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基于现场总线的大型光伏电站监控系统设计

摘要：本文针对大型光伏电站的发展现状，阐述了大型光伏电站对监控系统的需求和LonWorks现场总线的技术特点，提出了基于现场总线的大型光伏电站监控系统设计思想及其实现技术。整套系统具有功能全面、组网灵活、稳定可靠的特点，能够有效提高大型光伏电站的运行维护效率。
关键词：现场总线，LonWorks，光伏电站，监控系统
1 引言
目前，世界范围内的太阳能光伏发电产业发展迅速，近10年全球太阳能光伏产业年均增长41.3%，近5年为49.5%，而中国已经为世界上最大的太阳能光伏电池组件的生产国，约占世界总产量的40%以上。
2009 年3 月，财政部发布并实施“太阳能屋顶计划”，支持开展光电建筑应用示范，通过20 元/Wp定额补助，推广城市光电建筑一体化利用、农村及偏远地区建筑光电利用。2009年7月，财政部等三部门又共同推出“金太阳工程”，计划在三年内投入30亿资金，补助不低于500MW的光伏发电项目，单个项目将得到相当于其建设费用50%~70%的补助。在这一系列支持政策的刺激下，我国已投入运行、在建及规划中的太阳能光伏电站数量和规模正在逐年大幅攀升。
根据并网电压等级和装机容量的不同，光伏电站可以分为小型、中型和大型；根据建设形式的不同，光伏电站又可分为离网型、用户侧并网型及大型并网型。目前，在我国已建成或在建的光伏电站中，大型并网光伏电站占据了很大比例，这是在太阳能资源发达地区的主要建设形式。
大型光伏电站必须配备自动运行、功能完善的监控系统。这种监控系统不同于传统发电厂监控系统或变电站综合自动化系统，相对来说，大型光伏电站内设备种类不及传统电厂丰富，生产控制流程也不太复杂。但其典型特点是装机容量大（10MW以上）、占地面积广（150亩以上），且地理位置偏僻、维护人员很少，这就要求生产运行、设备监控、环境监测、安保技防等各环节集中统一起来，且能够适应其位置分散、配置灵活的特点。基于现场总线设计的大型光伏电站监控系统可以满足这些要求。
2 LonWorks现场总线的技术特点
LonWorks技术是目前控制领域的主流现场总线技术之一，其采用的LonTalk协议遵循ISO/OSI参考模型，实现了OSI所定义的全部7层协议，这是目前唯一提供全部7层协议的现场总线。
LonWorks总线技术的核心是神经元芯片（Neuron Chip），LonTalk协议被完整的内置在神经元芯片中。这样，只要在设备中嵌入神经元芯片和合适的软硬件接口，设备就能够被安装到LonWorks控制网络中。神经元芯片内包括3个8位CPU，以并行方式工作：第一个CPU为介质访问控制器，处理LonTalk协议的第一、第二层；第二个CPU为网络处理器，处理LonTalk协议的第三到第六层；第三个CPU为应用处理器，执行用户代码以及用户调用的操作系统服务。
当被应用于大型光伏电站监控时，LonWorks总线技术具有显著的优势，主要体现在：
（1）可选用双绞线、电力线、光纤等多种物理介质，并且已经有整合了神经元芯片与物理层的智能收发器芯片。智能收发器目前包括双绞线和电力线两种物理层，其中双绞线物理层电气性能达到2km/78kbps；电力线物理层能够耦合到供电线上，灵敏度可达-80dB，并在两个波段上分别提供3.6kbps和5.4kbps的通信速率。
（2）基于LonWorks的设备可以采用分布式的对等通信方式，构成分布式控制系统。网络中的每一个设备都能够在不依赖其他设备的情况下独立的接收、发送和处理网络信息。这意味着每个LonWorks设备都能够自主进行决策和信息处理，而不依赖于中央处理器，任意节点的故障也不会造成系统瘫痪。
（3）网络拓扑结构灵活多变。可以使用总线形、星型、环形等多种网络拓扑结构，从而大大降低了建设与维护的工作量。
（4）LonWorks网络节点之间使用逻辑连接，很容易添加和删除节点，便于系统调整和扩充。
（5）LonTalk协议可以根据不用的应用环境而灵活配置，该协议严格按照OSI七层模型设计，并且完全开放。
3 监控系统的基本结构
大型光伏电站监控系统由监控中心、光纤环网、监控子网、通信单元、测控终端、安保技防单元等部分组成，系统整体拓扑结构如图1所示。

图1. 监控系统拓扑结构
监控中心是整个监控系统的核心。监控中心通过通信系统与各现场系统进行信息交互，完成运行监测、命令下达、数据分析、状态显示、统计分析等功能，并接受调度指令，进行光伏电站的有功/无功功率控制。
光纤环网是监控系统的骨干通信网，物理介质采用100M或1000M单模光纤，通信协议为TCP/IP协议，具有速度快、实时性好、可靠性高的优点，可配置为单环网或双环网形式，监控中心和各现场系统通过工业以太网交换机接入光纤环网。
监控子网是指由各种测控终端、现场通信网络以及安保技防单元组成，并一同接入工业以太网交换机的监控子系统。大型光伏电站一般以500kW或1MW容量为一个光伏发电单元，监控子网的功能范围就是以光伏发电单元为依据来界定的。监控子网的拓扑结构如图2所示，其中光伏汇流箱的测控终端以电力线载波方式通过直流电缆通信，直流防雷配电柜内的测控终端接收载波信号，并通过双绞线将光伏汇流箱与自身的监测数据一起发送到现场总线上。

