CN104578413A - 一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统 - Google Patents

一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,包括太阳能电池板、DC/DC模块、控制器、蓄电池、逆变器、DC/DC模块、直流负载、交流负载,其特征在于:控制器输入端连接有信号检测单元,信号检测单元输入端与太阳能电池板连接,直流负载、交流负载与现场总线通信模块连接,控制器还与人机交互模块、以太网通信模块、现场总线通信模块、GPRS模块相连接,以太网通信模块通过网络交换机与监控主机连接,监控主机与控制保护单元相连接,GPRS模块以无线通信的方式与无线监控终端相连接。本发明结构紧凑、操作便捷、性能优异、灵活性好、保密性强、稳定可靠、成本较低、数据实时性好、能实现各类监控信息交互,智能化程度高。

Description

一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统
技术领域
[0001] 本发明涉及太阳能光伏电力监控技术领域,尤其是涉及一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统。
背景技术
[0002] 我国从1958年起就进行光伏器件研究,70年代初成功地制造出空间光伏电源。70年代中期后,中国自制的光伏航标灯、太阳灯塔、气象及通讯用光伏电源开始使用,光伏应用逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。80年代,先后引进了美国的单晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池生产设备,是中国的光伏工业开始起步。目前我国大约有40多个研究机构和大学参与光伏技术研究与开发活动。研究领域涉及太阳电池、光伏材料、光伏系统和部件等。光伏系统的研究与开发取得了很大进展,主要包括100〜500W控制/逆变成套设备、I〜5kW光伏水泵系统、光伏照明系统、光伏电视系统、光伏通讯系统、气象站光伏电源,集中式光伏电站以及5kW光伏并网示范系统等。在光伏部件方面,主要有高效率10kW,15kW逆变器及30kW正弦波逆变器等;同时还成功地研制出新型太阳电池及组件特性测试系统等等。据不完全统计,至1997年我国安装各类光伏系统总量(包括进口系统)已达I1MW。近年来,太阳能光伏发电技术在我国得到了推广应用,先后建成20kW以上光伏电站7座,其中1998年在西藏安多县海拔4500米处,建成世界最高的光伏电站,功率100kW。
[0003] 从总体上来讲,中国的光伏发电产业,与国外发达国家相比还有很大差距,存在的主要问题是:
1、由于太阳光照射角度的动态变化,致使我国目前的固定式单晶硅光伏电池组件的光电转换效率较低,多在11%〜12%之间;组件的封装水平较低,有的组件经过3〜5年的使用有发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等现象;组件的实际使用寿命,也不如国外产品。至今尚无多晶硅光伏电池的生产工厂。控制器因电路复杂、不规范,造成控制器故障较多,给日后的维修带来了麻烦。非晶硅光伏电池厂只能生产单结电池,稳定性较差,转换效率较低,尚不能生产双结和三结电池。
[0004] 2、由于我国地形复杂,太阳能资源分布不均,并且太阳能电站都是建立在野外,现有技术对光伏发电的各项性能参数不能很好监控,技术性能不够高,可靠性较低,品种规格少,更谈不上研究开发更先进的产品。
[0005] 3、目前国内所生产的配电自动化装置仅能实现常规电气量如电流、电压、功率、功率因素谐波等的测量和显示功能,在与用户的互动功能、用户对用电选择功能、以太网的通信功能等智能电网所要求的自愈、安全、兼容、协调、集成、优质、高效、交互等方面有较大的差距,特别是在兼容、自愈、交互等功能方面是空白。
[0006] 4、传统的电力系统自动化装置和继电保护是相对独立的系统,设备装态监测和环境监测并没有在保护装置的功能中实现,在应用过程中国内的产品在安全接入和通信网无缝联接方面还是空白。
[0007] 5、目前晶体硅光伏电池组件的生产成本约为26-30元/ W,平均售价约为40_45元/ W,成本和售价均高于国外产品,在国际市场上缺乏竞争力。
发明内容
