一種分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案.doc

一種分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案A design scheme for monitoring systems of distributed generation楊永標(biāo)，王余生，丁孝華，白義傳（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院配電與用電研究所，江蘇省南京市 210003）摘要：分布式電源具有投資小、清潔環(huán)保、供電可靠和發(fā)電方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，是未來電力系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢之一，也是建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要內(nèi)容。然而分布式電源的波動性、間歇性等對電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。建設(shè)分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)，可以更好的規(guī)范分布式電源接入，監(jiān)測和管理分布式電源的運(yùn)行。提出了分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)主站、子站、遠(yuǎn)方終端及通信網(wǎng)絡(luò)的具體設(shè)計方案，給出了設(shè)計方案的軟硬件架構(gòu)圖。關(guān)鍵詞：分布式電源；監(jiān)控系統(tǒng)；體系結(jié)構(gòu)；設(shè)計方案；Abstract: The distributed generation (DG) has advantages of small investment, cleaner, power supply reliability and flexible generation etc, which is one of the important trend of the future power system and the important content of constructing strong power grid.howerver the volatility and intermittent of distributed generation brought serious challenges on the safety operation of power gird. Construct the monitoring system of distributed generation, can specifice the access of distributed generation better, monitoring and management the operation of distributed generation. The system structure for monitoring system of distributed generation is proposed,the specific design scheme for master station,slave station, terminal unit and communication network of monitoring system is introduced,fininally the structure diagram of software and hardware design scheme is presented. Key Words:distributed generation; monitoring systems; system structure; design scheme;0 引言隨著全球能源危機(jī)的顯現(xiàn)和人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，分布式電源逐漸被世界各國所重視并在近幾年得到快速發(fā)展和應(yīng)用。中國政府高度重視發(fā)展分布式電源，頒布了中華人民共和國可再生能源法、中華人民共和國節(jié)約能源法等一系列法律法規(guī)，同時出臺了“金太陽示范工程”、“太陽能光電建筑應(yīng)用財政補(bǔ)助資金管理暫行辦法”等一系列激勵措施，旨在促進(jìn)分布式電源的推廣應(yīng)用。分布式電源通常指直接接入配電網(wǎng)并且分布在用電負(fù)荷附近的小型發(fā)電機(jī)組。其容量大多在幾十kW幾十MW之間。分布式電源發(fā)電利用形式有太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能、燃料電池等。分布式電源憑借其投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，它與電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和靈活性，并且滿足了可持續(xù)發(fā)展的要求，大大減輕了環(huán)保的壓力。支持分布式電源的大量接入是智能電網(wǎng)1的重要特征，然后分布式電源具有的波動性、間隙性特征，其可控制性、可預(yù)測性均低于常規(guī)電源。大規(guī)模分布式電源接入電力系統(tǒng)將給系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻、并網(wǎng)控制、運(yùn)行調(diào)度、功率預(yù)測、供電質(zhì)量23456等帶來巨大挑戰(zhàn)。本文提出了一種分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)78的設(shè)計方案，目的是通過對分布式電源的監(jiān)測和協(xié)調(diào)控制，一方面可實(shí)現(xiàn)對分布式電源的有序利用，另一方面可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行。1 分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分布式電源具有分布區(qū)域廣，采集點(diǎn)多，信息量大，與配電網(wǎng)和用電負(fù)荷的耦合性強(qiáng)等特點(diǎn)，信息之間的共享和交互要求較高。因此本文提出的分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)采用的體系結(jié)構(gòu)采用分散采集、區(qū)域匯集、集中處理和其它應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)，確保系統(tǒng)的可靠性、安全性和實(shí)用性和擴(kuò)展性。