史小杰，谷亞飛，張宏艷

（1.北京華電水電有限公司,北京 101500；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

華電（北京）新能源發(fā)展有限公司所轄光伏電站占地約54 hm2，共有集中式光伏裝機(jī)容量20 MW，包含地面固定式、單軸跟蹤式及雙軸跟蹤式；分布式光伏裝機(jī)容量0.3 MW，包含屋頂分布式、車棚分布式及農(nóng)業(yè)大棚分布式。發(fā)電系統(tǒng)由8萬塊多晶硅光伏組件產(chǎn)生直流電，經(jīng)375臺匯流箱送至直流配電柜，經(jīng)42臺逆變器逆變?yōu)榉想娋W(wǎng)要求的交流電能后，再經(jīng)過21臺箱式變壓器升壓至10 kV，由4條線路送出至太子務(wù)及統(tǒng)軍莊變電站。電站設(shè)計年度發(fā)電量2 500萬kW時，減排標(biāo)煤8 750 t，減排二氧化碳25 000 t，為北京市第一個投產(chǎn)的大型地面光伏電站項目、北京市荒灘治理示范項目、北京市節(jié)能減排示范項目。

電力監(jiān)控系統(tǒng)中接入逆變器、匯流箱、箱變及開關(guān)、線路高壓柜的各種模擬量及開關(guān)量信號，實現(xiàn)對這些設(shè)備的監(jiān)視及控制。原電力監(jiān)控系統(tǒng)是由深圳市金宏威技術(shù)股份公司開發(fā)的PVS2000（V1.0）綜合自動化系統(tǒng)，至今已運行超過10年。由于原電力監(jiān)控設(shè)備老化、數(shù)據(jù)通信不穩(wěn)定，經(jīng)常會發(fā)生死機(jī)問題，操作邏輯不清晰，報表計算需要大量時間等問題，且不符合如今電站安全要求等因素，同時為了滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入需要，對原監(jiān)控系統(tǒng)整體進(jìn)行替換、改造。改造采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司（以下簡稱“中水科技”）自主研發(fā)的iP9000智能一體化平臺作為華電密云光伏電站的全分布開放式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對電站整體進(jìn)行信號數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)整合分析、統(tǒng)一運行維護(hù)等。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于iP9000智能一體化平臺建設(shè)的電站監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)采用開放式分層分布結(jié)構(gòu)，按功能和地理分布劃分為站控層及現(xiàn)地層，在現(xiàn)地層和站控層間采用加密通信方式，保證了數(shù)據(jù)的完整性和安全性，大大加強(qiáng)了電站整體數(shù)據(jù)的安全等級。

站控層的中控設(shè)備布置在變電站主控制樓內(nèi)的計算機(jī)室及主控制室內(nèi)，作為中控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)光伏區(qū)域監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集處理、操作控制、經(jīng)濟(jì)運行及優(yōu)化調(diào)度、綜合計算、運行檔案管理、事故故障信號的分析處理。

現(xiàn)地層的采集、控制設(shè)備為中水科技自主研發(fā)的0208通信控制器，布置在光伏陣列區(qū)逆變器室通信控制柜內(nèi)?，F(xiàn)地共有21個光伏陣列，每兩個子陣共用一套現(xiàn)地設(shè)備，共為11套現(xiàn)地控制設(shè)備，現(xiàn)地設(shè)備采用光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)連接組成整個現(xiàn)地層?，F(xiàn)地層設(shè)備主要完成相應(yīng)光伏子陣相關(guān)設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù)采集功能，上送至站控層；同時接收站控層的開停機(jī)控制指令和負(fù)荷分配調(diào)節(jié)指令等，并下發(fā)指令至逆變器、匯流箱、箱變等設(shè)備。

電站控制網(wǎng)硬件主要由站控層的雙冗余熱備主干網(wǎng)交換機(jī)以及與現(xiàn)地層的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成。站控層網(wǎng)絡(luò)選用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，物理結(jié)構(gòu)為雙星型，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為1 000 Mbps且為自適應(yīng)式，采用TCP／IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)為雙絞線，站控層各設(shè)備掛在控制網(wǎng)交換機(jī)上，采用雙網(wǎng)冗余接入方式?，F(xiàn)地層網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過光纖將11個光伏區(qū)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)的匯聚環(huán)網(wǎng)交換機(jī)連接起來，掛在該層網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備為現(xiàn)地控制級設(shè)備，各通信控制器與站控層實時監(jiān)控服務(wù)器的通信鏈路之間部署縱向加密裝置，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)加密保護(hù)功能，保證電站數(shù)據(jù)的安全性和保密性要求。每個通信控制器通過RS-485聯(lián)通匯流箱系統(tǒng)、逆變器系統(tǒng)以及箱變系統(tǒng)，均采用Modbus串口協(xié)議通信，數(shù)據(jù)采集整合后再通過IEC104規(guī)約上送站控層采集設(shè)備。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