[0008] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,本发明采用各类传感器对光伏电场箱式变电站的运行电压、电流、温度、角度等技术参数进行检测,并通过现场总线采集变电站的负载设备运行参数,这些检测数据都发送到高性能处理器将信号集中处理,并最终通过以太网总线、网络交换机上传到远程监控主机进行系统监控。整个系统形成一个完整的闭环反馈控制系统,系统任何一个单元或者模块出现故障都可以通过上述过程传送到监控主机,监控主机可自动控制相应控制开关或者保护电路动作,实行相应的措施以保证系统平稳可靠运行。另外,系统的监控也可通过远程智能终端以无线方式进行,操作便捷。综上,本发明结构紧凑、操作便捷、性能优异、保密性强、灵活性好、稳定可靠、成本较低、数据实时性好、能实现各类监控信息交互,智能化程度高。
[0009] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,包括太阳能电池板,与太阳能电池板输出端连接的DC/DC模块、控制器,与控制器输出端连接的蓄电池、逆变器,所述DC/DC模块输出端与蓄电池连接,所述蓄电池输出端与直流负载、逆变器连接,所述逆变器输出端与交流负载连接,其特征在于:所述控制器输入端连接有信号检测单元,所述信号检测单元输入端与太阳能电池板连接,所述直流负载、交流负载与现场总线通信模块连接,所述控制器还与人机交互模块、以太网通信模块、现场总线通信模块、GPRS模块相连接,所述以太网通信模块通过网络交换机与监控主机连接,所述监控主机与控制保护单元相连接,所述GPRS模块以无线通信的方式与无线监控终端相连接。
[0010] 进一步地,所述信号检测单元包括与控制器连接的太阳光强度检测模块、太阳光角度检测模块、温度检测模块、光伏阵列电压电流检测模块、蓄电池电压电流检测模块、逆变器电压电流检测模块。
[0011] 进一步地,所述控制保护单元包括与监控主机连接的电压保护模块、电流保护模块、非电量保护模块、TV断线检测模块、装置故障告警模块、步进电机驱动开关、防风保护防翻开关、温度报警开关和蓄电池充放电开关。
[0012] 进一步地,所述控制器为16位DSP+MCU微处理器。
[0013] 进一步地,所述装置故障告警模块、步进电机驱动开关、防风保护防翻开关、温度报警开关和蓄电池充放电开关均为继电器。
[0014] 进一步地,所述以太网通信模块为工业级以太网RJ-45接口。
[0015] 进一步地,所述现场总线通信模块为RS485或RS232接口。
[0016] 进一步地,所述人机交互模块采用独立CPU控制,显示窗口采用四行,每行十二个汉字的液晶显示器,并配置以PZ1000系列保护装置。
[0017] 进一步地,所述光伏阵列电压电流检测模块、蓄电池电压电流检测模块、逆变器电压电流检测模块的电压检测部分均采用电阻分压方法来采集电压,并使用线性光电耦合器与控制器隔离。
[0018] 进一步地,所述光伏阵列电压电流检测模块、蓄电池电压电流检测模块、逆变器电压电流检测模块的电流检测部分均采用电流输出型霍尔电流传感器SMNA100L来直接采集电流。
[0019] 进一步地,所述温度检测模块采用集成式温度传感器AD590。
[0020] 进一步地,所述太阳光角度检测模块采用2CU型光电二极管。
[0021] 进一步地,所述蓄电池充放电开关采用由TLP250驱动的Power MOSFET作为充放电模块中的开关器件。
[0022] 本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明采用各类传感器对光伏电场箱式变电站的运行电压、电流、温度、角度等技术参数进行检测,通过现场总线采集变电站的负载设备运行参数,检测全面,性能优异,可有效减少或者避免系统运行可能产生的模块故障;
2、本发明的系统检测数据都发送到高性能处理器将信号集中处理,并最终通过以太网总线、网络交换机上传到远程监控主机进行系统监控。整个系统形成一个完整的闭环反馈控制系统,系统任何一个单元或者模块出现故障都可以通过上述过程传送到监控主机,监控主机可自动控制相应控制开关或者保护电路动作,实行相应的措施以保证系统平稳可靠运行,自动化水平高,维护方便,效率较高,可靠性好。
[0023] 3、本发明具备与用户的互动功能、用户对用电选择功能、以太网的通信功能等,达到了智能电网所要求的自愈、安全、兼容、协调、集成、优质、高效、交互等要求,特别是在兼容、自愈、交互等功能方面,实现了在应用过程中产品在安全接入和通信网无缝联接。
[0024] 4、本发明主要应用于户外环网柜、箱式变电站、开关柜中,XTP821智能保护装置均采用工业及器件,并有三放设计,满足了户外恶劣环境运行要求;
5、本发明的结构采用背插式整面板设计,可防尘防震动,机箱面板采用先进的工业美学设计,功能分区合理,使用方便。
[0025] 下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0026] 图1为本发明的太阳能光伏电场箱式变电站监控系统总体组成框图;
图2为本发明的太阳能光伏电场箱式变电站监控系统信号检测单元组成框图;
图3为本发明的太阳能光伏电场箱式变电站监控系统控制保护单元组成框图;
