模块化光伏电站参数采集系统设计_盛庆博.pdf

收稿日期：基金项目：中石化重点攻关课题“油田生产系统能流分析优化及应用技术研究”（）第一作者：盛庆博（），男，山东菏泽人，硕士，高级工程师，研究方向为油田安全信息技术及油田生产优化。：模块化光伏电站参数采集系统设计盛庆博，王 涛，邹 林，刘心颖，董伟佳，刘 杰（中国石化胜利油田有限公司技术检测中心，山东 东营）摘要：为满足光伏电站发电效率和经济效益评估的需求，设计一种模块化光伏电站参数采集系统。系统包括高精度的直流电压和电流传感器、交流电压和电流传感器、环境参数采集器及中央处理器等，通过采集相应的参数，不但可以监控光伏电站正常的生产过程，还可以结合一定的控制算法，实现对影响光伏电站发电效率的影响因素权重的分析和评估，对后继电站建设的设备选型、施工单位和施工方案的选择以及设备安装方式和安装位置的优化等都有很重要的指导意义。关键词：便携式；光伏电站；数据采集中图分类号：文章编号：（）文献标识码：，（，）：，：；引言胜利油田是能源生产企业，也是能源消耗大户，每年能耗接近 标煤，企业经营过程中除要考虑经济效益外，还要考虑社会效益。围绕碳达峰碳中和战略目标，在油田召开的新能源发展工作推进会上，把新能源业务放到事关油田长远发展的高度，将新能源作为战略任务和先导产业，积极发展包括光伏发电项目在内的绿色能源协同发展的供应体系，塑造产业发展的新模式。胜利油田油气生产工业用地超 ，其中有 闲置，如果能盘活 的土地用于光伏发电，则装机规模就可以达到（）。油田提出在今后几年将建设 分布式光伏项目，集中式光伏项目，计划依托大量井场、联合站等土地资源和油田电网消纳优势，加快推进 分布式光伏电站建设，按照“自发自用、余电上网”原则，就近接入油田电网，为周边负荷提供清洁电力。但是油田现已投产的光伏发电项目其发电效率和经济效益因为生产设备供货商的不同、设备施工单位不同以及生产运行时间不同等因素差距很大，因此如何通过采集现有的光伏电站的生产参数，评估众多影响发电效率和经济效益的因素的权重，借以指导后继大规模光伏电站建设中太阳能电 年第 期 工业仪表与自动化装置池板、直流汇流排箱、逆变器等关键设备的选型、施工队和施工工艺的选择、设备安装方式和安装位置的优化等都有很重要的指导意义。目前，胜利油田初步建设的光伏发电站非常分散，发电站主要检测交流电部分的电参数，其对逆变升压装置的交流电参数检测较为全面，但是无法分析电站发电量变化的产生原因，难以检测和评价光伏发电系统的效率以及电站发电衰减变化规律。如果为了分析光伏发电效率，每个电站都建设固定式光伏性能连续检测系统，不但投资较大，维护费用高，而且由于光伏性能变化缓慢，连续监测的必要性也不大。因此设计模块化光伏电站参数采集系统，具有很重要的实际意义：（）可以定期或按需检测各站的性能，及时发现电站存在的故障，保障电站的正常运行；（）通过记录环境参数（如温度、压力、湿度和日照时间等），分析发电量与环境变量的关系，以预测光伏电站的发电能力，实现经济效益最大化；（）在相同的环境条件下采集不同电站的环境信息和电能参数并进行分析，对影响光伏电站发电效率和经济效益的因素进行比较和评估，针对不同厂家提供的关键设备的性能、施工工艺、设备安装方式和安装位置等选择出最优组合，用以指导后继电站的建设。光伏电站系统结构及数据采集分布式光伏电站的典型结构如图 所示，主要由光伏板阵列、逆变器、汇流箱和变压器组成，其中光伏板是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换，把太阳光转换为直流电输出。由光伏板串联构成的光伏串产生的直流电经过逆变器转化为交流电，多路交流电经过交流汇流箱汇总后利用升压变压器升压外输。图 光伏电站结构及数据采集示意图 模块化光伏电站便参数采集装置结构模块化光伏电站参数采集装置结构如图 所示，主要实现对环境数据、光伏板直流电参数数据及交流电参数数据的采集、存储、远传等，对应的采集器安装位置如图 所示。