電站控制層設(shè)備按照精簡的方式配置，共由2臺操作員工作站、2臺實時監(jiān)控服務(wù)器、2臺遠(yuǎn)動通信服務(wù)器、1臺AGC服務(wù)器、主干網(wǎng)交換機(jī)、匯聚縱向加密裝置、環(huán)網(wǎng)匯聚交換機(jī)組成。

2套操作員工作站，其作用完全相同，為雙機(jī)熱備工作方式。操作員工作站作為操作員人機(jī)接口工作平臺，負(fù)責(zé)全廠的運行監(jiān)視、控制及調(diào)節(jié)命令發(fā)出，設(shè)定或變更工作方式，各種圖表曲線、報表的生成、打印，及人機(jī)界面等功能。通常，全廠所有設(shè)備的運行監(jiān)控都在操作員工作站上進(jìn)行。

2套實時監(jiān)控服務(wù)器，也為雙機(jī)熱備工作方式，因光伏電站的數(shù)據(jù)量不大，且采用了精簡配置，實時監(jiān)控服務(wù)器承擔(dān)了數(shù)據(jù)采集、實時庫處理、系統(tǒng)管理及歷史庫服務(wù)的功能。負(fù)責(zé)廠站層的數(shù)據(jù)采集、處理及衛(wèi)星系統(tǒng)時鐘管理等；完成歷史數(shù)據(jù)的生成、存儲，事件、告警信息存儲等，歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)在不同機(jī)器的磁盤中進(jìn)行備份儲存；同時負(fù)責(zé)本系統(tǒng)電站層計算機(jī)綜合計算、運行檔案管理、事故故障信號的分析處理及其他應(yīng)程序運行等任務(wù)。

2臺無盤工作站作為遠(yuǎn)動通信工作站與調(diào)度通信，具有遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)處理、規(guī)約轉(zhuǎn)換及通信功能，滿足調(diào)度自動化的要求，并具有串口輸出和網(wǎng)絡(luò)口輸出能力，能通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)通道（實時控制A、B網(wǎng)）與各級調(diào)度端主站系統(tǒng)通信的要求。

為滿足計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入需求，服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用國產(chǎn)化設(shè)備，操作系統(tǒng)為國產(chǎn)凝思操作系統(tǒng)，并完成各設(shè)備的安全加固配置，達(dá)到二級等保測評的要求。

2 iP9000計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)采用的iP9000智能一體化平臺，是一套完整的計算機(jī)實時控制系統(tǒng)，在提高數(shù)據(jù)精度、豐富數(shù)據(jù)屬性、數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)志、數(shù)據(jù)趨勢報警、智能報警處理等方面的研究開發(fā)顯著提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能[1]。

2.1 數(shù)據(jù)的高效處理

為提高監(jiān)控系統(tǒng)的實時性，減少數(shù)據(jù)傳輸量，現(xiàn)地通信控制器對實時數(shù)據(jù)采用不變不送加定時全送的方式，對模擬量無變化時不傳送，當(dāng)變化超過傳送死區(qū)或數(shù)據(jù)品質(zhì)有變化時傳送；狀態(tài)量有狀態(tài)變位或數(shù)據(jù)品質(zhì)有變化時才傳送，同時當(dāng)達(dá)到定時周期時進(jìn)行全數(shù)據(jù)傳送，更新監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫。

2.2 運行設(shè)備的監(jiān)視

光伏電站的現(xiàn)地層占地面積較大，維護(hù)起來比較困難，因此監(jiān)控系統(tǒng)可以實時采集主要設(shè)備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)，并作必要的預(yù)處理、計算，存于實時數(shù)據(jù)庫，可進(jìn)行畫面顯示、控制調(diào)節(jié)、記錄檢索、統(tǒng)計報表、運行指導(dǎo)和事故分析等。

采集的信息包括現(xiàn)地層各逆變器的運行參數(shù)和運行狀態(tài)，通信控制器的狀態(tài)及與光伏區(qū)各設(shè)備的通信狀態(tài)，站控層服務(wù)器的CPU及負(fù)載、內(nèi)存及磁盤狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)接口狀態(tài)、系統(tǒng)安裝的軟件列表、系統(tǒng)運行的進(jìn)程列表等，交換機(jī)的CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)接口、端口狀態(tài)等信息。這些信息的采集和顯示能夠更好對全廠各設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行安全監(jiān)控，當(dāng)它們發(fā)生異常、運行狀態(tài)發(fā)生變更或參數(shù)超越設(shè)定限值等時，及時產(chǎn)生告警，報告值班運行人員進(jìn)行精準(zhǔn)地快速處理，同時進(jìn)行實時記錄，以便分析查驗，極大地提高了處理故障的效率。

2.3 友好安全的人機(jī)操作

為方便報警記錄信息查詢，iP9000系統(tǒng)提供靈活的歷史數(shù)據(jù)查詢手段，如過濾器功能，對各種報警歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、篩選形成報告，并可打印。

