【《光伏电站实时监测系统方案设计案例》5000字】

光伏电站实时监测系统方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u14960光伏电站实时监测系统方案设计案例 1288151.1实时监测系统方案设计 1252811.2数据采集层设计 2257731.2.1信号采样与案例 2212071.2.2光伏支路及逆变器数据采集 4297571.2.2环境数据采集 6136421.2.3电气数据采集 819411.2.4数据处理方案总体设计 9分布式光伏发电系统的发电量受到如温度、辐照度、风速等诸多环境因素的影响，因此在对其进行实时监测时不仅需要采集其各处电压、电流等相关电气量信息，其所处的环境信息也需要加以收集，并且所有数据需要集中上传、处理与分析。因此本章从这个角度出发，设计了光伏电站实时监测方案的总体布局，详细介绍了针对计算机处理数据的要求的基于小波阈值去噪数据预处理方法以及针对各类电能质量指标的分析方案，并通过Matlab进行仿真验证。1.1实时监测系统方案设计分布式光伏电站实时监测系统利用互联网信息技术收集采集器、传感器、故障录波系统采集到的诸多数据，如远程光伏电站发电情况、设备运行状况、光伏电站状态等，具备数据查看和历史数据记录功能。可进一步通过系统汇总分析，及时反馈告警信息，完成对光伏系统的故障诊断、运行状态评估，并将分析结果实时地展示出来。光伏电站实时监测系统整体设计方案如图1.1所示，共分为数据采集层、处理层和展示层三层：在数据采集层中，采集器与环境检测仪、电表、箱变之间均采用了RS485通讯方式，而采集器和上位机之间基于以太网或无线网进行通讯，实时监测系统设置对时模块，确保数据时效性、准确性。在数据处理层中，本文重点改进光伏电站智能监测设备，在传统智能监测设备的基础上新增了电能质量分析和故障录波功能，使光伏电站实时监测系统包含电站数据采集、小波去噪、电能质量分析、故障录波等诸多功能，增强其边缘处理能力，从而提高数据处理的实时性，实现系统运行数据和故障数据共享和同步。在数据展示层，本文使用LABVIEW编写光伏电站数据监测系统，实现光伏电站实时监测，实时展示光伏电站发电情况、设备运行状况，故障录波情况，提供历史数据查询功能，协助管理人员运维光伏电站。图1.SEQ图\*ARABIC\s11实时监测系统方案设计图Fig1.1Schemedesignofrealtimemonitoringsystem1.2数据采集层设计1.2.1信号采样与案例一般地，对各类信号的采样，就是将时间（或空间）上的连续信号转换成离散数值序列的过程[30]，连续时间信号和离散时间信号之间的转化关系图如图1.2所示。采样后所得的离散信号经保持器后，得到的是阶梯信号。图1.SEQ图\*ARABIC\s12时间信号的转化关系图Fig1.3Transformationdiagramoftimesignal信号的采样变化全过程如图1.3所示。为连续时间信号，频率分布在内，为采样信号，采样时间间隔为（其中），采样频率为，即每经过时间对信号进行一次采样[31]，当采样完成后，可得到一个离散的数值序列。图1.SEQ图\*ARABIC\s13时间信号的转化关系图Fig1.3Transformationdiagramoftimesignal采样变化全过程可用公式(1.1)描述。 (1.1)而奈奎斯特采样定理（也称香农采样定理）指出：当信号最大频率小于采样频率的一半时，通过这种采样信号得到的采样点，能够将原信号不失真地表现出来[32]，而分析时为了接近理想采样情况，我们尽可能使间隔，则信号便转换为信号，这种理想情况下的采样变化情况如图1.4所示。图1.SEQ图\*ARABIC\s14信号的理想采样过程Fig1.4Idealsamplingprocessofsignal若采样信号频率与信号最大频率满足奈奎斯特采样定理要求：，采样前后频谱变化过程为图1.5。若采样信号不满足采样定理的频率要求，获得的采样频谱会出现重叠，信号就出现了失真。如图1.6所示。图1.SEQ图\*ARABIC\s15满足采样定理时信号频谱变化过程Fig1.5Thechangeprocessofsignalspectrumwhenthesamplingtheoremissatisfied图1.SEQ图\*ARABIC\s16不满足采样定理时信号频谱变化过程Fig1.6Thechangeprocessofsignalspectrumwhensamplingtheoremisnotsatisfied为了保证信号能被完整地复现，采样频率应尽可能大，但显然无节制地提高采样频率既没有必要也不切实际。