校园智能光伏电站及其监控系统的设计与数据分析

刘 燕，王 科，刘 月，秦艺峰

（常熟理工学院 电气与自动化学院，江苏 常熟 215500）

太阳能光伏发电凭借其灵活、高效的特点在配电网中得到了越来越广泛的应用. 常熟理工学院东湖校区现有学生宿舍楼21幢，利用其屋顶光资源建成的分布式光伏发电系统将成为公共电网的有效补充与支撑. 该光伏电站容量为1.1 MWp， 最大年发电量113.8万kW·h. 在光伏电气一次系统的基础上，设计了智能监控系统及能源管理系统. 与常规光伏电站监控系统相比，该监控系统配套设计了能源管理系统，不仅可以远程监测光伏系统的运行状态，而且可以通过能源管理系统对光伏电站运行数据进行深度分析和挖掘，从发电效率、运行状态、电能质量提升等角度开展监测研究，分析分布式能源接入给校园配电网带来的影响，提出高校变配电系统合理运行策略，为能耗需求侧管理、配电网和运行维护提供技术支撑及数据支撑［1］.

1 光伏电站电气一次系统

太阳能光伏面板按照分布式排列方式安装于学生宿舍屋顶. 参考当地气象资料可知常熟年水平面辐照量为1 595.05 kW·h/ m2/d，电池组件倾斜面上的辐照量为1 885.8 kW·h/ m2/d，水平面峰值日照时数为1 595.05/365=4.37 h，带倾斜面的峰值日照时数为1 885.8/365=5.16 h. 根据上述数据计算出光伏列阵在宿舍楼顶最佳的安装角度为33°.

该光伏电站每一条回路是由18块光伏组件串联而成. 串联后再按4路或5路或6路或者8路数量不等的路数并联接入汇流箱，汇流箱汇集能量后再接入直流配电柜. 按照就近的原则将汇集后的直流接入并网逆变器，通过逆变器将直流电转为交流电. 逆变后的交流电通过断路器并入交流电网. 该系统配置了直流汇流箱45个，直流配电柜4个，逆变器4个，交流配电柜5个. 图1是光伏电站电气一次系统图.

1.1 每幢楼的装机容量

为获取合理的发电容量，将18块光伏组件串联起来组成1路光伏线路，其中每块光伏组件额定电压为29.1 V，额定电流为7.56 A. 以1#宿舍楼为例，该宿舍楼一共有8路光伏线路接入直流汇流箱，其装机容量的计算如下：

并入直流汇流箱U= 2 9.1× 18 = 523.8 V .每 路电流I=7.56A. 整栋楼实际装机功率P= 5 23.8× 7 .56× 8 =31679.42 W.

由于校园内21栋宿舍楼顶面积不等，并联接入的光伏电路数量不相同，故每幢楼顶装机容量也不尽相同.

图1 光伏电站一次系统图

1.2 直流汇流箱

直流汇流箱的功能是将串联后的光伏面板有序连接并实现汇流功能. 本次设计选用的直流汇流箱带防反充及监控功能. 直流汇流箱由两部分组成，一部分汇流模块，即N条线路并联后通过智能断路器流出；另一部分是通信模块，通过485线接至串口服务器从而实现数据的传输，再由以太网连接至人机界面， 通过监控系统测量光伏电路数据.接线图如图2所示.

图2 智能汇流箱一次图

1.3 逆变器

逆变器是光伏系统中最为关键的设备，该设计用到的并网逆变器采用了最大功率跟踪技术，能够最大限度地把发电电流并入电网［1］. 智能光伏并网逆变器具有显示单元，可以显示电压、电流、逆变器输出电压、电流、功率、累计功率，以及光伏面板的电压、电流、运行状态、异常报警等各项参数. 还具有标准的电气通信接口，可以实现远程监控，有较高的可靠性.

1.4 并网断路器

分布式光伏并网断路器选择含有欠压脱扣器和欠压延时模块的专用断路器，使其具有检无压跳闸、检有压合闸及无压/失压长延时跳闸的功能［2］. 其中无压跳闸检测用于当系统处于永久故障状态时，分布式光伏发电系统自动断开与校园供电间的连接. 而检有压合闸时则是在校园供电网处于正常运行情况下才允许的并网运行. 无压/失压长延时跳闸功能的延时定值时间应大于当地系统备自投、重合闸与全自动馈线自动化动作的最长时间，以确保在公共电网系统处于暂时故障状态时，分布式光伏发电系统在等待系统恢复正常过程中维持并网运行状态［2］，如此可极大提高分布式光伏发电系统的运行可靠性. 该并网断路器也带有通信模块，在工作的同时可以将相关数据上传至监控系统.

2 智能光伏电站监控系统的设计

智能光伏电站监控系统采用分层式结构设计，分为监控端层、主干网络层以及智能元件层，其中主干网络层连接着智能元件层和监控端，向下采集数据向上发送数据［3］. 框架结构如图3所示.

图3 分层式结构框架

图4 监控系统网络拓扑图

图5 通信工作流程图

按照通信协议以以太网和 RS485总线进行数据与命令的传送，实时采集光伏阵列、智能汇流箱，智能逆变器，智能断路器和智能仪表的数据，并将信息传到上位机监控部分，由监控主机实时呈现光伏电站运行信息. 在校园互联网下查看电站相关数据，实时分析电网的运行情况并获得电站优化和调整策略［3］. 为了将光伏电站监控信息实时传入离东湖校区有8 km之远的东南校区，利用了两校之间的光纤通信网络，通过光纤网络将信息传入东南，并接入校园互联网络. 监控系统网络拓扑图如图4所示.

