摘 要：常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，不僅資源有限，而且會(huì)造成嚴(yán)重的大氣污染，開發(fā)清潔的可再生能源已經(jīng)成為當(dāng)今發(fā)展的重要任務(wù)，“節(jié)能優(yōu)先，效率為本”的分布式發(fā)電能源符合社會(huì)發(fā)展要求。

隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，如今清潔能源所占比重大幅度增加，分布式光伏發(fā)電在我國快速發(fā)展，但其隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn)給新能源消納和電網(wǎng)穩(wěn)定帶來很大的挑戰(zhàn)，通過預(yù)測光伏發(fā)電可以在一定程度上改善新能源消納問題，減少光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性對電網(wǎng)的沖擊。本文介紹了安科瑞Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)以及光功率預(yù)測系統(tǒng)在上海汽車變速器有限公司8.3MWp分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：清潔能源；分布式光伏；光功率預(yù)測

1. 項(xiàng)目概述

上海汽車變速器有限公司屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目（以下簡稱“本項(xiàng)目”），位于上海市嘉定區(qū)，裝機(jī)容量為8.3MW，采用自發(fā)自用余電上網(wǎng)模式。本項(xiàng)目現(xiàn)役35kV用戶站1座，站內(nèi)2臺35kV主變，容量均為20MVA。本次光伏設(shè)計(jì)2個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)，新建一座10kV開關(guān)站，光伏組件逆變?yōu)?.8kV交流電壓，經(jīng)升壓后2個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)以10kV電壓等級分別接入35kV用戶站的10kVⅠ段母線、Ⅱ段母線，并網(wǎng)點(diǎn)容量分別為3.6MW、2.976MW。

本項(xiàng)目采集光伏站內(nèi)的電流、電壓、有功、無功、功率因數(shù)、有功電度、無功電度及斷路器狀態(tài)等信息，通過數(shù)據(jù)通信終端采用無線公網(wǎng)作為傳輸通道接入地調(diào)系統(tǒng)。

2. 分布式光伏設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目電量消納方式采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”，光伏單晶硅組件采用平鋪設(shè)計(jì)，共使用14382塊組件組成527個(gè)組串，每個(gè)組串包含15~28塊數(shù)量不等的組件。

項(xiàng)目新建5臺箱變，共有2.5MVA變壓器2臺，1.6MVA變壓器2臺，0.8MVA變壓器1臺，箱變分別接4、5、7、2、6臺逆變器，每臺光伏逆變器接9~27路數(shù)量不等的組串。其中#2、#3箱變匯總接入10kV開關(guān)站內(nèi)#1匯集進(jìn)線柜，通過#1光伏并網(wǎng)柜接入35kV變電站10kVⅠ段母線#1光伏接入柜，#1并網(wǎng)點(diǎn)容量為3.6MW；#1、#4、#5箱變分別接入10kV開關(guān)站內(nèi)#2、#3、#4匯集進(jìn)線柜，通過#2光伏并網(wǎng)柜接入35kV變電站10kVⅡ段母線#2光伏接入柜，#2并網(wǎng)點(diǎn)容量為2.976MW。

圖2.1 光伏接入系統(tǒng)示意圖

圖2.2 光伏組件布置圖

3. 技術(shù)方案

本項(xiàng)目部署了一套Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)，搭配一套光功率預(yù)測系統(tǒng)，用于預(yù)測光伏發(fā)電量、響應(yīng)調(diào)度調(diào)控。

光伏電站中5臺箱變之間通過光纖環(huán)網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)長距離的穩(wěn)定傳輸，通過通信管理機(jī)及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)時(shí)采集微機(jī)保護(hù)裝置、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、計(jì)量、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等二次設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)全面監(jiān)控與自動(dòng)化管理；同時(shí)，配置對時(shí)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置滿足系統(tǒng)與上級調(diào)度的需求，配置一套一體化電源系統(tǒng)，為二次設(shè)備及監(jiān)控主機(jī)等重要設(shè)備運(yùn)行提供穩(wěn)定可靠的電源，實(shí)現(xiàn)整個(gè)光伏系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1. 安全自動(dòng)裝置

