光伏、儲能一體化監控及運維解決方案

前言

今年以來，在政策利好推動下光伏、風力發電、電化學儲能及抽水蓄能等新能源行業發展迅速，裝機容量均大幅度增長，新能源發電已經成為新型電力系統重要的組成部分，同時這也導致新型電力系統比傳統的電力系統更為復雜，未來預計可再生能源裝機規模仍將快速增長，逐步完成能源體系的深度轉型， 終實現“碳中和”目標。隨之而來的是光伏電站、儲能以及配套的電氣設施怎么通過系統來實現效的運維管理，使之安全、可靠、效運行。

關鍵字：光伏監控；光伏運維；儲能監控；儲能運維；箱變監測

1.                      2023年光伏、儲能發展趨勢

據國家能源局新能源和可再生能源司數據顯示，2023年一季度全國光伏新增并網33.66GW，同比增長154.8%，其中集中式光伏發電15.53GW，分布式光伏發電18.13GW。截至一季度末，全國光伏發電裝機容量達到425GW，其中集中式光伏249GW，分布式光伏176GW。太陽能發電投資完成522億元，同比增長177.6%。一季度全國風電新增并網容量10.40GW，其中陸上風電9.89GW，海上風電0.51GW。截至一季度末，全國風電累計裝機達到376GW，同比增長11.8%，其中陸上風電345GW，海上風電30.89GW。風電投資完成約249億元，同比增長15%。

2023年1-4月電化學儲能投運項目共73個，裝機規模為2.523GW/5.037GWh，裝機功率較去年同期（374.4MW）同比增長577.1%。其中磷酸鐵鋰儲能項目達69個，裝機規模為2.52GW/5.019GWh；液流電池儲能項目共4個，裝機規模為3.1MW/ 18.1MWh。

光伏電站和電化學儲能電站裝機容量在今年上半年均大幅增長，預計受政策激勵影響，接下來光儲系統還會保持較大增長，以滿足雙碳計劃的要求。

2.                      光伏、儲能運維市場分析

在光伏、儲能行業飛速發展的同時，已建的光伏、風力發電站和儲能系統的監控、運維管理項目的招標也非常多，2023年上半年，光伏電站開發企業運維招標規模28.6GW，同比增長204.3%，上述28.6GW招標項目中，目前公布中標結果的共計14.9GW，中標情況見表1。光伏代運維價格因光伏電站的地理分布、容量、環境以及考核條件的不同，價格也會有較大的差異，從表1可以看出運維價格 低至1.93元/年*kW。

表1 光伏電站代運維招標及中標情況

同樣儲能電站的代運維價格波動也比較大，比如廣東電網能源投資有限公司發布2023年200MWh用戶側儲能項目設備及運維招標公告，運維服務價格為6元/年*kWh；克拉瑪依市600MW光伏配套120MW/240MWh儲能運維總承包開標價格為499元/年*kWh，運維包含光伏設備、儲能設備以及配套的箱變等電氣設備的運維。

光伏、儲能系統的代運維價格不，而且考核壓力大，運維工作繁瑣，管理不當還存在安全風險，如果不采用合適的監控系統來管理和運維，人力成本將會非常，而且發電效率也難以掌控，這將會導致代運維公司無法盈利。在很長一段時間里，新能源電站的運維管理都是很“粗糙”的，一句話就是——堆人。早期發電設備的不完備、急于上馬引起的施工漏洞又多，選址科學性的不足等等，都使得管理電站離不開人力的支撐。但這一過程并非沒有變化。通過各種技術手段升級，新能源電站運維逐漸從粗放式管理向精益管理轉變。從業者也就在不斷探索怎么縮減對人力的依賴，怎樣提管理效率。

3.                      分布式光伏電站監控及集中運維管理

光伏電站的運維對光伏電站的發電量至關重要，包括光伏組件、逆變器以及相關的電氣回路、升壓變壓器及并網柜等，數據監測是光伏電站運維中一個非常重要的部分，可以通過運維管理系統實時獲取光伏電站的各項數據指標，并通過這些數據指標來判斷電站的運行狀況和效率。在數據監測方面，需要對光伏電站進行以下幾項檢測：首先，需要對電站的電壓、電流、功率等參數進行實時監測，以了解光伏電站的實時工作狀態。其次，需要對光伏電站的溫濕度、太陽輻照度等環境因素進行監測，以了解電站的運行環境情況。 后，需要對光伏電站的累計發電量、組件和逆變器的運行情況等進行檢測和分析，以便及時采取相應的維護措施。GB/T 38946-2020《分布式光伏發電系統集中運維技術規范》對分布式光伏電站運維以及集中運維主站、運維子站功能均作出明確要求。

