CN201608541U - 基于以太网的太阳能光伏智能电站 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于以太网的太阳能光伏智能电站，该电站包括：直流输入系统、交流输出系统及监控系统，直流输入系统包括蓄能模块及太阳能组件阵列；交流输出系统包括以太网/串口转换器、环境数据采集管理器、数个直流配电箱、数台逆变器、交流配电箱、电能计量设备及变压器；监控系统包括数据终端、大屏显示器、电力调度接口设备、以太网核心交换机、两台数据及应用服务器、数台工作站。本实用新型消除了传统太阳能光伏发电系统功率输出不稳定对电网的影响，实现太阳能光伏电站无缝接入电网；通过模块化设计、智能技术的应用和系统故障自动定位，提高电站的整体发电效率，缩短系统故障排除时间，同时大大提高了电站的工作和管理效率。

Description

基于以太网的太阳能光伏智能电站

技术领域

本实用新型涉及能源技术领域，是综合互联网络技术、通讯技术、电力技术和自动控制技术提出的太阳能光伏智能电站。

背景技术

随着太阳能光伏技术的快速发展，一些大中型太阳能光伏电站已进入论证或建设阶段。然而，传统的光伏并网电站监控系统更多的只是监视电站的运行，控制功能很少，没有控制电站出力的功能。传统的光伏并网电站中不设置蓄能模块，使得太阳能光伏发电系统功率输出不稳定(主要是云对太阳光照遮挡的不确定性引起的太阳能光伏发电系统功率输出的随机性和波动性)，从而影响电网的正常运行。大中型太阳能光伏电站通常由多个逆变器组成，这些逆变器通常都是独立运行。在逆变器功率输出小于额定功率的30％或大于额定功率的90％时，逆变效率明显降低，如何均衡使用逆变器，使整个电站功率最大化输出一直是一个课题。传统的光伏并网电站监控系统具备的数据采集、存储和报表功能只是满足电站日常运行的基本要求，不具备数据分析和专家判断功能，无法给出运行决策支持，无法适应未来大中型太阳能光伏并网电站商业化运行的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是为大中型太阳能光伏并网电站(包括大规模“屋顶计划”)无缝接入电网，并且经济和高效的运行提供一种基于以太网的太阳能光伏智能电站。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种基于以太网的太阳能光伏智能电站，该电站包括：直流输入系统、交流输出系统及监控系统，直流输入系统包括蓄能模块及太阳能组件阵列；交流输出系统包括以太网/串口转换器、环境数据采集管理器、数个直流配电箱、数台逆变器、交流配电箱、电能计量设备及变压器；监控系统包括数据终端、大屏显示器、电力调度接口设备、以太网核心交换机、两台数据及应用服务器、数台工作站；

所述太阳能组件阵列及蓄能模块与直流配电箱通过直流电缆连接；蓄能模块通过通信线与以太网/串口转换器连接；直流配电箱与逆变器通过直流电缆连接、与以太网/串口转换器通过通信线连接；逆变器通过交流电缆与交流配电箱连接、通过以太网线与以太网/串口转换器连接；交流配电箱通过交流电缆与电能计量设备连接，电能计量设备通过交流电缆与变压器连接，变压器通过交流电缆连接电网；

所述环境数据采集管理器、以太网/串口转换器、数据及应用服务器、工作站、大屏显示器、数据终端及电力调度接口设备通过以太网线与以太网核心交换机连接。

本实用新型采用了以下技术：

1)、以太网技术。设备与以太网核心交换机连接，组成一个基于以太网的局域网络；设备间通信均采用TCP/IP协议；数据交换采用特定的短消息、报文和文件方式。

2)、智能控制技术。通过数据及应用服务器可以控制直流配电箱、调配并网逆变器的直流输入，同时控制并网逆变器的运行，以达到整个电站并网功率输出最大化。

3)、专家系统技术。集成于数据及应用服务器应用系统中的专家系统，通过对系统数据的分析和专家判断，可以及时发现系统中存在的影响电站发电效率的非功能性故障或缺陷。从电站长期运行来看，这将有效提高电站的发电量。