1）故障解列裝置

裝置能夠監(jiān)測電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，一旦檢測到異常或故障信號，如短路、過載等，它會(huì)立即啟動(dòng)，迅速切斷故障區(qū)域與非故障區(qū)域之間的電氣連接。既能防止故障設(shè)備對電網(wǎng)造成進(jìn)一步損害，也確保其他單元的正常運(yùn)行，保障用戶的電力需求。

2）防孤島裝置

在電網(wǎng)失電的情況下，分布式電源未能夠及時(shí)與電網(wǎng)斷開連接，會(huì)形成孤島狀態(tài)，這種狀態(tài)可能造成分布式電源不可控、電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)電壓和頻率不匹配等問題，也可能導(dǎo)致電力工作人員在不知情的情況下進(jìn)行危險(xiǎn)操作。防孤島裝置通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)，一旦檢測到電網(wǎng)斷電，能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)迅速切斷分布式電源與電網(wǎng)的連接，從而保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行和維修人員的人身安全。

3）電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置

電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置是一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量的高科技設(shè)備。其主要功能包括對電壓、電流、頻率、諧波、閃變、波動(dòng)等關(guān)鍵電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行精確測量和記錄，裝置能夠及時(shí)識別出電能質(zhì)量問題，如電壓波動(dòng)、諧波污染及瞬態(tài)電壓等，從而為電力用戶提供有效的改進(jìn)建議。

3.2. 調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備

1）縱向加密裝置

縱向加密裝置通過采用先進(jìn)的加密技術(shù)，來確保信息在傳輸過程中的機(jī)密性和完整性。裝置通過將數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，使得即使信息在傳輸過程中被截獲，未經(jīng)授權(quán)的第三方也無法解讀其中的內(nèi)容。

2）正反向隔離裝置

正反向隔離裝置通過物理或邏輯手段將不同安全等級的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域隔離開來，有效防止了網(wǎng)絡(luò)間的直接通信，從而避免了潛在的信息泄露和攻擊。同時(shí)，裝置支持在兩個(gè)隔離的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域之間進(jìn)行單向的、安全的數(shù)據(jù)交換，在數(shù)據(jù)傳遞過程中會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名驗(yàn)證、內(nèi)容過濾、有效性檢查等處理，以抵御病毒等惡意攻擊，確保數(shù)據(jù)的合法性和安全性。

3.3. 光功率預(yù)測系統(tǒng)

光伏電站本地布置微型氣象站，采集光伏站的總輻照度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對濕度、大氣壓力等信息，光功率預(yù)測系統(tǒng)通過采集到的實(shí)時(shí)氣象條件以及天氣預(yù)報(bào)、太陽能資源的動(dòng)態(tài)變化，對太陽能光伏發(fā)電站的輸出功率進(jìn)行短期和超短期的預(yù)測，從而幫助電力調(diào)度部門合理安排發(fā)電計(jì)劃，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，減少因太陽能發(fā)電波動(dòng)性帶來的電網(wǎng)不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，提高光伏發(fā)電的并網(wǎng)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

4. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目集成了一套先進(jìn)的分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)Acrel-1000DP與光功率預(yù)測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分層分布式，分成站控層、通信層和設(shè)備層。

站控層負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和控制。操作員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的智能調(diào)度與優(yōu)化。

通信層負(fù)責(zé)信息傳遞與數(shù)據(jù)交互，確保各個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)組件之間能夠無縫連接和協(xié)同工作，此外，通信層還可以支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適應(yīng)不同規(guī)模和需求的應(yīng)用場景，保證系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

設(shè)備層涵蓋了各種傳感器、執(zhí)行器和控制器等硬件設(shè)備。這些設(shè)備負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并執(zhí)行控制指令，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作的核心。

圖4.1系統(tǒng)拓?fù)鋱D

項(xiàng)目配置設(shè)備清單如下表所示：

5.現(xiàn)場圖片

圖 5.1 二次屏柜（預(yù)制艙內(nèi)）

圖 5.2 一體化電源（預(yù)制艙內(nèi)）

圖 5.3 一、二次預(yù)制艙

6. 保護(hù)實(shí)驗(yàn)