事实上，我们常遇到的信号中，大部分为带通型信号，特点是信号带宽远小于信号中心频率。对这类信号，假设其上限截止频率为，下限截止频率为，此时无需采样频率大于截止频率两倍以上，可直接依据带通采样定理确定其采样频率。1.2.2光伏支路及逆变器数据采集图1.7为某县200kW村级光伏电站总体布设方案。从布局角度看，该200kW电站共设置了四组光伏阵列，9个组串，一个组串22块光伏板，一共792块光伏板，布设倾角18°，每组光伏阵列分别接入额定功率为50kW的逆变器，再通过两个设有接地保护的交流汇流箱后统一经过并网接入箱，由于光伏阵列数量和规模不大，未设置直流汇流箱。场区外围安装有监控摄像头，监控箱内安装有数据采集器，如图1.8所示。图1.SEQ图\*ARABIC\s17某县200kW村级电站电气接线简图Fig1.7Electricalwiringdiagramof200kWvillagepowerstationinacounty图1.SEQ图\*ARABIC\s18200kW村级电站实景图Fig1.8Pictureof200kWvillagepowerstation图1.9为该县200kW村级电站通讯接线图。从通讯系统布设角度看，场区内的设备，如逆变器之间，逆变器和数据采集器之间采用有线RS485通讯，数据采集器与上位机之间通过无线GPRS或4G方式通讯。通讯采集系统整体较为简单，未设置光伏支路数据采集和环境数据采集环节。目前市场上的逆变器大都自带交流、直流侧的监控与逆变器故障保护功能。以该县使用的阳光电源公司SG50KTL-M为例，其自带电网监控和组串检测功能，可以实时获取交流侧输出电流，电压和功率，并可通过RS485接口或蓝牙方式与上位机通讯。三组接口均可以外接数据采集器，并通过数据采集器与上位机或其他监控设备实现数据交互。RS485-2接口只可应用于单台逆变器通讯的应用场景。RS485-1端子排及RJ45接口可应用于多台逆变器以菊花链形式进行通讯的应用场景。在同一条菊花链上的逆变器台数超过15台时，对于菊花链两端的两台逆变器，需要通过打开RS485-拨码开关（SW1）在A/B引脚之间并联120电阻以保证通讯质量，且通讯线缆的屏蔽层应单点接地。RS485通讯线缆应使用屏蔽双绞线或屏蔽双绞型Ethernet线缆，且线缆总长度不能超过1200m。图1.SEQ图\*ARABIC\s19某县200kW村级电站通讯系统接线简图Fig1.9Wiringdiagramofcommunicationsystemof200kWvillagepowerstation从现场使用情况看，SG50KTL-M逆变器可采集通讯的数据包括：每组光伏组串输出电流，每相交流输出电压有效值、电流有效值、交流输出功率和频率，历史发电量统计和历史故障记录等。以上数据均可直接通过逆变器通讯系统输出获取。1.2.2环境数据采集环境数据包含区域环境数据和气候数据，如表1.1所示。表1.SEQ表2.\*ARABIC1光伏系统相关环境数据Tab1.1Environmentaldatarelatedtophotovoltaicsystem采集数据分类具体数据种类气象数据年/月/日平均气温、年/月/日平均降水量、年/月/日平均日照小时数、云量、相对湿度、盛行风、环境数据光伏组件温度和电池结温、太阳辐照度、环境温度、风速/风向、SF6浓度、浸水状况、火灾预警、积灰状况气象类数据如年/月/日平均气温，平均降水量，平均日照小时数，云量等在光伏电站选址前应综合考虑，以提升电站综合效益。数据可由该地气象中心网站查得。相对湿度，盛行风向作为光伏板加固时的参考因素。环境数据种类较多，具体包括：光伏组件温度和电池结温：控制光伏板温度对保证系统平稳工作意义重大，电站应具备实时采样光伏板温度功能，温度过高的光伏板应及时切除，以防火灾等事故。光伏组件温度通过粘贴在组件背后的温度传感器测量，传感器的位置选择按照GB/T18210测量的要求进行。输出报表数据需要工作时段结温，包括：小时值，每日/月/年的最高、最低和平均值。太阳辐照度：光伏电站应具有水平面和方阵面辐照度的实时测量。监控系统应将辐照度数据对时间积分，自动处理成给定时间内的太阳辐射量。输出数据需包含小时、日、月、年辐射量。风速/风向测量：光伏电站应安装风速和风向测量装置。输出数据需包含小时平均风速/风向，每日、每月、每年的平均风速和最大风速。环境温度：需避免阳光直射，保持空气流通。输出数据需包含小时温度值，每日、每月、每年的最高、最低和平均温度。SF6：对光伏电站GIS中的SF6气体，需要进行监测。SF6气体比重大，泄露时会积聚在底层空间。