3.1       相關標準

《分布式光伏發電系統集中運維技術規范》GB/T 38946

《戶用分布式光伏發電并網接口技術規范》GB/T 33342

《分布式光伏發電系統遠程監控技術規范》GB/T 34932

《光伏發電站設計規范》GB 50797

《分布式電源并網運行控制規范》GB/T 33592

《分布式電源接入電網技術規定》Q/GDW1480

3.2       系統構成

集中運維系統可包括主站和子站以及之間的通信通道,系統結構可參照圖1。

a)主站與子站間的通信可采用無線(GPRS/3G/4G)?公網?專網(專線/VPN加密鏈路)方式,宜采取相應的信息安全防護措施;

b)主站與外部系統的通信滿足相應系統的接入要求;

c)視頻信息不宜與監控數據傳輸共用一個通道;

d)支持與電網調度系統通信,通信規約宜采用DL/T634.5101?DL/T634.5104;支持與各子站通信。

圖1 運維主站與子站系統架構

運維子站可根據分布式光伏電站裝機容量、有/無人值班等情況設置，在無人值班的情況下當地可不設置運維子站，數據直接通過數據網關上傳運維主站。

3.3       光伏運維子站解決方案

安科瑞Acrel1000-DP分布式光伏電站電力監控系統為分布式光伏電站運維子系統提供了解決方案，滿足GB/T 38946《分布式光伏發電系統集中運維技術規范》中對運維子站的相關技術要求。

①　       數據信號采集

（1）運維子站采集的模擬量數據包括下列內容:

a)分布式光伏發電系統每個并網點有功功率?無功功率?電壓?電流?頻率?電能量等數據;

b)分布式光伏逆變器有功功率?無功功率?電壓?電流?功率?溫度等數據;

c)匯流箱各路電流?匯總輸出電流?母線電壓量等數據;

d)分布式光伏發電系統周圍環境包括環境溫度?輻照度?電池板溫度等數據;

e)子站應建立數據存儲,存儲時間應不少于7d?

圖2 分布式光伏監控系統數據顯示

（2）運維子站采集的狀態信號包括下列內容:

a)分布式光伏發電公共連接點斷路器?隔離刀閘和接地刀閘位置?保護硬接點狀態以及遠方/就地控制等各種開關量信號;

b)分布式光伏發電每個并網點斷路器和隔離開關的位置信號?重合閘位置?保護動作及告警信號;

c)光伏逆變器運行狀態及告警信號;

d)分布式光伏發電主升壓變壓器分接頭擋位(當采用有載調壓變壓器);

e)光伏匯流箱保護動作及告警信號;

f)分布式光伏發電保護?安全自動裝置等設備狀態,保護動作及告警信號,運行人員操作順序記錄信息?

圖3 分布式光伏監控系統狀態顯示

②　       數據信息處理

子站宜對所采集的實時信息進行數字濾波?有效性檢查?工程值轉換?信號接點抖動消除?刻度計算等加工?數據采集子系統可進行數據合理性檢查?異常數據分析?事件分類等處理,并支持常用的計算功能,支持對采集的各類原始數據和應用數據分類存儲和管理?

圖4 分布式光伏監控系統數據展示

3.4       光伏運維主站解決方案

安科瑞AcrelEMS企業微電網能效管理平臺適用于分布式光伏電站的運維管理。GB/T 38946《分布式光伏發電系統集中運維技術規范》中對集中運維主站的相關技術要求如下：

①　       集中運行監視宜具備以下功能:

a)基礎信息展示:基礎信息包括場站名稱?場站地理位置?場站容量?場站組件面積等;

b)電站實時監視:具備主要測點的分時?分日?分月以及分年的數值展示圖表;

圖5 分布式光伏電站場站管理及發電功率實時監控

c)電站統計分析:具備主要性能參數的分時?分日?分月以及分年的數值展示圖表,主要性能指標包括系統PR?等效利用小時數等;

d)歷史信息查詢:逆變器?匯流箱?電度表?環境監測儀?并網點?變壓器等設備監測點的歷史數據查詢與導出;

e)單電站數據展示:直觀展示電站全年?各月的計劃完成情況?上網電量?綜合效率等統計指標;

f)多場站數據展示:對集團級的多電站計劃完成率?上網電量?綜合效率和資源分布等關鍵指標進行多角度?多維度的分析;

g)報表管理:根據需求選擇歷史數據,生成不同格式和類型的報表;報表應支持文件導出和打印等功能?

