光伏电站自动化系统的作用是什么?由哪些子系统构成?

电力系统自动化包括生产过程的自动检测、调节和控制，系统和元件的自动安全保护，网络信息的自动传输，系统生产的自动调度，以及企业的自动化经济管理等。电力系统自动化的主要目标是保证供电的电能质量（频率和电压），保证系统运行的安全可靠，提高经济效益和管理效能。我国大部分光伏电站建在太阳能资源比较丰富的地区，这类地区电网结构较薄弱，地区负荷小，而单个并网点光伏发电接入容量很大，给光伏发电并网运行带来很大挑战。借助自动化技术，可以有效降低光伏发电功率随机性对电网带来的不利影响，提高电力系统运行的安全性和稳定性。

一、电力系统自动化技术的发展与应用

（一）电力系统自动化技术的发展

20世纪50年代以前，电力系统容量在几百万千瓦左右，单机容量不超过10万kW，电力系统自动化多限于单项自动装置，且以安全保护和过程自动调节为主。例如电网和发电机的各种继电保护、汽轮机的危急保安器、锅炉的安全阀、汽轮机转速和发电机电压的自动调节、并网的自动同期装置等。

20世纪50~60年代，电力系统规模发展到上千万千瓦，单机容量超过20万kW，并形成区域联网，在系统稳定、经济调度和综合自动化方面提出了新的要求。厂内自动化方面开始采用机、炉、电单元式集中控制。系统开始装设模拟式调频装置和以离线计算为基础的经济功率分配装置，并广泛采用远动通信技术。各种新型自动装置如晶体管保护装置、可控硅励磁调节器、电气液压式调速器等得到推广使用。

20世纪70～80年代，以计算机为主体配有功能齐全的整套软硬件的电网实时监控系统（SCADA）开始出现。20万kW以上大型火力发电机组开始采用实时安全监控和闭环自动启停全过程控制。水力发电站的水库调度、大坝监测和电厂综合自动化的计算机监控开始得到推广，各种自动调节装置和继电保护装置中广泛采用微型计算机。

21世纪初，风电、光伏蓬勃发展，为有效应对风电、光伏规模化发展对电网运行带来的不利影响。新能源功率预测、功率控制技术得到电网企业和发电企业的高度重视，其产品应用在实践中也取得良好效果。

（二）电力系统自动化技术在光伏电站中的应用

与常规电源不同，光伏电站的输出功率具有波动性和间歇性的特点，光伏电站将所发的电能像常规发电站一样，全部输入电网，使得电网结构越来越复杂。为此，光伏电站必须通过光伏电站自动化系统与电网调度自动化系统有效衔接，实现光伏电站实时监测、功率控制、自动电压控制、安全稳定控制及信息申报等站端信息的上传、下发，满足安全并网运行要求，实现最优调度。

把光伏发电功率纳入电网的调度计划和实时运行调控，是保证大规模光伏接入、电网稳定经济运行的重要措施。同时，将光伏电站的运行状态和环境参数纳入到调度端光伏电站实时监测模块中，实现光伏电站监测、预测与控制功能的有机结合，有助于合理安排常规机组发电计划，解决电网调峰调频问题，提高电网新能源消纳能力，从而为电网大规模光伏电站并网的安全性和经济性提供有力的技术保障。

二、光伏电站自动化技术概述

（一）光伏电站自动化技术架构

光伏电站自动化技术是监视、控制光伏发电过程的业务系统和智能设备的技术总称。它由多个子系统组成，每个子系统完成一项或几项功能，主要由光伏电站计算机监控系统、光功率预测系统、功率控制系统、同步相量测量装置、电能量采集装置及支撑业务系统通信的网络和安全防护设备等子系统组成，光伏电站自动化系统典型结构及数据通信方式如图1-1所示。

1-1光伏电站自动化系统典型结构及数据通信方式

光伏电站计算机监控系统、功率控制系统、功率预测系统等子系统采用以太网组网的方式进行通信。光伏电站计算机监控系统实现电站逆变器、无功补偿等设备有功、无功值及断路器、开关位置状态等主要信息的自动采集、监视和数据处理;功率预测系统接收监控系统传送的有功值、实时气象采集装置传送的辐照度、温度等气象信息及数值天气预报传送的天气预报信息实现电站短期、超短期功率预测，为光伏电站合理安排检修计划提供辅助分析决策手段;同步相量测量装置采集母线、主变压器、线路的电压、电流和开关量信号，为电网运行动态监视与分析应用提供动态信息来源。为保障电力二次系统信息传输安全，光伏电站通过电力调度数据网将上述必要信息上传至调度主站，实现与各级调度机构实时生产数据的传输和交换，满足电网安全运行需要。

