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（1.山東尚禾電力工程咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東新能電力科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000）
0 引 言
光伏電站作為太陽(yáng)能利用的重要方式，已在全球范圍內(nèi)得到廣泛推廣和應(yīng)用。目前，光伏電站要求匯流箱、逆變器等關(guān)鍵設(shè)備必須在無故障狀態(tài)下高效運(yùn)行[1]。但由于人力資源的有限性和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在智能化方面的不足，電站監(jiān)測(cè)常存在盲區(qū)多、故障定位慢的問題，影響光伏電站的運(yùn)行效率，還可能帶來安全隱患。
1 光伏電站布局與設(shè)備配置
1.1 光伏電站布局規(guī)劃
1.1.1 區(qū)域劃分與設(shè)備分布
光伏方陣區(qū)主要用于安裝光伏組件，形成大面積的光伏陣列，以捕捉太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)換為電能。布置方式需考慮地形、設(shè)備特點(diǎn)和施工條件，通常采用單元模塊化的布置[2]。方位角一般采用正南方向，排、列間距確保互不遮擋。逆變升壓區(qū)結(jié)合光伏方陣單元模塊化布置，一般位于光伏方陣單元模塊的中部，靠近主要通道，主要負(fù)責(zé)將光伏方陣產(chǎn)生的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡⑸龎褐练想娋W(wǎng)要求的電壓等級(jí)。站內(nèi)道路與交通區(qū)包括主干道、次干道和通向建筑物的人行引道，需要設(shè)計(jì)滿足設(shè)備運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行維護(hù)要求的道路系統(tǒng)。主要道路與城鎮(zhèn)現(xiàn)有公路連接，方便行車，避免與鐵路交叉。供排水與防洪區(qū)設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)，確保場(chǎng)地排水暢通，防止積水。在山區(qū)或丘陵地區(qū)設(shè)有防止山洪流入站區(qū)的設(shè)施，供水系統(tǒng)根據(jù)站區(qū)需求和生活用水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
1.1.2 并網(wǎng)方式選擇
發(fā)電站的并網(wǎng)接入方式應(yīng)優(yōu)先滿足本地負(fù)載的需求。發(fā)電站的電力負(fù)載較大，因此需要確保光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能能夠優(yōu)先滿足系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載需求，提高能源利用率，減少能源傳輸損失，保證發(fā)電站的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于大型發(fā)電站，可以考慮選擇中壓電網(wǎng)接入方式。中壓并網(wǎng)系統(tǒng)常用于太陽(yáng)能電池陣列額定功率較大的系統(tǒng)，可以減少電網(wǎng)的傳輸能量損耗，提高電能的利用效能。并網(wǎng)接入方式對(duì)比數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1 并網(wǎng)接入方式對(duì)比數(shù)據(jù)
低壓電網(wǎng)接入系統(tǒng)組成相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)太陽(yáng)陰影的耐受性強(qiáng)，適用于小型至中型光伏發(fā)電系統(tǒng)。然而，其直流側(cè)電流較大，需要選用大截面的直流電纜，且發(fā)電功率受低壓電網(wǎng)容量的限制。中壓電網(wǎng)接入適用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，具有高電壓、低電流、電纜線徑較小等優(yōu)點(diǎn)，與逆變器匹配更佳，逆變器的轉(zhuǎn)換效率更高。中壓電網(wǎng)接入對(duì)太陽(yáng)陰影的耐受性較差，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜且成本高。
1.2 關(guān)鍵設(shè)備配置
1.2.1 光伏組件與逆變器選型
多數(shù)光伏組件的工作電壓為1 000 V，但部分光伏組件的工作電壓可達(dá)到1 500 V。使用高電壓光伏組件可以減少電纜和連接器的數(shù)量，降低系統(tǒng)成本和損耗。逆變器的輸入電壓范圍必須與光伏組件的工作電壓相匹配。逆變器的功率必須與光伏組件的功率相匹配，過大或過小的逆變器功率可能會(huì)影響系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。優(yōu)化逆變器功率與組件功率的匹配，可以降低系統(tǒng)的成本和維護(hù)成本。逆變器的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）工作范圍必須與組件的開路電壓和短路電流相匹配，如果超出工作范圍，會(huì)導(dǎo)致逆變器無法正常跟蹤最大功率點(diǎn)，影響系統(tǒng)的效率。