图4为本发明的低电流保护模块原理图;
图5为本发明的过负荷模块原理图;
图6为本发明的零序过电流模块原理图;
图7为本发明的过电压保护模块原理图;
图8为本发明的低电压保护模块原理图;
图9为本发明的非电量保护模块原理图;
图10为本发明的TV断线检测模块原理图;
图11为本发明的机箱正面结构简图;
图12为本发明的机箱背面结构简图;
图13为本发明的机箱侧面结构简图;
图14为本发明的电压检测模块电路原理图; 图15为本发明的温度检测模块电路原理图;
图16为本发明的光强检测模块电路原理图;
图17为本发明的太阳能电池板角度检测模块光电二极管信号放大电路原理图;
图18为本发明的太阳能电池板角度检测模块传感器俯视结构图;
图19为本发明的蓄电池充放电开关电路原理图。
具体实施方式
[0027] 如图1所示,一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,包括太阳能电池板1,与太阳能电池板I输出端连接的DC/DC模块2、控制器5,与控制器5输出端连接的蓄电池3、逆变器6,所述DC/DC模块2输出端与蓄电池3连接,所述蓄电池3输出端与直流负载4、逆变器6连接,所述逆变器6输出端与交流负载7连接,其特征在于:所述控制器5输入端连接有信号检测单元8,所述信号检测单元8输入端与太阳能电池板I连接,所述直流负载4、交流负载7与现场总线通信模块11连接,所述控制器5还与人机交互模块9、以太网通信模块10、现场总线通信模块11、GPRS模块12相连接,所述以太网通信模块10通过网络交换机14与监控主机15连接,所述监控主机15与控制保护单元16相连接,所述GPRS模块12以无线通信的方式与无线监控终端13相连接。
[0028] 如图2所示,本实施例中,所述信号检测单元8包括与控制器5连接的太阳光强度检测模块81、太阳光角度检测模块82、温度检测模块83、光伏阵列电压电流检测模块84、蓄电池电压电流检测模块85、逆变器电压电流检测模块86。
[0029] 如图3所示,本实施例中,所述控制保护单元16包括与监控主机15连接的电压保护模块161、电流保护模块162、非电量保护模块163、TV断线检测模块164、装置故障告警模块165、步进电机驱动开关166、防风保护防翻开关167、温度报警开关168和蓄电池充放电开关169。其中电压保护模块161包括过电压保护模块、低电压保护模块,电流保护模块162包括低电流保护模块、零序过电流模块。另外,系统还设置有过负荷模块、反时限模块。以上各个保护模块的电路原理介绍见下文。
[0030] 本实施例中,所述CPU模块I为16位DSP+MCU微处理器。具有极强的数据处理及记录能力,可以实现各种复杂的故障处理方案和保护定值等运行配置信息存储,并记录大量的故障数据。可记录故障信息32条,告警信息32条。这些信息在装置掉电后均不会丢失。
[0031] 如图3所示,本实施例中,所述装置故障告警模块165、步进电机驱动开关166、防风保护防翻开关167、温度报警开关168和蓄电池充放电开关169均为继电器。
[0032] 本实施例中,所述以太网通信模块10为工业级以太网RJ-45接口。
[0033] 本实施例中,所述现场总线通信模块11为RS485或RS232接口。
[0034] 本实施例中,所述人机交互模块9采用独立CPU控制,显示窗口采用四行,每行十二个汉字的液晶显示器,并配置以PZ100系列保护装置。
[0035] 如图4所示,为电流保护模块原理图,其实时计算并进行三段过电流判别。
[0036] 如图5所示,为过负荷模块原理图,其监视三相保护电流,过负荷报警与跳闸的选择由软压板选定。
[0037] 如图6所示,为零序过电流模块原理图,零序过电流元件的实现方式基本与电流保护元件相同,可选择作用于跳闸或告警。
[0038] 如图7和图8所示,分别为过电压保护模块和低电压保护模块,分别对三相电过电压和低电压进行检测,在超限时跳闸。
[0039] 本装置设有6路非电量保护功能,由软压板投退,保护原理如图9所示。
[0040] 本装置配置有TV断线检测功能,装置检测到TV断线延时发出告警信号,在电压恢复正常(线电压大于80V)后,保护返回。TV断线检测原理如图10所示。
[0041] 另外,保护装置的硬件发生故障,装置液晶可以显示故障信息,并驱动异常继电器发告警信号,同时闭锁保护。且其还可实现遥信、遥控及遥测功能。其中遥信指各种保护动作信号及断路器位置等开入量信号;遥控指远方控制跳合闸、调(修改)定值等;遥测指高低压侧电流、电压、频率、有功、无功等。
[0042] 最后,本装置除记录系统扰动数据外,还记录装置的操作事件、状态输入量变位事件、更改定值事件及装置告警事件等,保护事件32个,告警事件32个。