系统配置SF6与O2气体探测器，置于GIS下部，实时监测SF6和O2含量数值。当检测环境空气中SF6气体含量超过1000ppm或O2含量低于18%时，发出报警信号，实时报警，并启动风机通风。对SF6和O2进行数值监测，定时传送至系统中，对SF6超限或缺氧告警信号，及时处理传送系统[28]。积灰状况：根据光伏组件的工程数学模型，光伏组件的输出功率主要与温度和光照强度有关[29]。倘若灰尘覆盖了组件表面，那接受的光照强度必然减少，直接导致输出的功率也相应衰减，衰减值正相关与灰尘浓度。当处于同一环境时，组件单位时间内的表面积灰量与组件安装倾角直接相关，倾角越大则积灰量越少。不宜使用传感器直接测量法采集积灰情况，在无外界冲洗（如雨天，大风等）情况下积灰会使系统效率呈单调降低态。通常使用功率变化进行积灰情况初判，并对光伏板定期进行人工清洗。该县200kW电站规模较小，未设置环境数据采集系统。综合成本和数据采集要求考虑，环境数据采集适宜使用GrowattPH自动气象站系统，其实物图如图1.10所示。GrowattPH是集气象数据采集、存储、传输和管理于一体，且无人值守的气象采集系统，它由气象传感器、气象数据采集仪和计算机气象软件三部分组成，可同时监测辐射、照度、风速、风向、大气温湿度、雨量、等诸多气象要素，且使用的传感器均为气象专用传感器，精确度高。气象数据采集仪具备有气象数据采集、实时时钟、气象数据定时存储、参数设定等功能，其系统配置大容量FLASH存储芯片，可记录一年以上气象数据；配置多种类型通讯接口，如RS232、RS485、USB，与计算机有线通讯连接方式便捷，若选配GPRS无线通讯模块还可实现与监控中心远程无线连接，表1.2为GrowattPH系统详细参数表。图1.SEQ图\*ARABIC\s110GrowattPH自动气象站系统图Fig1.10SystemdiagramofGrowattPHautomaticweatherstation表1.SEQ表2.\*ARABIC2GrowattPH自动气象站系统参数表Tab1.2Environmentaldatarelatedtophotovoltaicsystem名称测量范围分辨率准确度风速传感器0～45m/s0.1m/s±（0.3±0.03V）m/s风向传感器0～360º1°±3°空气温度传感器-50～+100℃0.1℃±0.5℃空气湿度传感器0～100%RH0.1%RH±5%土壤温度传感器-50～+80℃0.1℃±0.5℃土壤湿度传感器0-100%0.1%±3%雨量传感器≤4mm/min0.2mm±4%总辐射传感器0.3～3μm1W/m2±5%气压传感器10～1100hPa0.1hpa±0.3hPa蒸发传感器1000mm0.1mm±0.5%气象站使用有线组网方式，与计算机之间采用RS232进行通讯，有效距离30米，还可以通过RS485接口传输，传输距离为800米。1.2.3电气数据采集虽然该系统中的光伏逆变器自带电气数据采集及上传功能，但是对于整个光伏系统来说，时刻监测各处的电气数据对故障定位、安全预警等有重大意义。因此这一小节将选取系统内具有代表性的节点安装相关电气数据采集器。由于该系统较小，无直流汇流箱，直流侧相关数据可直接从逆变器上传数据中得到。对与交流侧，由于该系统各馈线长度较短，因此本文则选取两个汇流箱以及并网接入箱这三处收集并上传对应的电压及电流数据。考虑该系统容量为200kW，其并网额定电流约为300A，为了提高电能质量分析精度，在并网接入箱选择宁波中车时代传感技术有限公司制造的霍尔电流传感器，型号为NACF.200C-S5/V；两个汇流箱各接两台50kW逆变器，额定电流约为150A，选择该公司生产的另一款霍尔电流传感器，型号为NACF.200C-S5/V。这两款霍尔传感器具体参数见表1.3，可将测量电流信号转换成电压信号，并通过采样电路调理后将电流数据上传值监测系统中。对于电压采样，为节省成本可直接在采样板上设计分压电路进行电压测量。表1.SEQ表2.\*ARABIC3电流传感器主要电气参数Tab1.3Mainelectricalparametersofcurrentsensor主要电气参数电流传感器型号NACF.200C-S5/VNACF.300C-S5/V额定测量电流Ipn200A300A测量范围Ipm±600A±900A电源电压DC±15×(1±5%)VDC±15×(1±5%)V额定测量输出Vout±4V±4V线性度≤±1%Ipn≤±1%Ipn基本误差≤±1%Ipn≤±1%Ipn测量带宽0~25kHz0~25kHz响应时间≤3μs≤3μs1.2.4数据处理方案总体设计光伏电站实时监测系统硬件设计方