4)、太阳能光伏稳定并网技术。通过数据及应用服务器可以协调太阳能组件阵列和蓄能模块的功率输出，使整个系统并网功率输出变化在电网允许的范围内。解决传统的太阳能光伏发电系统功率输出不稳定(主要是云对太阳光照遮挡的不确定性引起的太阳能光伏发电系统功率输出不稳定)对电网的影响等问题。

本实用新型通过构建太阳能光伏智能电站，可以解决传统的太阳能光伏发电系统功率输出不稳定对电网的影响，实现太阳能光伏电站无缝接入电网；通过模块化设计、智能技术的应用和系统故障自动定位，可以提高电站的整体发电效率，缩短系统故障排除时间，提高系统的可维护性和可扩展性，同时可以大大的提高电站的工作和管理效率。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图

图2是本实用新型直流配电箱结构示意图

图3是本实用新型数据上传处理流程示意图

图4是本实用新型参数下传处理流程示意图

图5是本实用新型运营指令处理流程图

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述。

参阅图1，本实用新型包括直流输入系统、交流输出系统及监控系统。其中直流输入系统由太阳能组件阵列1、蓄能模块2组成，是电能的来源，根据电站设计配置；交流输出系统由数台逆变器6、直流配电箱3、以太网/串口转换器5、交流配电箱、电能计量设备及变压器组成，是可靠的、安全的和高效率的把直流变成交流，并输送到电网和负载的系统；智能监控系统由数据终端、大屏显示器、电力调度接口设备、以太网核心交换机、两台数据及应用服务器及数台工作站组成；用于配置、计划、监视、控制电站各模块指标，保证电站正常工作。

太阳能组件阵列1与直流配电箱3通过直流电缆连接，太阳能组件1输出的直流电流通过这些直流电缆汇集到直流配电箱3。

蓄能模块2采用蓄电池(如钠硫电池、锂电池)等形式存储电能，并与直流配电箱3通过直流电缆连接，蓄能模块2输出的直流电流通过这些直流电缆汇集到直流配电箱3；蓄能模块2通过RS232/485通信线与以太网/串口转换器5连接，采用通信协议，使得数据及应用服务器14可以监控蓄能模块2工作状态。

直流配电箱3与逆变器6通过直流电缆连接，直流配电箱3与以太网/串口转换器5通过RS232/485通信线连接；控制指令通过以太网/串口转换器5的RS232/485接口发送到直流配电箱3的控制主板；控制主板根据指令控制直流配电箱3内的接触器或继电器完成相应动作，使得直流配电箱3能够按照以太网/串口转换器5的指令把电能分配到指定的逆变器。

逆变器6通过交流电缆与交流配电箱9连接，逆变器6输出的交流电能通过这些交流电缆汇集到交流配电箱9；逆变器6通过以太网线与以太网/串口转换器5连接，采用TCP/IP通信协议；数据及应用服务器14通过这些连接监控逆变器6的工作状态。

交流配电箱9通过交流电缆与电能计量设备19连接，电能计量设备19计量通过的交流电能；电能计量设备19通过交流电缆与变压器11连接；电能通过升压变压器后，并入电网12。

环境数据采集管理器4、以太网/串口转换器5、数据及应用服务器14、工作站15、大屏显示16、数据终端17和电力调度接口设备18通过以太网线与以太网核心交换机13连接，采用TCP/IP通信协议。这些设备之间通过报文格式进行信息交换。

数据及应用服务器14以双机集群方式运行，在正常工作状态时，两台服务器可以以负载均衡方式承担处理任务；当其中一台发生故障或技术性停机时，另一台能接管及运行所有的处理任务，且对业务处理不会造成中断。

工作站15管理本地和远程通信(包括手机短消息、远程数据终端等)，实现本地/远程的实时监控、在线故障诊断和排除。

电力调度接口设备18与电网调度系统连接，通过报文实时上传本发电系统的状态和记录等；同时接收电网调度系统下发的调度指令，本发电系统以调度指令规定的出力要求(0-110％的额定功率范围)进行并网发电。

