)送給逆變器所在光伏子陣的智能一體化裝置，由智能一體化裝置發(fā)送指令調(diào)節(jié)逆變器的有功與無功輸出。

5）無功補(bǔ)償設(shè)備收到目標(biāo)值指令后自行調(diào)節(jié)。

6）主AGC/AVC服務(wù)器根據(jù)全站的有功與無功輸出情況，再次進(jìn)行計(jì)算，并發(fā)送調(diào)節(jié)指令，形成實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。

結(jié)論

本文提出的大型地面光伏電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，采用分區(qū)監(jiān)控，緩減站控層主監(jiān)控后臺(tái)壓力，監(jiān)控內(nèi)容清晰，便于運(yùn)維人員查閱；采用主AGC/ AVC服務(wù)器與分區(qū)AGC/AVC服務(wù)器相配合，實(shí)現(xiàn)分布式調(diào)節(jié)，降低了算法難度，提高了調(diào)節(jié)速度；按應(yīng)用功能劃分不同數(shù)據(jù)網(wǎng)，數(shù)據(jù)網(wǎng)間相互隔離，無直接數(shù)據(jù)交互，降低了網(wǎng)絡(luò)故障風(fēng)險(xiǎn)，有利于故障的迅速排查定位；整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，有利于后期擴(kuò)建，降低了接入難度。