监控主机发送的命令报文基于TCP/IP协议，通过以太网发送至串口服务器，串口服务器再对接收的命令报文进行处理，转换为基于MODBUS协议的命令，通过RS485总线传送到设备端. 在这个过程中，命令是以广播的方式进行传输，当设备端接收到命令后会进行地址校验，使地址正确的设备作出回应，而其他设备不做回应［4］.回应报文的则会先基于MODBUS协议通过RS485总线传送至串口服务器，再转换为TCP/IP协议通过以太网反馈给监控主机［5］，从而在软件中显示对应结果. 通信工作流程图如图5所示.

该监控系统能完成对太阳能光伏发电的实时运行信息、报警信息在线监视，能显示光伏的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量以及每天发电功率曲线图. 实时监控逆变器的运行状态，采用声光报警方式提示设备出现故障，可查看故障原因及故障时间. 具有最大功率点跟踪模式（MPPT）及恒压模式，可实时对并网点电能质量进行监测和分析.

3 监测数据分析与研究

能源管理系统是在监控系统的基础上，根据光伏系统的运行状态，通过对各种发电与用电数据的分析，实现系统稳定控制和优化运行的软件系统. 通过能源管理系统分析分布式光伏发电的工作，分析光伏电源对电网负荷的影响，预测分布式光伏最大发电效率，以此为基础资料实现对学校配电网规划、设计、建设和运维提供决策辅助和数据支持.

能源管理系统主要划分为6个板块，即运行监测、能源审计、能源计划、运行报表、数据管理、用户管理. 根据实际使用情况，还可增加能源审计中的能耗分项分析、能耗趋势分析、能耗对比分析、实时分项分析、实时趋势分析、实时对比分析、能耗指标明细报表、实时指标明细报表.

3.1 光伏发电量数据分析

光伏发电效率一方面反映光伏设备的光电转换效率，以及光伏设备生产制造水平；另一方面，光伏发电效率受太阳辐射度、天气、温度等自然因素影响，具有较大的波动性. 能源管理系统主要作用是收集光伏发电系统的数据并加以分析对比. 根据历史数据，可以预估每年的发电量，确定一个预期值以便合理安排用电. 能源管理系统可以清晰地观察到每一分钟发电量的变化，监测光伏出力的波动情况，掌握波动规律，对分析分布式光伏对电网运行的影响、合理安排调度运行方式具有重要的研究和应用价值. 如图6所示，这是学校光伏系统学生楼并网柜2018年12月11日—12月13日采集的功率数据. 从这段运行曲线可以看到该光伏系统发出的最大、最小以及平均功率的大小. 从曲线中看出12月11日起发电功率远远低于12日与13日的发电量. 分析其中的原因发现11日当日天气阴雨导致太阳能发电功率大大降低. 从该曲线可以看到光伏发电系统随太阳光照的变化规律. 光伏发电功率随天气和气温变化产生相应波动，具有一定的周期性规律. 对分布式光伏最大发电效率随季节变化的规律进行监测研究和分析，掌握光伏最大发电效率随季节变化的规律，对提高分布式光伏出力的预测能力具有重要意义. 学校用电有季节性特点，即在典型节假日及寒暑假期间用电量剧减，由于用电行为的改变，接入的光伏发电将严重影响负荷曲线的变化. 从监测数据分析光伏接入对负荷曲线最大值、最小值产生的影响，给出数据分析结果，提出合理的运行控制策略有利于最大化利用电能.

图7 每日发电量统计

3.2 故障状态分析

光伏发电系统运行多年后若出现设备故障将造成发电量减少，发电效率逐渐降低的情况，而这种现象用户往往无法察觉. 能源管理系统建立了智能化发电数据库，通过记录的波形或数据可及时发现故障或隐患. 其中状态分析可以通过查看“运行状态”的实时数值，以及调看“原始值数据”有效了解能源管理系统采集数据中附含的一些发电和用电故障因素. 图7是光伏系统某日发电量平均值的数据. 从图中可以看出，当日光伏系统发电变化规律与往日相同，但发电量变小较多. 发电效率除了受天气的影响外，通过监控界面还可发现其中一路光伏线路出现了故障，不能正常运行，导致总的发电量下降.

通过分析相应时间段的用电数据，还可杜绝日常用电中不经意造成的浪费，比如教室长明灯，使用违章电器等现象.

4 结束语

光伏发电的数据信息通过互联网做到可监控、可分析、可连通的远程监控及管理是能源信息大数据发展的必然. 利用校园内学生公寓屋顶建成的光伏电站，以智能汇流箱、智能逆变器、智能断路器和智能仪表等设备为基础，采用分层分布式结构设计了监控系统. 光伏监测平台能对校区光伏电源的有功功率、无功功率、发电量、电压、电流、开关状态量等运行信息实时监测，并能积累一定数量的光伏电源运行信息.通过数据分析可以观测光伏分布式电源接入给配电网带来的一些实质性问题，实现系统稳定控制和优化运行. 建成后的光伏配电网监控系统体现了当前电力系统能耗需求侧管理、智能配电网、新能源及微电网的技术特征，将为学校配电网运行和维护提供决策辅助和数据支持.