光伏电站自动化技术及其应用

光伏电站自动化技术与应用全解析 

本书紧密联系光伏电站自动化专业工程实际，遵循理论与实践相结合、侧重实际应用的原则，全面系统地介绍了光伏电站自动化系统的原理、构成、运行维护及故障处理等方面的内容。本书主要内容和工程案例均来自于工程实际应用和光伏电站现场运维经验。本书共十章，分别为概述、光伏电站计算机监控系统、光伏电站同步相量测量技术、光伏电站功率预测技术、光伏电站功率控制技术、数据通信及规约、调度数据网、二次系统安全防护、光伏电站自动化并网验收管理、光伏电站自动化现场运维管理。

本书主编为祁太元，硕士，长期从事电力系统生产和管理工作，现任国网青海省电力公司副总经理。编写组成员包括青海省电力公司及青海省电力科学研究院的张洪平，沈全荣，俞海国，张节潭，李玉林，王光辉，鲜文军等。

目 录前 言 1章 概述 1节 太阳能资源分布 1一、全球太阳能资源分布 1二、我国太阳能资源分布 2第二节 光伏发电现状与趋势 2一、光伏发电现状 3二、我国光伏发电现状及发展趋势 3第三节 光伏电站自动化技术 3一、电力系统自动化技术的发展与应用 3二、光伏电站自动化技术概述 4三、光伏电站自动化技术面临的挑战 9第四节 小结 10第二章 光伏电站计算机监控系统 11节 概述 11一、计算机监控系统的形成与发展 11二、计算机监控系统的基本概念及特点 12第二节 计算机监控系统基本结构 12一、集中式计算机监控系统的结构及特点 12二、分层分布式计算机监控系统的结构及特点 14第三节 分层分布式计算机监控系统网络结构 16一、通信方式 17二、布置形式及其特点 23第四节 光伏电站计算机监控系统基本架构及构成 25一、光伏电站计算机监控系统架构 25二、光伏电站计算机监控系统站控层 26三、光伏电站计算机监控系统间隔层 30四、光伏电站计算机监控系统的主要功能 45五、光伏电站计算机监控系统配置案例 51第五节 计算机监控系统内部通信 52一、串口通信 53二、以太网通信 53三、站内数据通信实例 53第六节 光伏电站计算机监控系统日常运维 56一、常见故障查找方法 56二、常见装置故障类型及处理方法 57第七节 小结 60第三章 光伏电站同步相量测量技术 62节 概述 62一、同步相量测量技术发展现状 62二、同步相量测量系统基本概念 63三、同步相量测量技术 63四、同步相量测量装置 65五、电力系统实时动态监测系统 65第二节 同步相量测量装置 66一、基本原理 66二、功能结构 68三、技术要求 71四、数据采集 76五、装置的通信 79第三节 同步相量测量装置的运行维护 87一、日常运行要点 87二、装置日常维护及检测 87三、故障处理要点 89四、典型设备的故障处理 90第四节 相量测量系统发展展望 96一、未来同步相量技术发展的几个阶段 96二、实时动态监测系统技术的发展趋势 96三、我国电力系统需重点开展的工作 97第五节 小结 97第四章 光伏电站功率预测技术 99节 概述 99第二节 光伏发电功率输出影响因素 99一、太阳辐照强度 100二、太阳能电池板类型 102三、太阳能电池板温度 102四、现场方阵安装方式 102五、其他因素 103第三节 光伏发电功率预测基础 103一、数值天气预报基本概念 103二、功率预测方法分类 104三、短期功率预测方法 106四、超短期功率预测方法 107五、功率预测误差评价 109第四节 光伏电站功率预测系统 112一、系统组成 112二、系统建设要求 113三、系统功能 117四、资料收集 119第五节 光伏电站功率预测系统日常运维 121一、系统日常运维必要性 121二、系统日常运维要点 121三、系统日常运维流程 123四、系统常见故障处理 125五、系统预测准确率专项维护 129第六节 小结 132第五章 光伏电站功率控制技术 134节 光伏电站并网控制系统 134一、逆变器 134二、无功补偿装置 136三、光伏并网控制系统 141第二节 光伏电站有功功率控制 144一、有功功率控制要求 144二、有功功率控制系统 145三、有功功率特性测试 150四、基于日前发电计划的功率控制 151第三节 光伏电站无功功率控制 152一、电压控制要求 152二、无功电源和无功容量 153三、自动电压控制原理与实现流程 154四、光伏电站AVC系统配置及控制原则 158五、光伏电站AVC接入及调试 