若发电功率比较大，需要10KV中压并网，电站将不直接给负载10供电。并将在交流配电箱9与10KV电网12之间架设升压变压器11。

对于大型的太阳能并网电站，由于受天气影响，太阳光照的不确定性将直接影响系统电能输出的稳定性，从而影响到电网的调度。为了增强电站的可调度性能，需要在并网系统中配置蓄能模块2，当太阳光照突然减弱时，智能监控系统控制将蓄能模块2存储的能量通过系统输出到电网12，并通知电网自动调度系统以便其完成相应的调度操作。

本实用新型的具体结构：

1)交流输出系统

交流输出系统的主要功能是可靠的、安全的和高效率的把直流变成交流，并输送到电网12和负载10。

逆变器6将直流输入转换为交流输出，同时接受监控系统的指令，并根据指令运行，上传有关的运行数据。本实用新型中的逆变器有两个特点：一是逆变器采用了以太网接口，大大的提高了系统的可扩展性以及信息传输速率，二是逆变器的交流功率输出可控(逆变器可以根据指令允许输出功率为：0％到110％的额定功率)，这点不仅可以保证整个太阳能光伏电站并网功率的稳定性，减小传统太阳能光伏电站并网功率的不稳定性对电网的不良影响，而且也为大规模太阳能光伏电站接入电网调度系统创造了可调度性条件。

以太网/串口转换器5为通用设备，它提供串口到以太网络和以太网络到串口的数据双向透明传输，可以使原不具备网络功能的串口设备立即联网，实现分散的串口网络化管理。通过以太网/串口转换器5、上层设备监控系统服务器(数据及应用服务器14)可以使用以太网协议与下层设备包括数台逆变器6、数个直流配电箱3和蓄能模块2进行通信，提高通信效率和系统的可扩展性。以太网/串口转换器5转发监控系统服务器下发的指令、控制策略或运行参数(包括并网功率输出上限要求、并网功率输出稳定性要求、系统最大效率运行要求、逆变器运行调配要求、系统故障检测指令等)，并将相应的指令或参数下发到所连接的下层设备，使得监控系统可以监控所连接的下层设备，如：逆变器6、直流配电箱3和蓄能模块2的工作。同时将下层设备和自身的运行状态和故障信息及时上传给监控系统服务器。

参阅图2，直流配电箱3由主控板、若干接触器、接线端址、直流连接线缆、控制和通信线缆组成，连接以太网/串口转换器的通信接口采用RS232/485；直流配电箱3根据以太网/串口转换器5中转的指令，控制相应接触器的开合，从而控制逆变器6的直流输入。

2)监控系统

监控系统实现：电站设备管理、运行/参数管理、智能集群控制、数据管理、故障管理、专家系统、用户管理和环境数据采集功能。

a、设备管理

设备管理的目的是灵活启用或禁用各模块设备以及配置各设备的基本运行参数，方便电站硬件设备的维护。管理行为主要包括新增设备、参数配置、删除设备、设备停用、设备启用以及设备状态检测等。

设备管理对象包括：太阳能组件阵列、蓄能模块、逆变器、以太网/串口转换器、交流配电箱、直流配电箱、变压器。运行/参数管理。

电站运行管理包括系统参数的配置生成、下发、同步和维护等。参数类别可以分为三大类：配置类(1000系列)、通信类(2000系列)和运营类(3000系列)。

b、故障管理

故障管理包括三方面内容：一、对电站设备工况进行实时监控，对设备指标超过规定范围的情况给予提示，并在必要的情况下自动做出保护处理；二、对功率、电压等输出指标超过预定范围，进行报警，并通知运行管理部分进行控制；三、故障自诊断/设备自动隔离功能。例如：出现太阳能组件阵列输入故障，将由数据及应用服务器14自动/人工发起故障自诊断指令，启动故障自诊断程序，并下发给相应指令集合给所连接的直流配电箱3和逆变器6，分别诊断可能存在故障的太阳能组件阵列的每一串，最后故障定位到特定的串。通过直流配电箱3的控制，将该串自动隔离，以免影响其他太阳能组件串的工作。与传统的太阳能组件方阵人工故障定位/设备隔离相比，本实用新型的故障自诊断功能将大大缩短故障定位的时间，提高系统的运行效率和安全性，提高系统的可维护性和电站的管理水平。