（二）光伏电站自动化系统功能概述

光伏电站现场自动化系统涉及子系统多，运行工况复杂。与光伏电站生产及日常运行密切相关的主要有计算机监控系统、功率预测系统、并网控制系统、相量测量装置及二次系统安全防护设备等。

1.计算机监控系统

（1）系统概述。

计算机监控系统主要实现光伏电站发电过程主要信号的自动采集、监视和数据处理，同时实现调度运行信息的自动上传，满足电网调度运行需要，是调度运行人员对现场由力生产过程最直接、最重要的监视工具。计算机监控系统通常采用分层分布式结构，由间隔层和站控层两部分组成。站控层设备包括各类面向全站管理的服务器、操作员站、远动通信装置及其他接口设备等;间隔层设备包括光伏逆变器、汇流箱、太阳跟踪系统、气象监测系统及辅助系统的通信控制单元，光伏发电单元规约转换器，保护和测控装置等设备。光伏电站升压站采用智能变电站设计的，监控系统由站控层、间隔层、过程层设备组成，过程层设备包括合并单元、智能终端、智能组件等。

（2）系统组成及功能。

光伏电站计算机监控系统按其功能由数据采集，规约转换数据处理，信息的发送、接收和执行，人机联系和时钟同步子系统5个子系统组成。

1）数据采集。数据可分为开关量和测量量两大类。开关量包括断路器和隔离开关位置。自动装置和继电保护的工作状态等。电网运行状态信息主要通过保护测控装置采集，信息源为一次设备辅助触点、保护测控装置及自动装置自身的工作状态及信号。电网运行量测数据通过保护测控装置采集，信息源为互感器∶光伏区升压站内大部分自动装置和继电保护的运行状态信息可基干IEC-5-或IEC等协议直接接入到站内监控网络，部分不能支持这些通信协议的自动装置基于通信管理机的规约转换接入。

光伏发电单元数据采集通常采用保护测控通信一体化装置，支持箱式变压器保护测控、支持规约转换、光纤环网通信接口等功能，实现发电单元内箱式变压器、逆变器、汇流箱的统一通信接入以及信息上传，支持对各逆变器的控制。

2）规约转换数据处理。对于采集到的数据，通常根据不同要求，加以适当的处理，如数字滤波、乘系数、越限判别、测量量越阈值检测、开关量变位检测等_

3）信息的发送、接收和执行。光伏电站端和调度端之间采用远动通信规约进行数据传输。光伏电站端接收的主要是调度端下达的遥控、遥调命令，执行结果分别由遥信和遥测反馈给调度端。

4）人机联系。人机联系是监控系统的重要组成部分，采用可视化技术，空现电网运行信息、气象数据、保护信息、一、二次设备运行状态等信息的运行监视和综合展示，并接受工作人员操作命令。

5）时钟同步子系统。光伏电站站内配置统一的同步时钟设备，对站控层各工作站及间隔层各测控单元等有关设备的时钟进行校正。一般情况下，站控层设备采用NTP/SNTP网络对时，间隔层、过程层设备通常采用直流IRIGB码对时。

2.相量测量装置

（1）装置概述。

电力系统运行状态为各母线电压向量（幅值和相角），由网络元件参数、表征网络拓扑连接特性的开关状态和边界条件（发电和负荷水平）决定。要实现对电力系统有效广域实时监控，就要建立一套完备的量测系统，以达到系统完全可观测。基于时间同步技术的同步相量测量单元能够以高精度直接测量测点的电压幅值和相角，为调度端电网运行动态监视与分析应用提供动态信息来源。

（2）装置组成及功能。

同步相量测量装置包括数据集中器和相量采集单元。相量采集单元可分布安装于各个继电保护小室或就地箱式变电站，用于采集母线、主变压器、电路的电压。由流和开关量信号，数据集中器对多台采集单元输出的同步相量信息进行汇集上送和本地存储，满足电网对光伏电站并网要求。

通过同步相量测量系统，可实现所接电器元件的三相电压、三相电流、有功/无功功率、系统频率、开关状态、GPS同步状态实时数据记录及暂态数据的离线分析、谐波分析。

装置与主站之间采用电力调度数据网通信方式，按主站的功能要求提供相关的实时数据、录波数据等，并且与多个主站（省调、分调、国调）通信时互不影响。

3.功率预测系统

（1）系统概述。

光伏发电功率预测技术是指研究分析光伏电站发电功率的影响因素及其变化规律，同时根据现有气象条件和光伏电站运行状态。采用适当的数学预测模型预测未来一定时段光伏电站功率的方法。