分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)主要由分布式電源監(jiān)控主站、分布式電源遠(yuǎn)方終端、分布式電源監(jiān)控子站（可選）和通信系統(tǒng)組成，監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)9101112見圖1。圖1分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) Fig1 System structure for monitoring system of DG 其中，分布式電源監(jiān)控主站是分布式電源監(jiān)控、管理的中心，主要實(shí)現(xiàn)分布式電源數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、保護(hù)與并網(wǎng)控制等基本功能和遠(yuǎn)方孤島檢測、調(diào)度及協(xié)調(diào)控制等擴(kuò)展功能，并可實(shí)現(xiàn)與其它相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)；分布式電源遠(yuǎn)方終端安裝在分布式電源運(yùn)行現(xiàn)場的自動化裝置，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、保護(hù)、控制、計量等功能。根據(jù)分布式電源的類型和容量，可配置不同的采集項(xiàng)目；分布式電源監(jiān)控子站是主站與遠(yuǎn)方終端的中間層設(shè)備，通常用于通信匯集和處理，也可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的高級應(yīng)用功能；通信系統(tǒng)是連接分布式電源監(jiān)控主站、遠(yuǎn)方終端和監(jiān)控子站之間實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，在建有配電自動化或用電信息采集系統(tǒng)的地區(qū)，可考慮和它們復(fù)用通信網(wǎng)絡(luò)。2 分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)具體設(shè)計根據(jù)分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，監(jiān)控系統(tǒng)具體設(shè)計方案包括主站系統(tǒng)設(shè)計、監(jiān)控子站設(shè)計、遠(yuǎn)方終端設(shè)計和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。 2.1 分布式電源監(jiān)控主站設(shè)計分布式電源監(jiān)控主站應(yīng)構(gòu)建在標(biāo)準(zhǔn)、通用的軟硬件基礎(chǔ)平臺上，具備可靠性、可用性、擴(kuò)展性和安全性，并根據(jù)各地區(qū)的分布式電源規(guī)模、實(shí)際需求等情況選擇和配置軟硬件。分布式電源監(jiān)控主站應(yīng)有安全、可靠的供電電源保障。分布式電源監(jiān)控主站設(shè)計包括主站硬件平臺設(shè)計和軟件平臺設(shè)計。軟硬件平臺設(shè)計時需要充分考慮分布式電源的接入規(guī)模，需要充分考慮高級應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)等。硬件平臺是軟件平臺的載體，設(shè)計時需要充分考慮硬件配置情況，既需要避免不必要的冗余浪費(fèi)，也需要有足夠的能力充分展示軟件功能，圖2給出了分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。圖2分布式電源監(jiān)控主站硬件架構(gòu)Fig2 Hardware structure for monitoring master for DG遠(yuǎn)方終端負(fù)責(zé)采集分布式電源的實(shí)時信息，并將所有信息最終匯集給SCADA前置服務(wù)器或GPRS服務(wù)器，送達(dá)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，交給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、磁盤陣列、SCADA服務(wù)器等處理。工作站是實(shí)現(xiàn)高級應(yīng)用功能的重要人機(jī)交互設(shè)備。硬件系統(tǒng)同時還考慮了與其它應(yīng)用系統(tǒng)的互聯(lián)，支持用戶通過Web瀏覽器訪問相關(guān)信息，為確保信息安全，Web服務(wù)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線之間需要加裝單向物理隔離設(shè)備。分布式電源監(jiān)控主站軟件構(gòu)建在硬件平臺之上，具體還可以細(xì)分為三層，操作系統(tǒng)層、支撐平臺層和應(yīng)用功能層，圖3給出了分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。圖3分布式電源監(jiān)控主站軟件架構(gòu)Fig2 Software structure for monitoring master for DG操作系統(tǒng)層描述了主站可支撐多種類型的操作系統(tǒng)，包括HP UNIX，Linux和Windows等，能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺的功能移植及應(yīng)用，支撐平臺層包括實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)，圖形界面服務(wù)、通用報表服務(wù)等，它們是應(yīng)用功能所應(yīng)用的通用模塊。應(yīng)用功能層是主站高級應(yīng)用功能的集中體現(xiàn)，包括分布式電源SCADA、計量管理、并網(wǎng)管理、孤島檢測等，它們可以充分展示分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)功能。由于采用了分層的軟件架構(gòu)，軟件功能劃分及實(shí)現(xiàn)變得清晰，層與層之間的接口設(shè)計將更加規(guī)范化。分布式電源監(jiān)控主站軟件功能可分為基本功能和擴(kuò)展功能。基本功能是完成分布式電源監(jiān)控必須要有的功能模塊，擴(kuò)展功能是指為了實(shí)現(xiàn)更多拓展的功能應(yīng)用?；竟δ馨〝?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、計量管理、控制操作、事件處理、人機(jī)交互、保護(hù)控制、并網(wǎng)控制等。