160第四节 光伏电站安全稳定控制与柔性功率控制 162一、大规模光伏发电接入后对电力系统稳定性的影响 162二、光伏发电安全稳定控制系统 165三、柔性功率控制系统 168第五节 光伏电站功率控制系统日常运维 172一、系统结构及组成 172二、系统功能与日常运维 176三、系统常见故障解决方法 186第六节 小结 188第六章 数据通信及规约 190节 数据通信 190一、数据通信的基本概念 190二、数据通信系统构成 190三、通信系统的分类 191四、光伏电站数据通信 192五、光伏电站数据通信基本故障及处理方法 198第二节 规约 198一、ISO-OSI模型 199二、IEC-60870-5-101规约 199三、IEC-60870-5-102规约 207四、IEC-60870-5-103规约 208五、IEC-60870-5-104规约 212六、数据通信规约常见故障及处理方法 218七、数据通信故障处理常用办法 219第三节 小结 219第七章 调度数据网 221节 计算机网络概述 221一、计算机网络的定义 221二、计算机网络的基本功能 222三、计算机网络中的基本概念 222四、衡量计算机网络的主要指标 224五、IP地址 224第二节 调度数据网 226一、网络技术体制 226二、调度数据网络组成 226三、接入网技术体制和要求 227四、虚拟子网（VPN）划分 228五、网络性能指标 228六、设备配置及业务接入方式 229七、网络管理 229第三节 网络设备 229一、路由器 230二、交换机 236三、调度数据网的配置原则 242第四节 调度数据网日常运维 242一、调度数据网故障排除 242二、日常运维要点 244第五节 小结 245第八章 二次系统安全防护 247节 二次系统 247一、二次系统概述 247二、二次系统安全风险 247第二节 二次系统安全防护 248一、防护目标及重点 248二、电力二次系统安全防护策略 249三、电力二次系统安全区域的划分 249四、业务系统分置原则 250五、光伏电站二次系统安全区的划分 250第三节 安全防护设备 250一、横向隔离装置 251二、硬件防火墙 252三、纵向加密认证装置 253四、安全防护设备的配置原则 254第四节 光伏电站二次系统安全防护重点 254一、规范电力二次系统建设前期工作 254二、规范二次安防现场运维管理 255第五节 小结 256第九章 光伏电站自动化系统并网验收 257节 光伏电站自动化系统并网验收的前期准备 257一、光伏电站并网条件 257二、自动化系统设备自验收 260三、自动化信息接入 261第二节 光伏电站自动化现场验收 263一、验收程序 263二、现场验收内容及要求 264三、验收报告 271第三节 光伏电站并网试运行及注意事项 272一、运行数据积累 272二、试运行期间易发缺陷 273三、光电功率预测系统试运行注意事项 274四、光伏电站改扩建后验收注意问题 274第四节 小结 274第十章 光伏发电站自动化现场运维管理 276节 光伏电站自动化运维管理机制 276一、组织机构的建立 276二、建立健全规章制度 276三、制度落实 277第二节 光伏电站自动化人员管理 278一、人员配备 278二、职责划分 278三、人员培训 279第三节 光伏电站自动化运行管理 279一、自动化设备资料管理 280二、自动化设备安全管理 280三、自动化系统可靠性管理 282第四节 光伏电站自动化设备维护及检修管理 282一、自动化设备维护管理 282二、自动化设备检修管理 284第五节 光伏电站自动化应急管理 287一、应急组织 287二、处理流程 287三、预案编制 288四、预案演练 289第六节 小结 289目 录前 言 1章 概述 1节 太阳能资源分布 1一、全球太阳能资源分布 1二、我国太阳能资源分布 2第二节 光伏发电现状与趋势 2一、光伏发电现状 3二、我国光伏发电现状及发展趋势 3第三节 光伏电站自动化技术 3一、电力系统自动化技术的发展与应用 3二、光伏电站自动化技术概述 4三、光伏电站自动化技术面临的挑战 9第四节 小结 10第二章 光伏电站计算机监控系统 11节 概述 11一、计算机监控系统的形成与发展 11二、计算机监控系统的基本概念及特点 12第二节 计算机监控系统基本结构 12一、集中式计算机监控系统的结构及特点 