光伏申站功率预测系统是基于上述方法。借助计算机手段开发的功率预测技术支持系统。其能为光伏电站合理安排检修计划提供辅助分析决策手段，进而提高光伏发电利用时间和发电量，有助于电网调度机构及时制定科学的日运行方式，调整和优化常规电源的发电计划，提高电网的安全性和稳定性，同时降低因光伏发电并网而额外增加的旋转备用容量，改善电网运行的经济性。

（2）系统结构及功能。

光伏电站功率预测系统主要由实时气象采集系统、功率预测计算系统组成。

1）实时气象采集系统。实时气象采集系统实现对光伏电站现场实时辐照值。风速风向、温度、湿度、气压等气象要素的采集，并将实时采集的数据传输至功率预测计算子系统，作为功率预测的重要数据来源，硬件设备主要包括辐照仪、风速风向仪、温湿度传感器、数据采集通信设备等。一座光伏电站根据其覆盖面积及地形地貌特征可以设置一座或者多座气象采集器。气象采集器的设置要能准确反映整个光伏电站区的辐照强度等气象条件，满足光功率预测系统功能。气象采集信息是电站功率预测的重要数据源。

2）功率预测计算系统。功率预测计算系统包括数值天气预报系统和功率预测应用子系统。数值天气预报子系统主要提供多日气象预测信息如辐照量、气温、日昭时间等数据，并对其内部的天气预报数据进行进一步降尺度细化处理，更好地提高数值天气预报的精度。数值天气预报数据是进行功率预测的重要数据源。功率预测应用子系统用于接收实时气象和电站功率数据，依据系统预测模型，预测短期和超短期功率预测结果，并将数据上传至调度。

4.并网控制系统

（1）系统概述。

光伏电站功率控制是光伏发电并网控制的核心环节，其过程是通过光伏电站并网控制系统实现光伏发电的有功功率控制和无功功率控制。光伏电站并网校制系统是指安于电站内，自动接收调控（集控）中心下发的有功功率限制指令、电压（无功）目标指令，并通过自动闭环调节站内逆变器、无功补偿设备（SVC/SVG）等设备的有功/无功出力实时跟踪调控（集控）中心下发指令的系统，包括有功功率控制系统（AGC）和无功电压控制系统（AVC）。通过功率控制系统，电站可实现对电站发电功率的控制和电压的调整。

（2）系统结构及功能。

光伏电站功率控制系统结构如图1-3所示，其实现过程为;光伏AGC/AVC服务器和远动机及站内逆变器、SVC/SVG等设备都是接在同一个网络上（如果不能直接接入以太网，可以通过规约转换装置实现接入），服务器通过远动机向调度主站上送光伏电站AGC/AVC站内各种控制信息和实时数据;同时通过远动机接收调度主站下发的有功/无功电压控制和调节指令，服务器根据接受的指令。按照预先制定的控制策略进行计算，并将计算的结果或者命令通过网络下发到各个逆变器或者SVC/SVG装置，最终实现全站有功功率、无功功率/并网点电压的控制，达到电力系统并网技术要求。

1）有功功率控制系统（AGC）。在光伏电站中，光伏有功功率控制系统接收来自调度的指令或电站本地内的有功指令，并按照制定好的控制策略分配给光伏电站内的逆变器，逆变器根据分配有功功率值，实时调节有功功率，从而实现整个光伏电站有功分配和调节。

2）无功电压控制系统（AVC）。光伏电站自动电压控制系统接收来自调度的并网点电压目标值，通过控制策略实时调节并网逆变器、无功补偿设备（SVG/SVC）的无功补偿值或变电站升压变压器的分接头进行光伏电站内的整体无功补偿，从而使并网点电压处在正常运行范围内。与常规电站AVC调节不同之处是，光伏电站AVC调节首先调节逆变器的无功，其次调节无功补偿装置的无功。

3）柔性功率控制系统。柔性功率控制系统是在电站侧功率控制装置运行状态信息、SCADA信息、状态估计数据、光伏预测数据等多源数据整合的基础上，实现在电网各种运行方式下，满足各光伏送出断面和设备安全前提下，制订光伏实时发电计划，使得光伏发电功率最大。