圖6 日月年發電數據報表及逆變器發電曲線分析

②　       操作與控制宜具備以下功能:

a)支持對電站設備的操作與控制,包括遙控?遙調?人工置數?標識牌操作?閉鎖和解鎖等操作;

b)防誤閉鎖:支持多種類型自動防誤閉鎖功能,包括基于預定義規則的常規防誤閉鎖和基于拓撲分析的防誤閉鎖功能;操作指令宜經過防誤驗證,并有出錯告警功能;

c)順序控制:能夠按照預先設定的順序和流程控制電站設備動作;

d)支持操作與控制可視化;

e)操作與控制宜有記錄,包括操作人,操作對象?操作內容?操作時間?操作結果等,可供調閱和打印?

圖7 遙控操作驗證及操作記錄

③　       故障告警管理宜具備以下功能:

a)能夠將分布式光伏發電系統現場所采集到的各設備故障類遙信信號上報至集中運維系統進行展示;

b)能夠記錄故障告警的發生時間?設備位置? 近操作記錄?故障狀態等信息;

c)能夠對在集中運維系統中展示出來的故障類遙信信號的信息進行基本操作,如刪除?信息修改?查詢;

d)能夠對故障信息排查解決完畢后對故障造成的損失進行評估;

e)能夠對由故障告警及處置過程形成的故障案例進行分類管理,具備快速訪問和查詢的功能?

圖8 告警分級和異常分析

④　       集中運營管理宜具備以下功能:

a)運行值班管理對將電站生產運行值班過程中的主要事件進行記錄;

b)巡點檢管理:制定巡點檢的操作方案,包含巡點檢設備?巡點檢路線?巡點檢任務以及異常數據反饋等功能,異常數據可以自動觸發故障單;

c)報告報表功能:能夠按照既定要求形成相應的報告和報表功能,并支持文件導出要求;

d)資料管理功能:具備對系統相關資料進行分類管理的功能,并支持快速訪問和查閱?

圖9 巡檢管理及用戶報告

⑤　       設備?工器具及備品備件管理宜具備以下功能:

a)物資編碼管理:系統宜支持按照GB/T50549要求進行編碼設定的功能;

b)物資臺賬管理:系統宜支持對設備和部件?備品備件?工器具等物資信息和資料進行分類錄入?刪除?修改和查詢的功能;

c)工器具管理:集中運維系統宜具備對場站配備的工器具的種類和數量統計功能,同時宜具備對工器具校驗周期提醒的功能;

d)備品備件管理:集中運維系統宜具備場站配備的備品備件的種類和數量統計功能,同時宜具備對備品備件安全庫存的定義和缺庫提醒的功能?

圖10 設備檔案和設備保養管理

⑥　       安全管理宜具備以下功能:

a)安全組織管理:實現集團公司?電站區域公司安全組織架構設定功能;

b)安全綜合管理:各種安全相關的制度?培訓?考核?應急等的文檔管理功能;

c)安全檢查管理:實現安全檢查計劃?任務?結果的管理功能;

d)安全事故管理:實現安全事故登記與處理閉環管理功能?

⑦　       檢修維修管理宜具備以下功能:

a)檢修維修單管理:實現各種故障檢修維修工作的單據登記?檢修

維修過程的資料?檢修維修結果的信息管理功能;

b)檢修計劃管理:實現檢修計劃信息的登記管理功能,信息內容包括基本的季度?月度檢查計劃等;

c)缺陷管理:實現各種設備?各來源的缺陷信息登記?缺陷處理及處理結果信息登記功能;

d)隱患管理:實現各種設備?各來源的隱患信息登記?隱患治理及治理的記過信息登記功能;

e)預防性維護管理:實現預防性維護計劃,維護工作的內容登記維護管理;包括預防性維護計劃?定期預防性維護檢驗等維護保養信息內容管理功能?

圖11 工單管理和缺陷記錄

⑧　       系統管理宜具備以下功能:

a)權限設置:登錄權限?場站權限?功能權限?數據權限;

b)在線用戶管理:用戶登錄?操作記錄;

c)時間同步:宜采用簡單網絡時間協議(SNTP)對時方式,并以此同步各子站;

d)Web功能:主站宜具備相關數據的信息發布?瀏覽和下載等Web功能?