12二、分层分布式计算机监控系统的结构及特点 14第三节 分层分布式计算机监控系统网络结构 16一、通信方式 17二、布置形式及其特点 23第四节 光伏电站计算机监控系统基本架构及构成 25一、光伏电站计算机监控系统架构 25二、光伏电站计算机监控系统站控层 26三、光伏电站计算机监控系统间隔层 30四、光伏电站计算机监控系统的主要功能 45五、光伏电站计算机监控系统配置案例 51第五节 计算机监控系统内部通信 52一、串口通信 53二、以太网通信 53三、站内数据通信实例 53第六节 光伏电站计算机监控系统日常运维 56一、常见故障查找方法 56二、常见装置故障类型及处理方法 57第七节 小结 60第三章 光伏电站同步相量测量技术 62节 概述 62一、同步相量测量技术发展现状 62二、同步相量测量系统基本概念 63三、同步相量测量技术 63四、同步相量测量装置 65五、电力系统实时动态监测系统 65第二节 同步相量测量装置 66一、基本原理 66二、功能结构 68三、技术要求 71四、数据采集 76五、装置的通信 79第三节 同步相量测量装置的运行维护 87一、日常运行要点 87二、装置日常维护及检测 87三、故障处理要点 89四、典型设备的故障处理 90第四节 相量测量系统发展展望 96一、未来同步相量技术发展的几个阶段 96二、实时动态监测系统技术的发展趋势 96三、我国电力系统需重点开展的工作 97第五节 小结 97第四章 光伏电站功率预测技术 99节 概述 99第二节 光伏发电功率输出影响因素 99一、太阳辐照强度 100二、太阳能电池板类型 102三、太阳能电池板温度 102四、现场方阵安装方式 102五、其他因素 103第三节 光伏发电功率预测基础 103一、数值天气预报基本概念 103二、功率预测方法分类 104三、短期功率预测方法 106四、超短期功率预测方法 107五、功率预测误差评价 109第四节 光伏电站功率预测系统 112一、系统组成 112二、系统建设要求 113三、系统功能 117四、资料收集 119第五节 光伏电站功率预测系统日常运维 121一、系统日常运维必要性 121二、系统日常运维要点 121三、系统日常运维流程 123四、系统常见故障处理 125五、系统预测准确率专项维护 129第六节 小结 132第五章 光伏电站功率控制技术 134节 光伏电站并网控制系统 134一、逆变器 134二、无功补偿装置 136三、光伏并网控制系统 141第二节 光伏电站有功功率控制 144一、有功功率控制要求 144二、有功功率控制系统 145三、有功功率特性测试 150四、基于日前发电计划的功率控制 151第三节 光伏电站无功功率控制 152一、电压控制要求 152二、无功电源和无功容量 153三、自动电压控制原理与实现流程 154四、光伏电站AVC系统配置及控制原则 158五、光伏电站AVC接入及调试 160第四节 光伏电站安全稳定控制与柔性功率控制 162一、大规模光伏发电接入后对电力系统稳定性的影响 162二、光伏发电安全稳定控制系统 165三、柔性功率控制系统 168第五节 光伏电站功率控制系统日常运维 172一、系统结构及组成 172二、系统功能与日常运维 176三、系统常见故障解决方法 186第六节 小结 188第六章 数据通信及规约 190节 数据通信 190一、数据通信的基本概念 190二、数据通信系统构成 190三、通信系统的分类 191四、光伏电站数据通信 192五、光伏电站数据通信基本故障及处理方法 198第二节 规约 198一、ISO-OSI模型 199二、IEC-60870-5-101规约 199三、IEC-60870-5-102规约 207四、IEC-60870-5-103规约 208五、IEC-60870-5-104规约 212六、数据通信规约常见故障及处理方法 218七、数据通信故障处理常用办法 219第三节 小结 219第七章 调度数据网 221节 计算机网络概述 221一、计算机网络的定义 221二、计算机网络的基本功能 222三、计算机网络中的基本概念 222四、衡量计算机网络的主要指标 224五、IP地址 224第二节 调度数据网 226一、网络技术体制 226二、调度数据网络组成 226三、接入网技术体制和要求 227四、虚拟子网（VPN）划分 228五、网络性能指标 228六、设备配置及业务接入方式 229七、网络管理 