与传统的有功功率控制系统相比，柔性功率控制系统在提高光伏发电的消纳能力和电网的安全稳定运行水平方面具有明显的优势。突出特点是能够实现光伏在线接纳能力评估、光伏电站发电计划执行情况、在线监视与涉网性能指标、在线考核评估等功能，系统有很强的实时性，能够解决由于各种原因引起的受限断面未充分利用问题。

5.二次系统安全防护

电力二次系统是指各级电力监控系统和调度数据网络，以及各级电网管理信息系统、电站管理信息系统、电力通信系统及电力数据通信网络等构成的大系统。通过建立电力二次系统安全防护体系，有效抵御黑客、恶意代码等各种形式的攻击，尤其是集团式攻击，重点是保障电力二次系统安全稳定，防止由此引起电力系统事故。

二次系统安全防护的总体策略为"安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证"。光伏电站基于现场二次系统的重要程度，划分为生产控制大区和管理信息大区，生产控制大区又分为控制区（安全区工）和非控制区（安全区Ⅱ）。光伏电站计算机监控系统、并网控制系统、相量测量装置位于安全工区，功率预测系统、信息申报与发布系统位干安全Ⅱ区，天气预报系统位于管理信息大区。二次系统安全防护工作的重要措施是做好各业务系统的边界防护，光伏电站安全Ⅰ区和安全Ⅱ区自动化系统之间设置防火墙，实现逻辑隔离，在生产控制大区与管理信息大区之间设置电力专用横向单向安全隔离装置，光伏电站生产控制大区自动化系统与调度主站通过电力调度数据网进行通信，且在纵向连接处设置有专用纵向加密认证装置。

6.信息申报与发布

信息申报与发布系统包含数据申报与信息发布两个功能模块。数据申报具备电站主体信息及逆变器特性参数申报，日前及日内功率受阻等运行信息申报，市场模式下电站各类竞价数据申报等;信息发布具备电网各类负荷预测信息发布，日前及日内短期交易信息发布，年、月、周、日及临时检修计划信息发布，日前及日内发电计划信息及计划校核信自发布，电站并网运行考核信息及辅助服务补偿信息发布，通知公告发布与监视等功能。信自由报与发布系统解决了传统外网Web或邮件传输导致的信息安全问题，为电站和调度机构信息沟通及数据交互搭建了便捷桥梁。

三、光伏电站自动化技术面临的挑战

（1）传统的电力监视手段不能满足光伏电站远程运维需要。

光伏电站监控与传统的电力监控相比，需要监视的设备更多、采集的数据点数量庞大，设备多数部署在荒漠无人地区，迫切需要能够远程全方位的协同维护，包括基于无线专网的移动检修、远程巡检、智能高级应用等。因此，需要探索如何在漕足由力一次安全防护要求的基础上，充分利用硬件资源。实现大量设备的接入和数据的处理，从而提升光伏电站运维效率。

（2）现有的功率预测技术不能适应超大规模光伏电站群调度运行需要。

与国外分布式光伏电站开发不同，我国光伏采用大规模集中式和分布式并举的开发模式。随着我国光伏申电站接入规模的增大，超大规模光伏电站群的出现，光伏电站功率预测作为电网调度运行的基础性数据在保障电网安全稳定运行方面的作用越来越大，现有的光伏功率预测技术及运行模式已不能适应电网调度运行的需要。为适应未来的光伏发展需求，首先需结合大数据、云计算、移动互联网等新技术，深入研究光伏功率预测模型与算法，进一步提高现有功率预测精度。其次完善适应我国光伏发电快速发展的功率预测评价和考核体系，激励光伏发电企业持续优化光伏功率预测精度的动力，使光伏发电功率预测技术朝着更高水平方向发展。

（3）现有的AGC/AVC技术不能适应超大规模尤其是含大量组患式光伏逆变器的光伏电站功率运行控制需求。

当光伏电站超出一定规模之后，随着容量的上升，逆变器的数量也不断增加，对AGC/AVC服务器的控制点数和计算速度及网络带宽将提出更高的运行控制需求。对干站内出现大规模组串式光伏逆变器的情形，对于传统AGC/AVC系统而言，控制目标逆变器数目相比集中式逆变器会出现几十倍级量的增加，这可能导致AGC/AVC系统出现控制计算、容量和通信等各方面的瓶颈。这种挑战的解决，除了要提高AGC/AVC服务器性能外，事要在AGC系统架构方面寻找突破口，比如在光伏方阵中增设方阵AGC装置的站内分层分布式的AGC系统架构。

光伏电站自动化技术是电网和电站安全运行的重要支撑工具，电站日常运行无时不在利用自动化技术。