圖12 用戶權限配置及用戶狀態監測

⑨　       光伏發電功率預測

運維主站可根據當日光照和溫濕度數據預測光伏電站發電功率數據進行對照，用于驗證光伏電站發電效率。

圖13 光伏運維主站、子站發電功率預測功能

3.5       箱變測控管理

箱式變電站由于其占地面積小，性價比，在分布式光伏電站中大量應用。箱變是光伏電站升壓并網的主要電氣設備，其運行狀態的好壞，直接影響整個光伏發電系統的可靠性。因此需要對箱變進行電氣參數、環境參數、繞組溫度等進行全面的監測和預警。

l                      提供過電流保護、溫度保護、過/欠電壓保護、零序過流保護等功能；

l                      實時監測變壓器、低壓側的電壓、電流、有功及無功等參數； 

l                      實時監測低壓室柜門開關狀態及箱變內溫濕度、浸水、煙霧； 

l                      實時監測變壓器運行繞組溫度； 

l                      實時監測柜內母排、線纜接頭處溫度； 

l                      互聯互通，支持 有線或無線通訊，可將數據傳輸至后臺。

圖14 箱變測控系統圖

通過AcrelEMS可實時監控箱變變壓器和低壓柜電氣參數、溫度、箱變內濕度等數據，在數據超過正常閾值或發生異常變位時可及時發出告警信號。

圖15 變壓器及箱變環境監測

3.6       光伏運維相關二次設備選型

安科瑞提供光伏運維子站、運維主站監測軟件、數據網關和保護測控單元、交直流監測多功能儀表及相關傳感器，具備電能質量監測和治理裝置，保障光伏電站效運行。

表2 光伏電站監控運維管理系統選型方案

4.                      電化學儲能系統監控及集中運維管理

近年來在新型電力系統安全穩定需求下，電化學儲能電站快速發展，但是儲能電站安全運維管理尤為重要，電池熱失控引發的事故也時有發生。儲能電站的運維不僅僅是基本的巡檢，值守，保養，更要不斷積累運行的數據，并對當前電池的容量，健康指標都進行實時跟蹤，進而不斷調整控制策略等等。因此運維人員需具備較的專業水平和豐富的實操經驗，配合儲能運維管理系統和健全的安全管理規程，才能水平地運維，提升電站的盈利。

儲能電站的運維管理主要包括電池及電池管理系統(BMS)、儲能變流器(PCS)、能量管理系統(EMS)配套的電氣系統(升壓變壓器、并網開關柜)、消防系統、空調系統、站用電系統的監測和運維。

4.1       相關標準

《電化學儲能電站安全規程》GB/T 42288

《電化學儲能系統接入電網技術規定》GB/T 36547

《電化學儲能電站設計規范》GB 51048

《電化學儲能電站設計標準（征求意見稿）》

《電化學儲能系統儲能變流器技術規范》GB/T 34120

《電力儲能用鋰離子電池》GB/T 36276

《電化學儲能電站監控系統技術規范》NB/T 42090

《電化學儲能電站用鋰離子電池技術規范》NB/T 42091

《爆炸危險環境電力裝置設計規范》GB 50058

《儲能電站用鋰離子電池管理系統技術規范》GB/T 34131

《電力系統電化學儲能系統通用技術條件》 GB/T 36558

4.2       系統構成

根據NB/T 42091《電化學儲能電站監控系統技術規范》，儲能監控系統宜采用星型網絡，功率小于1MW且容量小于1MWh的電化學儲能監控系統宜采用單網配置，如圖16。

圖16 電化學儲能系統單網監控系統網絡結構圖

功率為1MW及以上且容量為1MWh及以上的電化學儲能監控系統宜采用雙網配冗余置，如圖17。

圖17 電化學儲能系統雙網監控系統網絡結構圖

監測設備包括BMS、PCS、保護測控設備、其他設備(電能計量、絕緣監測、消防、空調、站用直流屏等)。

4.3       電化學儲能電站監控運維管理系統

Acrel-2000MG儲能系統能量管理系統和AcrelEMS企業微電網能效管理平臺能夠對企業微電網的源（市電、分布式光伏、微型風機）、網（企業內部配電網）、荷（固定負荷和可調負荷）、儲能系統、新能源汽車充電負荷進行實時監測和優化控制，保護微電網儲能系統運行安全，實現不同目標下源網荷儲資源之間的靈活互動，增加多策略控制下系統的穩定運行。同時促進新能源消納、合理削峰填谷，減少電網建設投資，提升微電網運行安全，降低運行成本。Acrel-2000MG儲能系統能量管理系統適合部署在本地，作為實時監控、異常告警和策略管理；AcrelEMS企業微電網能效管理平臺適用于企業源網荷儲充運維的一體化管理平臺，并提供移動端數據服務和異常告警。