[0043] 本实施例中,所述壳体采用1/3的6U机箱。如图11、12、13所示,分别为机箱正面、背面和侧面的三面结构简图,其组装采用背插式整面板设计,可防尘防震动,机箱面板采用先进的工业美学设计,功能分区合理,使用方便。
[0044] 如图14所示,本实施例中,所述光伏阵列电压电流检测模块84、蓄电池电压电流检测模块85、逆变器电压电流检测模块86的电压检测部分均采用电阻分压方法来采集电压,并使用线性光电耦合器与控制器5隔离。
[0045] 在该模块电路中,其输入输出关系为:Vo=VinXKX (R43/R41)。其中K为光电耦合器L0C110的光电流传输系数比值。
[0046] 本实施例中,所述光伏阵列电压电流检测模块84、蓄电池电压电流检测模块85、逆变器电压电流检测模块86的电流检测部分均采用电流输出型霍尔电流传感器SMNA100L来直接采集电流,然后进行分压、分流、滤波、跟随等一系列调理,最终将采样的电流数据输入到控制器5。
[0047] 如图15所示,本实施例中,所述温度检测模块83采用集成式温度传感器AD590。对于传感器AD590,若采集的温度为T,则流过传感器的电流为:Ir=AT,A为转换系数,通常A为ΙμΑ/K ;LM358芯片的同相输入端电压为:up= IrXR28,LM358芯片的反相输入端电压为:uN=VCC/ (R21+R22+R23+R24) XR24,所以:uo=(uN_uP) XAf0 式中:Af 是差动放大运算电路的放大增益。
[0048] 光伏电池板光强检测电路原理如图16所示。太阳光强和太阳能电池组件表面光强的检测非常重要,是系统太阳能电池组件性能和聚光发电效率的一个重要参数。在太阳光的照射下,由于太阳电池的输出短路电流与太阳辐照度成正比,故选取一块经标准光强标定好的光电池作为光强传感器,只要测出其输出短路电流和表面温度即可推算出当时其表面所受的辐射光强。
[0049] 如图17和18所示,本实施例中,所述太阳光角度检测模块82采用2CU型光电二极管。太阳位置的变化会引起照射在平面镜镜面光强的变化,要使平面镜接收到最大的光强,应使镜面与太阳光线照射垂直,因此必须使平面镜跟踪太阳。太阳位置由高度角和方位角确定,可利用两个步进电机驱动平面镜作两轴运动,达到跟踪太阳的目的。在高度角和方位角跟踪时分别利用两只2CU型光电二极管作为太阳位置的敏感元件。4只光电二极管安装在同一个半球形的传感器壳内。每对二极管被中间隔板隔开,对称地放在隔板两侧。传感器俯视结构如图18所示。当镜面对准太阳时,太阳光平行于隔板,两只二极管的感光量相等,输出电压相同。当太阳光略有偏移时,隔板的阴影落在其中一只二极管上,使两只二极管的感光量不等,输出电压也不相等。根据输出电压确定步进电机的转向,控制相关的继电器动作,接通步进电机使其转动。当转到太阳光重新平行于隔板时,两只二极管输出相同电压,继电器断开,电机停转。光电二极管信号放大电路如图17所示。
[0050] 本实施例中,所述蓄电池充放电开关169采用由TLP250驱动的Power MOSFET作为充放电模块中的开关器件。如图19所示,在该电路中,选用IR公司的Power MOSFETIRF3205作为放电控制的开关管。当控制器给出高电平时,三极管Q5(S9013)导通,TLP250输出高电平,IRF3205的栅源电压被钳位于10V。此时,MOSFET导通,蓄电池向负载供电,相反,放电控制端给出低电平时,三极管截止,IRF3205的栅源电压小于阀值电压,MOSFET不能导通,相当于开关处于断开状态,蓄电池不能向负载供电。
[0051] 本发明采用各类传感器对光伏电场箱式变电站的运行电压、电流、温度、角度等技术参数进行检测,并通过现场总线采集变电站的负载设备运行参数,这些检测数据都发送到高性能处理器将信号集中处理,并最终通过以太网总线、网络交换机上传到远程监控主机进行系统监控。整个系统形成一个完整的闭环反馈控制系统,系统任何一个单元或者模块出现故障都可以通过上述过程传送到监控主机,监控主机可自动控制相应控制开关或者保护电路动作,实行相应的措施以保证系统平稳可靠运行。
[0052] 另外,本发明的保护单元采用三段式过流保护、反时限过电流保护、零序电流保护、非电量保护、温度保护、环境温湿度保护。考虑系统组网的灵活性,采用先进的现场总线检测和互联网通信技术。另外,本发明的监控也可通过远程智能终端以无线方式进行,可与配电自动化主站通信实现如下功能:配电网电气元件运行状态监测和继电保护功能;遥信、遥测、遥调、遥控功能;远程维护、远程诊断,实现智能电网的“自愈”等要求。
[0053] 综上所述,本发明突破了传统的光伏变电站的监控不全面,功能单一,信息缺乏共享,可靠性差,操作和维护繁琐,成本较高以及智能化低的问题,其结构紧凑、操作便捷、性能优异、保密性强、灵活性好、稳定可靠、成本较低、数据实时性好、能实现各类监控信息交互,便于推广使用。