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的事故追憶點及事故追憶采樣周期，對追憶量進(jìn)行前若干秒追憶，后若干秒記錄，形成事故追憶記錄(事故追憶采樣周期可設(shè)定)。事故發(fā)生時，可根據(jù)預(yù)置的追憶信息快速地將事故報警信息、追憶數(shù)據(jù)等從歷史數(shù)據(jù)中提取顯示。

iP9000系統(tǒng)還在控制方面具有獨特而完善的防誤操作功能，可以確保由計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的命令安全可靠。控制具有防誤閉鎖和互鎖功能，當(dāng)控制點被選擇后，在控制過程結(jié)束或中斷以前它處于閉鎖狀態(tài)，其他人不能對它進(jìn)行控制和操作。監(jiān)控系統(tǒng)會對各項操作指令進(jìn)行條件判斷，滿足預(yù)置條件則執(zhí)行，不滿足條件則閉鎖，并彈出操作條件顯示判斷窗口，給運行人員提示閉鎖原因，當(dāng)滿足操作條件時才可將命令下達(dá)通信控制器，并作用于各設(shè)備。

iP9000系統(tǒng)在光伏電站監(jiān)控方面具有很多高效且實用的優(yōu)勢：畫面顯示數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確，可以實時查看日、月、年發(fā)電量數(shù)據(jù)、發(fā)電功率、發(fā)電時間、環(huán)境數(shù)據(jù)等參數(shù)報表、曲線等。且通過數(shù)據(jù)整合分析、計算可以清晰了解發(fā)電情況和電站運行數(shù)據(jù)，提高了電站整體管理效率，降低了運維人員監(jiān)盤的難度。

3 改造難點及系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 通信規(guī)約復(fù)雜性

原電站的監(jiān)控系統(tǒng)已運行超過10年，資料已不完全，除了新改造的逆變器有完整的點表資料、規(guī)約外，箱變、匯流箱都沒有針對實際情況留下的點表資料和通信協(xié)議，且舊系統(tǒng)數(shù)據(jù)點表無法導(dǎo)出查看地址。為了保證新監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，在數(shù)據(jù)實際接入監(jiān)控系統(tǒng)的之前，由調(diào)試筆記本搭建模擬站控層監(jiān)控系統(tǒng)，直接采集箱變、匯流箱等數(shù)據(jù)，與原監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行核對，不斷摸索數(shù)據(jù)地址和參數(shù)，最終確定正確的規(guī)約和點表地址，消除各種由數(shù)據(jù)點不確定帶來的隱患。

3.2 新老系統(tǒng)無縫切換

原監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地層也為環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為了保障新老系統(tǒng)無縫切換，保障電站的運行安全性。在調(diào)試過程中，選擇一個通信控制器管理的光伏子站進(jìn)行試點調(diào)試：①采用調(diào)試筆記本對現(xiàn)地各設(shè)備采集參數(shù)和規(guī)約進(jìn)行核對，確保上行數(shù)據(jù)和下令命令的正確性；②將新監(jiān)控的現(xiàn)地設(shè)備替換老設(shè)備，并接入環(huán)網(wǎng)中，直接與新站控層的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，同時保留老的監(jiān)控設(shè)備，如果在調(diào)試過程中出現(xiàn)問題，可迅速切換到老監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)盤；③逐步把每一個光伏區(qū)的通信控制器替換為新系統(tǒng)的設(shè)備，并依次核對數(shù)據(jù)和進(jìn)行控制試驗，直至全部替換完成；④拆除原監(jiān)控系統(tǒng)的站控層及現(xiàn)地層設(shè)備，平穩(wěn)地將老系統(tǒng)過渡為新系統(tǒng)，并且無長時間數(shù)據(jù)采集中斷的問題，確保了光伏電站安全、連續(xù)的監(jiān)控工作。

3.3 智能報警及統(tǒng)計分析

相比于舊系統(tǒng)，新系統(tǒng)采用更先進(jìn)的計算邏輯，根據(jù)實時采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期、定時計算分析，形成各種有實際分析意義的實時或歷史數(shù)據(jù)，幫助運行人員對電站設(shè)備的運行進(jìn)行全面監(jiān)視與綜合管理。例如：發(fā)電量日、月、年報表分析，發(fā)電減排統(tǒng)計，輻照度、室外溫度變化等環(huán)境數(shù)據(jù)記錄，主要設(shè)備運行工況統(tǒng)計計算等。并且實現(xiàn)了通過防火墻與安全Ⅱ區(qū)的功率預(yù)測系統(tǒng)通信，發(fā)送電站發(fā)電數(shù)據(jù)并接收預(yù)測信息用來優(yōu)化發(fā)電效率等功能。

對于某些特定數(shù)據(jù)，采用了條件報警的功能，只在某些特定的情況下才產(chǎn)生報警，過濾了大量無用的變位數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)定位到故障信息，減輕了運維的壓力。

4 結(jié)束語

iP9000系統(tǒng)作為華電密云光伏電站計算機(jī)操作系統(tǒng)，相比于舊系統(tǒng)更加安全可靠，監(jiān)控更加方便，配置靈活，功能強(qiáng)大，為電站的運維和管理提供諸多便利，同時該系統(tǒng)具備強(qiáng)大的高級功能和第三方接口，在后續(xù)更加高級、更加便利的應(yīng)用方面提供強(qiáng)大的開發(fā)平臺，加快了我國電站智能化的進(jìn)程。