图2. 监控子网拓扑结构
通信单元负责完成数据预处理和规约转换，是信息上传下达的关键设备。监控子网的现场总线协议和其他通信协议将通过规约转换和隧道技术在TCP/IP网络上完成传送。
测控终端是监控系统中最基本的设备，负责完成末端的数据采集与命令下达，并与通信单元进行交互。根据测控对象、处理能力和通信介质的不同，测控终端也分为不同类型，以达到灵活部署、降低成本的目的。
4 监控系统的主要功能
4.1 SCADA功能
大型光伏电站监控系统的SCADA功能可以分为操作类和管理类两大类，数据采集、状态监测、设备控制、事件记录等属于操作类功能，而用户管理、安全管理、系统设置、时间同步等属于管理类功能，其中较为重要的功能包括：
（1）数据采集与处理。系统通过前置通信服务器接收来自各通信单元的实时数据。对于实际测点，根据模拟量、状态量、电度量等不同数据类型分别进行预处理；对于计算测点，通过计算引擎和计算规则在线完成计算任务。
（2）状态监测与评估。监控中心能通过显示器对光伏电站主要设备运行参数和运行状态进行监测，通过系统配置图、电气接线图、过程曲线图、统计报表等画面展示系统的各个细节，并评估系统的生产运行状态。
（3）设备操作与控制。监控中心能够对光伏电站主要设备进行远程控制，控制命令通过通信单元下达。使能远程控制功能后，监控中心可以在画面上对逆变器进行起机、停机、限制出力等基本控制，以及对各电压等级断路器、隔离开关等进行遥控操作。
（4）系统报警与诊断。系统报警可分为两种类型，一种是事故报警，另一种是预警报警。前者一般包括逆变器主动上报故障信息，以及非计划性断路器跳闸等；后者包括一般设备变位、采集数据异常、趋势报警等。报警信号以图形、文字、语音等形式发出，并提供辅助诊断信息。
（5）事件记录与追忆。当光伏电站或电网发生事故时，监控系统自动提取故障前后指定时间段内的有关信息以供分析，事故追忆的可通过关键故障条件自动触发，也能够以用户指定的方式启动。
4.2 高级应用功能
（1）有功/无功自动联合控制。有功自动联合控制是指根据电网调度指令或系统运行状态，对系统总有功输出以及系统内各逆变器的有功输出进行联合调控分配，以满足电网调度要求，并优化系统运行效率。无功自动联合控制是指根据电网调度指令或接入电网状态，利用逆变器可以在0.95（超前）~0.95（滞后）功率因数范围内平滑输出无功功率的能力，对系统内SVC/SVG和各逆变器的无功输出进行联合调控分配，从而满足电网对接入点电压的要求。
（2）光伏功率预报。监控系统中设计了与光伏功率预报系统的信息接口，预报系统可以从监控系统中获取运行数据和气象数据，也可以通过监控系统将短期光伏功率预报数据发往调度中心。
4.3 环境监测功能
大型光伏电站占地面积大、工作人员少、维护难度大，特别是当光伏电池组件表面存在污染或遮挡时对系统发电量影响非常大。将环境监测功能纳入监控系统体系中，对电站内光伏电池表面污染状况、空气质量、蓄水池水量（用于清洗光伏电池）等环境数据进行连续监测，可以有效提升系统发电效率，减少维护工作量。
4.4 安保技防功能
安保技防功能包括视频监视、红外探测、声光报警以及应急照明等四个主要环节，对光伏电站完成无盲区覆盖，工作人员通过该功能可以提高安保水平、降低工作强度，该功能同时也为环境监测和设备运行监视提供了技术手段。
5 监控系统的关键部件
5.1 测控终端
测控终端直接面向测控对象完成数据采集上传与控制命令下达的任务。测控终端的核心器件是微处理器和智能收发器，根据应用环境的不同，微处理器可以采用ARM7、ARM9或PowerPC，智能收发器可以选择电力线或双绞线物理层。具体的，微处理器承担数据采集、预处理以及控制命令辨识等功能，而智能收发器负责在LonWorks总线上收发数据。测控终端的基本结构如图3所示。

图3. 测控终端的基本结构
5.2 通信单元
通信单元采用高性能嵌入式系统，支持LonTalk协议和IEC60870-5-101、IEC50870-5-103、IEC50870-5-104、CDT等通信规约，具备多个LonWorks双绞线、以太网、RS232、RS485接口，可以同时与多台不同通信介质的测控终端进行信息交互，并能正确接收、识别、处理、执行监控中心的遥控命令。
5.3 监控系统软件
监控系统软件采用分层分布的跨平台开放式系统架构，如图4所示。支撑平台系统由消息/服务软总线、系统管理服务、安全防护服务、实时数据服务、历史数据服务、业务运算服务和公共服务构成，其中公共服务包括数据服务、模型服务、文件服务、画面服务、告警服务、权限服务、报表服务、日志服务等组件。SCADA等应用功能在支撑平台系统上运行。

图4. 监控系统软件架构
6 结束语
LonWorks总线技术在实时性、可靠性、维护性、实现性等方面具有显著优点，基于此开发的大型光伏电站监控系统具有功能全面、组网灵活、安装方便、稳定可靠、反应迅速等特点，能够有效提高大型光伏电站的运行维护效率。

参考文献
[1] 闫铭, 王璐璐. LonWorks节点即插即用问题的研究[J]. 自动化仪表, 2003, (6): P18-20.
[2] 刘巍, 卜淮原, 卿太平等. LonWorks总线技术在环境监测系统中的应用[J]. 物流科技, 2007, (4): P114-116.
[3] 胡国雄, 陆玲, 黄莉. 基于LonWorks技术的变电站综合自动化产品的开发[J]. 电力系统及其自动化学报, 2005, (2): P83-87.
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