其中环境数据采集器安装在光伏电站的空闲位置；光伏板参数采集器主要采集直流电压和电流数据，根据需要可以安装在光伏板或者光伏串的两端；交流电参数采集器主要采集经逆变器后产生的交流电数据，可以安装在逆变器后端、汇流器两端或变压器两端等。图 模块化光伏电站参数采集装置结构图 环境数据采集环境数据采集包括光照强度采集和气象数据（如温湿度、风速、风向和气压等）的采集，其中气象数据采集是利用自制的智能气象传感器实现的，可以测量包括温度、湿度、气压、风速、风向和雨量 种气象要素。整套设备采用模块化设计，具有可靠性高、测试范围广、反应速度快、灵敏度高以及抗干扰能力强等优点。主要参数及技术指标如下：测量温度为 ，精度为 （），分辨率为 ；测量湿度为 ，精度为，分辨率为 ；测量气压为 ，精度为 （），分辨率为 ；测量风速为 ，分辨率为.；其他如电源电压为 （），通信接口采用 ，实时数据存储，数据可保存 个月。太阳光照强度采集是利用 辐射传感器实现的，其采用热电感应原理，能够精确地测量太阳的总辐射。该传感器可用来测量光谱为 的太阳总辐射，也可用来测量入射到斜面上的太阳辐射，如感应面向下还可测量反射辐射。主工业仪表与自动化装置 年第 期要参数及技术指标如下：灵敏度为 ；光谱为 ；测量值为 ；分辨率为 ；准确度为；响应时间（响应）；非线性误差。直流电数据采集直流电采集器可实时采集 路直流电参数信号，个采集通道实现物理隔离，信号测量采用专用的 位高精度有效值测量芯片，能够测量电流、电压、功率及累积电量等有效值参数，测量精度高，稳定性好，采样速度快；采用标准 总线 协议。主要性能指标如下：精度等级为.；过载能力为 ；电流量程为 ；电压量程为 ；工作温度为 ；隔离耐压 ，具有浪涌冲击保护；辅助电源为 或 ；额定功耗 ；输出接口采用（通信协议）或网口（通信协议）。为了接线方便，减少接线端子数量，设计的直流电采集器可以实现只采集电压信号、只采集电流信号或电压和电流信号一起采集 种工作方式。外部连接图如图 所示，如果只采集电压信号，只需接 和 ；如果只采集电流信号，只需接 和 ；如果电压和电流信号都需要采集，则按照图 实现即可。图 直流电采集器外部接线示意图 交流电数据采集光伏电站逆变器和变压器已经安装电流电压互感器并装有智能电表，为了不停止电站工作而开展测量工作，可采用下述 种方案获取交流电参数：（）对电流电压传感器的输出信号进行二次检测，安装传感器采集交流电参数；（）根据智能电表通信协议，开发数据采集接口程序，读取电表数据；（）现有的光伏电站监控平台具有数据接口，开发监控软件的数据接口程序来获取各种交流电参数，检测系统可以根据现场实际进行交流电采集方案的选择。数据采集及分析软件设计模块化光伏电站参数采集系统除了下位机的数据采集部分外，更重要的是上位机服务器利用采集的数据对光伏电站进行实时监控，及时发现电站存在的故障，保障电站正常运行；同时分析发电量与环境变量的关系，借以预测光伏电站的发电能力，指导后继电站的建设，实现经济效益最大化。上位机服务器采用 高级程序设计语言和 数据库系统开发，主要包括以下几个功能模块。（）数据展示、查询平台模块可实时接收远程模块化光伏电站参数采集系统系统下位机上传的数据，能够自动刷新显示最新数据，提供数字、曲线和饼图等多种展示形式，数据自动存储，提供按时间、按站名、按参数值等多种条件的数据查询功能。（）采集数据的分析计算模块根据采集的数据自动计算逆变器效率、变压器效率、电能质量、光伏组件的效率、光伏串的不平衡率以及系统工作状态等评价参数，能够自动统计不同时段各参数的最大值、最小值、平均值和累计值等统计参数，能够对超限的数据自动提醒，便于操作人员管理。（）数据管理及报表生成模块对每个光伏电站的检测结果自动生成报表，所有数据均可导出，便于数据共享；对多个光伏电站的数据进行统计分析，提高管理水平。