①　       數據采集和處理

監控系統應能通過測控單元及功率變換系統、電池管理系統進行實時信息的采集和處理。監控系統應設置通信接口與電池管理系統連接，接收和處理的信息宜包括但不限于：

a）電池模塊的電壓、溫度、電池能量；

b）電池簇的電流、電壓、功率、電池能量、可充可放電量、累積充放電電量，以及 、 低

單體電壓及其電池編號：

c）電池堆可充可放電量、累積充放電電量；

d）各種故障告警和保護動作信號；

圖18 Acrel-2000MG和AcrelEMS電池數據采集

功率變換系統(PCS)上送信息宜包括但不限于：

a）開關量信息：直流側與交流側接觸器、斷路器的狀態；運行模式（并網、離網）、運行狀態

（充電、放電、待機等）、就地操作把手的狀態等：

b）模擬量信息：直流側電壓、電流、功率，交流側三相電壓、電流、有功、無功；

c）非電量信息：IGBT模塊溫度、電抗器溫度、隔離變溫度等；

d）運行信息：功率變換系統保護動作信號、事故告警信號等。

圖18 Acrel-2000MG和AcrelEMS 功率變換系統數據采集

②　       監視和報警

監控系統的監視功能應符合但不限于下列要求：

a）應能通過顯示器對主要電氣設備運行參數和設備狀態進行監視；

b）應能監視并實時顯示各設備的通信狀態和通信報文；

c）電池管理系統、功率變換系統上傳監控系統的遙測量和告警量須有專門的界面顯示和告警  

圖19 Acrel-2000MG和AcrelEMS 監視和報警分級

③　       控制與調節

控制范圍：站內交流回路斷路器、功率變換系統及其他相關重要設備，包括功率變換系統啟/停、運行/檢修狀態切換、并網充/放電、離網放電、保護軟壓板投切等。監控系統根據功能定位支持下列應用模式：削峰填谷、孤網運行、系統調頻、電壓支撐、電能質量治理、平滑功率輸出、跟蹤計劃出力。

圖19 Acrel-2000MG和AcrelEMS 儲能系統監控

④　       電能質量監測

監測儲能系統交流回路的電壓波動與閃變、三相電壓不平衡、電壓暫升/暫降、短時中斷、諧波畸變等工況，實時記錄事件并故障錄波，為電能質量分析與治理提供數據來源。

圖20 Acrel-2000MG和AcrelEMS 電能質量分析

⑤　       企業微電網能效管理

AcrelEMS企業微電網能效管理平臺除了對儲能系統提供監控報警之外，還適用于企業內部的源網荷儲充運維的一體化管理平臺，為企業微電網能效管理提供監測、優化控制、設備管理、運維管理、分析報告等，并提供基于WEB和APP的數據服務和異常告警。

圖21 AcrelEMS企業微電網能效管理平臺

4.4       電化學儲能電站監控運維管理系統二次設備選型

安科瑞提供電化學儲能電站監控運維管理軟件、數據網關和保護測控單元、多功能儀表及相關傳感器，具備電能質量監測和治理裝置，保障儲能電站及企業微電網效運行。

表3 儲能電站監控運維管理系統選型方案

5.結束語

在雙碳目標以及電網運行安全要求驅動下，光伏發電以及配套儲能系統未來將會得到越來越多的政策支持，可以想象未來也會有越來越多的資本投入促使行業迅速發展，從而提電網運行安全，提升電能使用效率。但是微電網系統，特別是光伏電站和儲能電站的運行安全不容忽視，需要嚴格按照標準，建立光伏和儲能監測運維管理系統對光伏電站和儲能系統進行監視、預警、控制和運維管理，保障安全生產。

未來新型電力系統中，企業光儲充微電網內部以及企業微電網和大電網的互動也會越來越頻繁，這需要一套統一平臺來對企業的“源-網-荷-儲-充”及運維進行統一監測和管理，這樣才能保障企業微電網效穩定低碳運行，從而促進新型電力系統邁向穩定可靠低碳的良性循環。