1.2.2 匯流箱與配電柜配置
為滿足家庭用電需求，最理想的配電箱回路數(shù)量（即電閘數(shù)量）應(yīng)該是“1+X+Y+Z”的形式。1 代表主開關(guān)；X代表房間數(shù)量，用于控制每個(gè)房間的普通插座；Y代表大功率電器的數(shù)量，用于控制每一個(gè)大功率電器的供電（需要使用明裝斷路器或16 A 三孔插座的電器都屬于大功率電器）；Z代表照明回路的數(shù)量（對(duì)于燈具較多的情況，可以采用2～3個(gè)回路；一般情況下，只需1 個(gè)回路就能滿足需求）。通過合理配置回路數(shù)量，滿足家庭用電的安全要求。1P 斷路器適用于僅控制火線的通斷，對(duì)火線提供保護(hù)的場(chǎng)景。1P+N斷路器介于1P 和2P 之間，適用于同時(shí)控制火線的通斷，并對(duì)零線和火線提供保護(hù)的場(chǎng)景。2P斷路器能同時(shí)控制零火線的通斷，并對(duì)零火線提供保護(hù)，功能最為全面。
1.2.3 升壓變壓器及其他電氣設(shè)備
在光伏升壓站中，升壓變壓器將光伏電池板輸出的低壓直流電升壓為高壓交流電，以便能夠并網(wǎng)輸送至電網(wǎng)。電抗器補(bǔ)償變壓器的輸入和輸出電流，以減小電流變化對(duì)系統(tǒng)的影響。電抗器一般分為輸入電抗器和輸出電抗器，分別連接在變壓器的輸入端和輸出端，最大限度地降低電流波動(dòng)。開關(guān)設(shè)備用于控制光伏升壓站中的電流回路，并確保在發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)切斷電流，保護(hù)設(shè)備和人身安全。斷路器在異常情況下自動(dòng)切斷電流，隔離開關(guān)在檢修時(shí)隔離電流，負(fù)荷開關(guān)在正常狀態(tài)下控制電流的通斷。為保證光伏升壓站中電氣設(shè)備的正常運(yùn)行和延長(zhǎng)其使用壽命，必須采取合理的維護(hù)管理措施，定時(shí)校準(zhǔn)和整定電氣設(shè)備的保護(hù)裝置，確保其在異常情況下能夠正確動(dòng)作。
2 智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)
2.1.1 傳感器選擇與布局
利用RS-485 總線與各通信模塊相連，將運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，結(jié)合組態(tài)軟件構(gòu)建監(jiān)控界面，監(jiān)測(cè)和分析企業(yè)廠區(qū)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)將廠區(qū)的4個(gè)屋頂劃分為A、B、C 以及D 發(fā)電區(qū)域，并采用集中式和分布式相結(jié)合的方式進(jìn)行發(fā)電[3]。其中，C 區(qū)廠房面積較大且自用電較少，因此采用集中式結(jié)構(gòu)，根據(jù)工廠屋頂面積配置相應(yīng)數(shù)量的光伏面板，并以20 路為一組接入直流匯流箱，再將匯流箱的電流輸入集中式逆變器進(jìn)行處理。
2.1.2 通信協(xié)議與接口設(shè)計(jì)
在光伏升壓站中，智能型匯流箱、逆變器等設(shè)備間的通信需遵循統(tǒng)一的通信協(xié)議，RS-485 總線接口用于傳輸匯流箱、逆變器等智能設(shè)備與機(jī)柜間的數(shù)據(jù)，采用差分信號(hào)傳輸方式，光纖接口用于機(jī)柜與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過光纖介質(zhì)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。人機(jī)交互接口利用組態(tài)軟件構(gòu)建監(jiān)控界面，使用戶能夠?qū)夥龎赫镜臄?shù)據(jù)和設(shè)備進(jìn)行控制。報(bào)警裝置接口接收來自匯流箱、逆變器設(shè)備集成驅(qū)動(dòng)器電子（Integrated Drive Electronics，IDE）故障信號(hào)，并在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)預(yù)警，提醒運(yùn)維人員及時(shí)處理。
2.1.3 數(shù)據(jù)采集頻率與精度要求
數(shù)據(jù)采集頻率與精度數(shù)據(jù)如表2 所示。
表2 數(shù)據(jù)采集頻率與精度數(shù)據(jù)
由表2 可知，光伏電站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的頻率穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)。利用該數(shù)據(jù)能夠評(píng)估電站的監(jiān)控性能。
2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)