擴(kuò)展功能包括綜合數(shù)據(jù)統(tǒng)計、發(fā)電功率預(yù)測、計劃性孤島、遠(yuǎn)程孤島檢測、調(diào)度與協(xié)調(diào)控制、Web瀏覽功能等。主站功能的配置原則應(yīng)在具備基本功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需要，合理配置擴(kuò)展功能；例如在分布式電源各類采集數(shù)據(jù)（環(huán)境數(shù)據(jù)、模擬量數(shù)據(jù)、逆變器工作數(shù)據(jù)及電能量數(shù)據(jù)）的完整性和準(zhǔn)確性滿足要求的前提下, 可配置數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計功能；例如在環(huán)境數(shù)據(jù)（對于光伏電池，包括光照強(qiáng)度、光線入射角度等）的采集滿足要求的前提下，可配置發(fā)電功率預(yù)測功能；例如在采集點(diǎn)功能配置齊全，與其它應(yīng)用系統(tǒng)交互信息充分的情況下，主站功能成熟應(yīng)用的基礎(chǔ)上，可配置遠(yuǎn)程孤島檢測、調(diào)度及協(xié)調(diào)控制和Web功能等。2.2 分布式電源監(jiān)控子站設(shè)計為優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次、提高信息傳輸效率、便于通信系統(tǒng)組網(wǎng)而設(shè)置的中間層，實(shí)現(xiàn)所轄范圍內(nèi)的分布式電源采集信息匯集、處理或分布式電源區(qū)域并網(wǎng)管理、通信監(jiān)視及孤島檢測等功能。分布式電源監(jiān)控子站一般根據(jù)需要設(shè)置在大型居民住宅小區(qū)、大型商業(yè)區(qū)或大型工業(yè)區(qū)等配電室或監(jiān)控室。分布式電源監(jiān)控主站可采用Atmel、PowerPC等嵌入式硬件平臺，采用Linux、VxWorks等嵌入式操作系統(tǒng)，并于系統(tǒng)維護(hù)和各種應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控子站功能包括基本功能和擴(kuò)展功能?；竟δ馨ㄍㄐ艆R集、轉(zhuǎn)發(fā)，子站設(shè)備的維護(hù)和自診斷，擴(kuò)展功能包括孤島檢測和分布式電源的并網(wǎng)管理。圖3所示分布式電源監(jiān)控子站的架構(gòu)。圖3 分布式電源監(jiān)控子站架構(gòu)Fig3 Structure for monitoring slave for DG1、通信匯集、處理及轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)責(zé)所轄區(qū)域內(nèi)分布式電源遠(yuǎn)方終端的數(shù)據(jù)匯集、處理與轉(zhuǎn)發(fā)，兼容多種通訊規(guī)約，包括DL/T 634 或其它國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)。2、維護(hù)及自診斷應(yīng)具備當(dāng)?shù)厝藱C(jī)交互接口、遠(yuǎn)方操作、維護(hù)功能，包括程序下裝、參數(shù)設(shè)定、工況顯示、系統(tǒng)診斷等功能。應(yīng)具備自檢功能，故障時能傳送報警信息，異常自復(fù)位功能。3、分布式電源并網(wǎng)管理監(jiān)控子站應(yīng)實(shí)時監(jiān)測管轄區(qū)域內(nèi)的分布式電源運(yùn)行狀況，區(qū)域內(nèi)的電壓/無功分布情況，當(dāng)區(qū)域內(nèi)的分布式電源請求并網(wǎng)發(fā)電時，子站應(yīng)根據(jù)接入的分布式電源特性和接入點(diǎn)電網(wǎng)的電壓/無功狀況，決定分布式電源并網(wǎng)的最佳時刻，并發(fā)出允許并網(wǎng)命令。4、分布式電源區(qū)域孤島檢測一方面，當(dāng)管轄的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)故障時，監(jiān)控子站應(yīng)具備將故障區(qū)域內(nèi)的分布式電源采用主動孤島的方式，要求分布式電源停止向主網(wǎng)供電。另一方面，監(jiān)控子站應(yīng)具備當(dāng)管轄區(qū)域內(nèi)的分布式電源處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時，應(yīng)根據(jù)儲能設(shè)備的配備情況，覺得分布式電源允許孤島運(yùn)行的時間，并在恰當(dāng)?shù)臅r刻將分布式電源從孤島系統(tǒng)中斷開。2.3 分布式電源遠(yuǎn)方終端設(shè)計遠(yuǎn)方終端用于現(xiàn)場采集各種類型的分布式電源，包括光伏電池、小型風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備、燃料電池及儲能設(shè)備等。分布式電源遠(yuǎn)方終端架構(gòu)由硬件平臺及軟件功能部分組成，如圖3所示。圖4 分布式電源遠(yuǎn)方終端架構(gòu)Fig4 structure for remote terminal for DG 遠(yuǎn)方終端硬件平臺是支撐軟件功能的重要基礎(chǔ)，由一系列采集和處理單元組成，包括處理器單元、通信單元、開入開出單元、采樣計量單元、電源單元及人機(jī)交互單元等，用于實(shí)現(xiàn)對分布式電源數(shù)據(jù)信息的綜合采集及監(jiān)控。遠(yuǎn)方終端軟件功能包括模擬量、開關(guān)量數(shù)據(jù)采集與處理以及重要數(shù)據(jù)的采集；雙向計量、直流計量以及電能量數(shù)據(jù)的抄收和遠(yuǎn)傳；響應(yīng)分布式電源監(jiān)控主站各種遙控、遙調(diào)命令；本地化電壓無功控制功能；具備本地孤島檢測功能；可實(shí)現(xiàn)無擾動的同期并網(wǎng)功能；并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測和分析以及基于多種新算法的并網(wǎng)點(diǎn)繼電保護(hù)功能等。2.4 分布式電源監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)既采用單一的通信網(wǎng)絡(luò)，也可以采用混合通信網(wǎng)絡(luò)。目前常用的通信網(wǎng)絡(luò)包括光纖專網(wǎng)、配電線載波、無線專網(wǎng)和無線公網(wǎng)等。1、光纖專網(wǎng)通信方式宜選擇以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)等光纖以太網(wǎng)技術(shù)；2、中壓電力線載波通信方式可選擇電纜屏蔽層載波等技術(shù)；3、無線專網(wǎng)通信方式宜選擇符合國際標(biāo)準(zhǔn)、多廠家支持的寬帶技術(shù)；4、無線公網(wǎng)通信方式宜選擇GPRS/CDMA/3G通信技術(shù)。