[0054] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (13)

1.一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,包括太阳能电池板(1),与太阳能电池板(I)输出端连接的DC/DC模块(2 )、控制器(5 ),与控制器(5 )输出端连接的蓄电池(3 )、逆变器(6),所述DC/DC模块(2)输出端与蓄电池(3)连接,所述蓄电池(3)输出端与直流负载(4)、逆变器(6)连接,所述逆变器(6)输出端与交流负载(7)连接,其特征在于:所述控制器(5)输入端连接有信号检测单元(8),所述信号检测单元(8)输入端与太阳能电池板(I)连接,所述直流负载(4)、交流负载(7)与现场总线通信模块(11)连接,所述控制器(5)还与人机交互模块(9 )、以太网通信模块(1 )、现场总线通信模块(11)、GPRS模块(12 )相连接,所述以太网通信模块(10)通过网络交换机(14)与监控主机(15)连接,所述监控主机(15)与控制保护单元(16)相连接,所述GPRS模块(12)以无线通信的方式与无线监控终端(13)相连接。
2.按照权利要求1所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述信号检测单元(8)包括与控制器(5)连接的太阳光强度检测模块(81)、太阳光角度检测模块(82)、温度检测模块(83)、光伏阵列电压电流检测模块(84)、蓄电池电压电流检测模块(85 )、逆变器电压电流检测模块(86 )。
3.按照权利要求1所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述控制保护单元(16)包括与监控主机(15)连接的电压保护模块(161)、电流保护模块(162)、非电量保护模块(163)、TV断线检测模块(164)、装置故障告警模块(165)、步进电机驱动开关(166)、防风保护防翻开关(167)、温度报警开关(168)和蓄电池充放电开关(169)。
4.按照权利要求1所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述控制器(5)为16位DSP+MCU微处理器。
5.按照权利要求3所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述装置故障告警模块(165)、步进电机驱动开关(166)、防风保护防翻开关(167)、温度报警开关(168)和蓄电池充放电开关(169)均为继电器。
6.按照权利要求1所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述以太网通信模块(10)为工业级以太网RJ-45接口。
7.按照权利要求1所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述现场总线通信模块(11)为RS485或RS232接口。
8.按照权利要求1所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述人机交互模块(9)采用独立CPU控制,显示窗口采用四行,每行十二个汉字的液晶显示器,并配置以PZ1000系列保护装置。
9.按照权利要求2所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述光伏阵列电压电流检测模块(84)、蓄电池电压电流检测模块(85)、逆变器电压电流检测模块(86)的电压检测部分均采用电阻分压方法来采集电压,并使用线性光电耦合器与控制器(5)隔尚。
10.按照权利要求2所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述光伏阵列电压电流检测模块(84)、蓄电池电压电流检测模块(85)、逆变器电压电流检测模块(86)的电流检测部分均采用电流输出型霍尔电流传感器SMNA100L来直接采集电流。
11.按照权利要求2所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述温度检测模块(83)采用集成式温度传感器AD590。
12.按照权利要求2所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述太阳光角度检测模块(82)采用2CU型光电二极管。
13.按照权利要求3所述的一种太阳能光伏电场箱式变电站监控系统,其特征在于:所述蓄电池充放电开关(169)采用由TLP250驱动的Power MOSFET作为充放电模块中的开关器件。
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