2.2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能設(shè)計(jì)
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能是確保光伏發(fā)電站穩(wěn)定、高效運(yùn)行的關(guān)鍵[4]。系統(tǒng)需要具有實(shí)用性，選用XL87 機(jī)臺(tái)監(jiān)控終端，支持快速數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。軟件則需要優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程，減少數(shù)據(jù)傳輸和處理的時(shí)延。系統(tǒng)需要具備準(zhǔn)確性，采用XL51TH 溫濕度傳感器、XLSWS 風(fēng)速傳感器，真實(shí)可靠地采集環(huán)境參數(shù)。在軟件層面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和修正，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)需要具備完整性，系統(tǒng)需全面覆蓋光伏電站關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)計(jì)多層次的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，覆蓋電站的每一個(gè)角落。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能具有直觀的圖表、曲線和數(shù)據(jù)面板，運(yùn)維人員可以清晰地掌握電站的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。
2.2.2 故障診斷算法與實(shí)現(xiàn)
故障診斷算法應(yīng)基于電站的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合物理模型、統(tǒng)計(jì)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，準(zhǔn)確診斷電站的各種潛在故障。通過分析逆變器的輸出電壓和電流波形，診斷逆變器內(nèi)部的功率管故障、電容老化現(xiàn)象。同時(shí)，故障診斷算法根據(jù)電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化診斷模型。在診斷模型優(yōu)化的過程中，應(yīng)收集分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電站的運(yùn)行狀況并及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。
2.2.3 故障預(yù)警與報(bào)警機(jī)制
預(yù)警機(jī)制應(yīng)基于故障診斷算法的輸出，當(dāng)檢測(cè)到潛在故障時(shí)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，提醒運(yùn)維人員進(jìn)行檢查和維修。報(bào)警機(jī)制則應(yīng)在故障發(fā)生時(shí)立即啟動(dòng)，通過聲光報(bào)警、短信通知等方式迅速通知運(yùn)維人員處理[5]。智能化光伏電站監(jiān)測(cè)與運(yùn)維數(shù)據(jù)如表3 所示。
表3 智能化光伏電站監(jiān)測(cè)與運(yùn)維數(shù)據(jù)
智能化光伏電站監(jiān)測(cè)與運(yùn)維系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)收集和分析光伏板溫度、逆變器輸出功率、總輻射量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，成功構(gòu)建了一個(gè)高效的預(yù)警和報(bào)警機(jī)制。故障診斷算法檢測(cè)出潛在故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。例如，在2023 年5 月1 日11:00，逆變器輸出功率的下降被及時(shí)捕捉并預(yù)警，運(yùn)維人員得以及時(shí)響應(yīng)并處理。而當(dāng)實(shí)際故障發(fā)生時(shí)，如逆變器故障和停機(jī)，報(bào)警機(jī)制則通過聲光報(bào)警、短信通知等方式，確保運(yùn)維人員能夠迅速得知并處理，減少故障對(duì)電站運(yùn)行的影響。
3 結(jié) 論
文章主要研究設(shè)計(jì)集光伏電站布局與設(shè)備配置優(yōu)化、智能化監(jiān)測(cè)于一體的智能化系統(tǒng)。精心規(guī)劃光伏電站布局與設(shè)備配置，確保變電站在多變的環(huán)境條件下均能保持高效的發(fā)電狀態(tài)。智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)電站運(yùn)行狀態(tài)，還能識(shí)別出潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)，大幅提高電站的運(yùn)行穩(wěn)定性。