對于需要具備遙控功能的分布式電源區(qū)域優(yōu)先采用專網(wǎng)通信方式；依賴通信實(shí)現(xiàn)故障隔離和遠(yuǎn)程孤島檢測的區(qū)域宜采用光纖專網(wǎng)通信方式。對于專網(wǎng)鋪設(shè)不方便的區(qū)域，可以采用無線公網(wǎng)。對于采用無線公網(wǎng)通信方式時應(yīng)符合電力系統(tǒng)相關(guān)安全防護(hù)和可靠性規(guī)定要求。通常而言，專網(wǎng)的初期建設(shè)費(fèi)用高，后期使用成本低；而公網(wǎng)初期建設(shè)費(fèi)用很低，但后期需要定期支付一定的使用費(fèi)。因此，在通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時應(yīng)充分考慮各方面因數(shù)。目前常用的做法是兩種網(wǎng)絡(luò)相互配合，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性價比。3 結(jié)語 隨著發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，分布式電源并將廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。本文介紹的一種分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，將更好地指導(dǎo)分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、改造和運(yùn)行。如果將分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)和配電自動化系統(tǒng)或用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)結(jié)合起來，例如可以采用復(fù)用的通信網(wǎng)絡(luò)，一體化的采集終端、統(tǒng)一的信息處理平臺以及更強(qiáng)大的主站功能，那么分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)揮更大的功效，將獲取更佳的性價比。4 參考文獻(xiàn)：1肖世杰.構(gòu)建中國智能電網(wǎng)技術(shù)思考.電力系統(tǒng)自動化.2009，33(9)：1-4.Consideration of Technology for Constructing Chinese Smart Grid.XIAO Shijie.Automation of Electric Power Systems. 2009，33(9)：1-4.2 施婕、艾芊.智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(19):1-5.Research on several key technical problems in realization of smart grid.SHI Jie，AI Qian. Power System Protection and Control, 2009，37(19):1-5.3 孫景釕，李永麗，李盛偉，金強(qiáng).含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)方案.電力系統(tǒng)自動化，2009，33(1):81-84（89）.A Protection Scheme for Distribution System with Distributed Generations.SUN Jiangliao，LI Yongli，LI Shengwei，JIN Qiang. Automation of Electric Power Systems, 2009，33(1):81-84（89）. 4 張艷霞，代風(fēng)仙.含分布式電源配電網(wǎng)的饋線保護(hù)新方案. 電力系統(tǒng)自動化，2009，33(12):71-74. New Schemes of Feeder Protection for Distribution Networks Including Distributed Generation.ZHANG Yanxia,DAI Fengxian. Automation of Electric Power Systems, 2009，33(12):71-74.5周衛(wèi)，張堯，夏成軍，王強(qiáng).分布式發(fā)電對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(3):1-5（10）.Effect of distributed generation on relay protection of distributed system.ZHANG Wei,ZHANG Yao,XIA Cheng-jun,WANG Qiang. Power System Protection and Control, 2010，38(3):1-5（10）.6 趙宏偉，吳濤濤.基于分布式電源的微網(wǎng)技術(shù).電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2008，20(1):121-128. Review of Distributed Generation Based Microgrid Technology,ZHAO Hong-wei,WU Tao-tao.Proceedings of the CSU-EPSA, 2008，20(1):121-128.7 路小俊1,冬大龍2,宋斌1,唐成虹1 .基于OPC技術(shù)的風(fēng)電廠數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)方案.電力系統(tǒng)自動化,2008，32（23）: 90-94 .An OPC Technology Based SCADA System Design for Wind Power Plants.LU Xiaojun1,DONG Dalong2,SONG Bin1,TANG Chenghong1.Automation of Electric Power Systems,2008，32（23）: 90-94 .8 王兵，徐建民.遠(yuǎn)程分布式電源設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn).電力系統(tǒng)自動化,2002，23（7）: 32-35 .Design and implementation of the remote distributed electrical source equipment monitoring and control system on internet.WANG Bing,XU Ji