c、数据管理

数据管理是对电站设备指标数据进行记录，并提供历史查询、数据统计报表输出。

专家系统

集成于监控系统中的专家系统，通过对系统数据的分析和专家判断，可以及时发现系统中存在的影响电站发电效率的非功能性故障或缺陷。例如：系统调试完成后，各子电站的发电效率和发电功率曲线有一个参考值，随着时间的推移，太阳能组件效率有一定的衰减，其他设备的损耗也逐渐加大，根据历史数据，通过时间上纵向和系统或设备间的横向分析比较和计算，再结合专家系统的经验值，可以及时发现系统中存在的影响电站发电效率的非功能性故障或缺陷。从电站长期运行来看，这将有效提高电站的发电量。

d、用户管理

用户管理是管理电站控制系统的操作者的帐号、权限。包括新增用户、修改用户、删除用户、锁定用户、用户信息管理。用户信息主要包括用户名，密码，有效起止日期，权限级别(角色)，紧急联系方式，Email(接收系统相关通知等)，用户状态(锁定/正常)。

e、环境数据采集管理

通过环境数据采集器4，监控系统可以得到环境温度、湿度、风速、风向、太阳辐照等参数。环境数据采集器4的通信接口为以太网。

本实用新型工作流程：

本实用新型工作流程分为两个部分。发电部分(直流输入系统和交流输出系统)和监控部分。

1)发电部分(直流输入系统和交流输出系统)

当有太阳光照时，太阳能组件阵列1产生直流电能，通过直流配电箱3的汇集和调配，输入到逆变器6的直流输入端，通过逆变器转换为交流电能，交流电能再通过逆变器6的交流输出端汇集到交流配电箱9，通过交流配电箱9直接供给本地负载10或经过电能计量设备19到升压变压器11的输入端，再通过升压变压器11的输出端最终并入电网12。

当电网调度对输入并网功率输出稳定性有要求的情况下，在由于云层遮挡太阳光照变化不定时，监控系统通过以太网/串口转换器5控制蓄能模块2和逆变器6的运行，实现并网功率输出变化率在允许的范围内。

2)监控部分(监控系统)

监控部分工作流程包括系统配置、调度运营参数、实时监控、故障管理、报表、专家系统。

a、系统配置

监控系统运行前，需要对其进行配置。包括硬件配置、软件配置和应用配置。

硬件配置包括太阳能电池组件阵列1、蓄能模块2、直流配电箱3、以太网/串口转换器5、环境数据采集管理器4、逆变器6、电能计量设备10、变压器11、两台数据及应用服务器14、数台工作站(包括参数、报表、消息管理、本地/远程实时监控)15、数据终端17、大屏显示16、电网调度接口设备18、以太网核心交换机13以及设备供电、以太网络和通信连接。

软件配置包括各个设备的系统软件(包括数据库软件、操作系统软件)、应用软件和第三方软件。

调度运营参数

每日运营开始，数据及应用服务器14首先通过电网调度接口设备18，上传系统工况(包括峰值功率和电站效率等数据)，调度系统下发调度运营参数(包括允许并网功率限值、允许并网功率变化率等)；数据及应用服务器14根据这些参数，生成系统当天运行的本地参数并通过以太网/串口转换器5下发给逆变器6、工作站15和环境数据采集管理器4以及相关设备。