微機(jī)保護(hù)裝置作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其正式投入使用前的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)至關(guān)重要。本項(xiàng)目對防孤島保護(hù)裝置的失壓跳閘功能要求較高，以此功能為例，介紹微機(jī)保護(hù)裝置的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)步驟：

1）系統(tǒng)配置：在微機(jī)保護(hù)裝置上配置失壓保護(hù)功能，包括設(shè)置跳閘電壓定值、延時(shí)時(shí)間等參數(shù)；

2）初始測試：在正常電壓下，確保保護(hù)裝置處于正常工作狀態(tài)，無誤動(dòng)作；

3）模擬失壓條件：使用繼電保護(hù)測試儀逐步降低輸出電壓，模擬電源電壓下降的情況，觀察微機(jī)保護(hù)裝置在電壓降低過程中的響應(yīng)；

4）執(zhí)行失壓跳閘實(shí)驗(yàn)：將電壓降低至設(shè)定的跳閘定值以下，觀察保護(hù)裝置是否在預(yù)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，切斷電路，記錄跳閘動(dòng)作的電壓值和動(dòng)作時(shí)間。

7.系統(tǒng)功能

7.1. 光伏電站實(shí)時(shí)監(jiān)測

系統(tǒng)主接線圖為光伏電站內(nèi)新建的10kV開閉所一次系統(tǒng)圖，人機(jī)界面可以實(shí)時(shí)顯示采集到的各類數(shù)據(jù)，包括開關(guān)柜的電壓、電流和功率等關(guān)鍵參數(shù)，以及開關(guān)柜內(nèi)斷路器、手車的分合狀態(tài)等。

圖6.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測

7.2. 光伏發(fā)電功率預(yù)測

光功率預(yù)測系統(tǒng)通過本地氣象傳感器提供的氣象數(shù)據(jù)（包括總輻照度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對濕度、大氣壓力等信息）以及天氣預(yù)報(bào)、實(shí)測功率、并網(wǎng)裝機(jī)容量等信息，利用先進(jìn)的算法和模型進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)超短期、短期的輸出功率預(yù)測，并通過曲線直觀展示。

7.3. 電能質(zhì)量在線監(jiān)測

電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置采集#1、2#光伏并網(wǎng)接入點(diǎn)的電能質(zhì)量信息，可以對整個(gè)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)顯示裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點(diǎn)的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度百分比和正序/負(fù)序/零序電壓值、三相電流不平衡度百分比和正序/負(fù)序/零序電流值，幫助管理人員實(shí)時(shí)掌握供電系統(tǒng)電能質(zhì)量情況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除供電不穩(wěn)定因素。

圖6.3 電能質(zhì)量在線監(jiān)測界面

7.4. 光字牌

光字牌可以顯示電力系統(tǒng)中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的重要信息，為運(yùn)行人員提供清晰的狀態(tài)指示和警示信號，包括二次設(shè)備的異常、跳閘信號，開關(guān)柜斷路器的分合位、手車位置、接地刀閘等信號。

圖6.4 光字牌界面

7.5. 調(diào)度上傳

項(xiàng)目重點(diǎn)采集光伏電站內(nèi)的各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能以及斷路器的狀態(tài)等信息，通過數(shù)據(jù)通信終端采用無線公網(wǎng)作為傳輸通道接入地調(diào)系統(tǒng)，配置了縱向加密裝置來確保數(shù)據(jù)的安全性。

8. 結(jié)語

在屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目中，分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能源資源的有效整合。系統(tǒng)通過對分散的光伏發(fā)電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠收集和分析各個(gè)發(fā)電單元的運(yùn)行數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目不僅涉及光伏發(fā)電的監(jiān)控管理，還要進(jìn)行無線上傳，為確保數(shù)據(jù)的安全性，項(xiàng)目特別配備了縱向加密和正反向隔離等防護(hù)裝置，以防止?jié)撛诘木W(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)泄露。同時(shí)，搭配的光功率預(yù)測系統(tǒng)采用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)掌握光照變化、設(shè)備狀態(tài)及發(fā)電效率，從而生成精準(zhǔn)的光功率預(yù)測信息，幫助用戶更科學(xué)地規(guī)劃光伏發(fā)電與用電策略，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的雙贏。