（）组态系统模块不同的光伏电站无论是规模、光伏太阳板数量、系统结构都不尽相同，为了适应不同的光伏电站的具体需求，方便操作人员使用，检测系统对光伏电站的每个检测单元建立模型，实现光伏电站组态功能，操作人员在不同光伏电站测试时可自动生成电站生产工作模型，不需要重新进行软件的开发。上位机服务器除了上述几个主要模块外，还有一些辅助模块，例如用户管理模块、光伏电站发电预测模块等，上位机服务器数据采集界面如图 所示，光伏电站上位机软件功能结构如图 所示。年第 期 工业仪表与自动化装置图 上位机服务器数据采集界面图 光伏电站上位机软件功能结构图 应用举例将模块化光伏电站参数采集系统放置到光伏电站空闲位置，根据测量目标和测量参数类型及数目需求，定时采集直流电参数和经逆变器后的交流电参数，定时采集光伏电站的环境参数，主要包括太阳光辐照度、环境温度、面板温度、环境湿度、风速等。其中电参数采集点的位置根据需要放置和连接到不同的位置。便携式参数采集系统通过在不同位置的参数采集，可以实现对光伏电站的效率和性能进行评估，例如：光伏电站系统能效、温度条件下系统能效、光伏组串一致性、光伏逆变器转换效率测试、光伏直流功率调节器转换效率测试、光伏组件串联失配率、光伏组串并联失配率等。下面以光伏电站系统能效测量为例进行说明。为了实现对光伏电站能效的测量，测试应符合下列要求：测试最好选择晴天少云的天气，同一光伏电站系统如存在多种朝向的光伏方阵，则需要针对每一种光伏方阵配置气象数据采集装置，主要是辐照度及组件温度，如果光伏发电系统采用交流电并网，在光伏发电站交流输出侧并网点处测量光伏发电站总发电量以及为维持光伏电站运行消耗的取自电网的电量。如果采用直流电并网，则在并网点采集直流总发电量以及为维持光伏电站运行消耗的电量。能效测量的公式如下：，（），（）式中：为系统能效；，为 时段光伏发电站输出的总发电量（交流或直流电量），；为光伏发电站安装容量，；为 时段光伏方阵倾斜面单位面积总辐照量，；为标准条件下的辐照度，为光伏方阵倾斜面在 时段内的峰值日照时数；，为 时段光伏发电站发出的出口侧关口表发电量，；，为 时段光伏发电站发出的除站内用电外就地消纳的电量，；，为 时段光伏发电站为维持运行消耗的取自电网的电量，。便携式光伏电站性能检测系统不但实现了对单个光伏电站的信息采集和实时监控，及时发现面板损毁、断路等存在的问题，而且通过对采集的数据进行归类和分析，比较了在相同条件下（位置、规模和时间等），发电量和发电效率与不同厂家的设备、安装工艺等之间的非线性关系，寻找出最优组合，以便在较短时间内收回投资成本。结论影响光伏电站发电量和发电效率的因素很多，该文利用模块化检测设备对光伏电站的电参数和环境参数进行检测和分析，评估现有光伏电站的工作状态和发电能力；通过分析环境参数和发电量的关系，对光伏电站在不同天气和气候条件下的发电能工业仪表与自动化装置 年第 期力进行预测；通过分析光伏电站关键设备输入输出的电参数信息，评估相关设备的工作性能、工作效率和可靠性，进而指导后继电站建设中设备的选型。总之，模块化光伏电站检测系统的开发，为评估现有电站的状态和发电能力，指导后继电站的建设提供了重要的参考和指导，具有一定的推广价值。参考文献：华林青 关于提高光伏电站发电量的研究 科技创新导报，（）：刘振亚 能源转型是可持续发展的必由之路 中国科学报，（）武志军 综合能源服务下新能源集约化管控评价方法 华电技术，（）：陈建国，张国民，马辉，等 光伏电站箱式变压器遮阳棚一体化设计及运行经济性分析 华电技术，（）：范剑英，刘力源，赵首博 电机铜排表面毛刺缺陷检测技术研究 仪器仪表学报，（）：李林，曹军，陶维青 光储充电站通信网络和系统控制技术研究 电子测量与仪器学报，（）：顾永涛，徐泽禹，盛庆博，等 基于生成对抗网络的光伏出力区间预测方法 哈尔滨理工大学学报，（）：李炜，严川，盛庆博，等 大数据背景下智能配电网运营管理方法研究 华电技术，（）：熊图，赵宏伟，蔡智洋，等 动态组合深度学习模型在短期负荷及光伏功率预测中的应用 可再生能源，（）：张予泽，韩伟 基于 的化工园区光伏电站功率预测模型 电子设计工程，（）：李彦君，裴玮，肖浩