实时监控

当太阳辐照逐渐增强时，数据及应用服务器14逐个启动和投入逆变器6进行并网发电；并协调蓄能模块2和逆变器6的运行，实现并网功率输出变化率在允许的范围内。同时，以太网/串口转换器5将采集到的各种运行数据以及故障信息及时转发到数据及应用服务器14。通过监控工作站15和大屏显示器可以直观的看到系统的运行情况(包括直流输入实时曲线、并网功率实时曲线、系统设备的状态及故障信息等)。

管理人员通过数据终端(包括手机短消息、远程Internet终端等等)可以查看系统运行情况，有权限的管理人员还可以通过这些数据终端向系统发出控制指令。

故障管理

在系统运行过程中，设备指标超过规定范围的情况，系统给予提示，并在必要的情况下自动做出保护处理；对功率、电压等输出指标超过预定范围，进行报警，并通知运行管理部分进行控制。

在系统可能存在故障的情况下，系统可以启动故障自诊断/设备自动隔离。如前所述的太阳能组件阵列输入故障，或者其他设备的故障等。

报表

在每日运营结束后，可以查看并打印当天的报表，通过报表可以了解系统的运行情况。包括发电量、各种曲线图、设备的状态、故障及维修信息、系统操作员的操作日志等等。

同时随着运营时间的增长，还可以查看并打印月报表、年报表、限定时段内的报表等等。

专家系统

随着运行时间的推移，可以利用集成于监控系统中的专家系统，通过对系统数据的分析和专家判断，可以及时发现系统中存在的影响电站发电效率的非功能性故障或缺陷。从电站长期运行来看，这将有效提高电站的发电量。

b、系统数据流程

数据上传

参阅图3，设备数据生成后，设备应对数据的合法性进行检查，然后按照数据的分类通过数据发送模块分别向上发送至监控系统，同时将数据保存到本地的存储介质中；监控系统的数据接收模块接收到数据后，将数据发送至数据检查模块进行检查，并将数据入库，同时根据需要通过数据发送模块转发到其它设备或系统接口。

参数下传

参阅图4，监控系统对通过参数判断模块对系统参数进行分析，对于监控系统自身使用的参数，系统根据参数的特性通过参数使用模块启用该参数，同时将该参数通过数据入库模块保存到数据库中。对需要下载的参数，监控系统通过参数转发模块将参数主动下发到需要该参数的设备中；设备的参数接收模块接收到来自监控系统的参数后，根据参数的特性通过参数使用模块启用或保存接收到的参数。

指令处理

参阅图5，监控系统应接收电网调度系统或其它远程控制终端发来的运营指令，也可通过操作员的输入由指令生成模块向设备发出运营指令。对于不同的指令，监控系统的指令判断模块会判断指令时针对监控系统本身还是针对设备，对于应用于监控系统自身的指令，监控系统响应该指令并将指令保存到数据库中。对于针对设备的指令，监控系统通过指令转发模块将指令发送到设备中。设备接收到来自监控系统的指令后，通过指令执行模块响应该指令并保存到日志中。

Claims (1)

1.一种基于以太网的太阳能光伏智能电站，其特征在于该电站包括：直流输入系统、交流输出系统及监控系统，直流输入系统包括蓄能模块及太阳能组件阵列；交流输出系统包括以太网/串口转换器、环境数据采集管理器、数个直流配电箱、数台逆变器、交流配电箱、电能计量设备及变压器；监控系统包括数据终端、大屏显示器、电力调度接口设备、以太网核心交换机、两台数据及应用服务器、数台工作站；

所述太阳能组件阵列及蓄能模块与直流配电箱通过直流电缆连接；蓄能模块通过通信线与以太网/串口转换器连接；直流配电箱与逆变器通过直流电缆连接、与以太网/串口转换器通过通信线连接；逆变器通过交流电缆与交流配电箱连接、通过以太网线与以太网/串口转换器连接；交流配电箱通过交流电缆与电能计量设备连接，电能计量设备通过交流电缆与变压器连接，变压器通过交流电缆连接电网；

所述环境数据采集管理器、以太网/串口转换器、数据及应用服务器、工作站、大屏显示器、数据终端及电力调度接口设备通过以太网线与以太网核心交换机连接。

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