229第三节 网络设备 229一、路由器 230二、交换机 236三、调度数据网的配置原则 242第四节 调度数据网日常运维 242一、调度数据网故障排除 242二、日常运维要点 244第五节 小结 245第八章 二次系统安全防护 247节 二次系统 247一、二次系统概述 247二、二次系统安全风险 247第二节 二次系统安全防护 248一、防护目标及重点 248二、电力二次系统安全防护策略 249三、电力二次系统安全区域的划分 249四、业务系统分置原则 250五、光伏电站二次系统安全区的划分 250第三节 安全防护设备 250一、横向隔离装置 251二、硬件防火墙 252三、纵向加密认证装置 253四、安全防护设备的配置原则 254第四节 光伏电站二次系统安全防护重点 254一、规范电力二次系统建设前期工作 254二、规范二次安防现场运维管理 255第五节 小结 256第九章 光伏电站自动化系统并网验收 257节 光伏电站自动化系统并网验收的前期准备 257一、光伏电站并网条件 257二、自动化系统设备自验收 260三、自动化信息接入 261第二节 光伏电站自动化现场验收 263一、验收程序 263二、现场验收内容及要求 264三、验收报告 271第三节 光伏电站并网试运行及注意事项 272一、运行数据积累 272二、试运行期间易发缺陷 273三、光电功率预测系统试运行注意事项 274四、光伏电站改扩建后验收注意问题 274第四节 小结 274第十章 光伏发电站自动化现场运维管理 276节 光伏电站自动化运维管理机制 276一、组织机构的建立 276二、建立健全规章制度 276三、制度落实 277第二节 光伏电站自动化人员管理 278一、人员配备 278二、职责划分 278三、人员培训 279第三节 光伏电站自动化运行管理 279一、自动化设备资料管理 280二、自动化设备安全管理 280三、自动化系统可靠性管理 282第四节 光伏电站自动化设备维护及检修管理 282一、自动化设备维护管理 282二、自动化设备检修管理 284第五节 光伏电站自动化应急管理 287一、应急组织 287二、处理流程 287三、预案编制 288四、预案演练 289第六节 小结 289

我国太阳能资源丰富，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。近年来，太阳能发电在我国得到了快速发展。青海是我国太阳能资源富集省份，是我国重要的太阳能发电基地，在2011年青海建成了世界上首个百万千瓦级的大规模集中式光伏发电基地。随着国家新能源开发和全球能源互联网战略的推进，我国以太阳能和风能为代表的新能源发电必将迎来新的快速发展时期。光伏发电的发展带动了光伏发电自动化技术的进步。如今，新一代光伏电站自动化技术愈发成熟并应用于电站运行控制的各个方面，为电站的安全稳定运行起到了极大的支撑作用。光伏电站自动化技术主要包括计算机监控技术、相量测量技术（PMU）、功率预测技术、自动发电控制技术（AGC）、自动电压控制技术（AVC）、数据通信技术、调度数据网和二次安全防护技术等，这些技术和配套的实时控制系统在集中式光伏电站得到了广泛应用。青海作为我国大规模集中式光伏发电发展早的省份，面向大规模集中式光伏发电的新一代电网调度控制技术和电站自动化技术较早地在青海电网得到应用，在保障电网安全、促进网源协调控制、提高光伏消纳能力等方面取得显著成效。本书对集中式光伏电站自动化技术和自动化系统进行了系统而全面的介绍。本书的主要内容均来自于工程实际应用和光伏电站现场运维经验。本书对普及光伏电站自动化技术，提升系统应用水平，提高电站运维人员技术水平和业务素质，保障厂网安全稳定运行将起到积极的促进作用。本书包括光伏电站计算机监控技术、功率预测技术、功率控制技术、相量测量技术、二次系统安全防护技术、调度数据网、数据通信及规约等十章内容。章简要介绍了太阳能资源分布情况和光伏发电现状与发展趋势，描述了光伏电站自动化技术的结构，并对自动化系统功能进行了简要概述；第二章主要介绍了光伏电站计算机监控系统的主要结构、功能，并对现场日常运维常见故障和处理方法进行了阐述；第三章主要论述了同步相量测量技术、同步相量测量装置的功能及体系结构，并给出了同步相量测量装置的日常运维方法；第四章主要论述了光伏电站功率预测技术、功率预测系统的组成及功能，并对功率预测系统的日常应用及维护要点进行了介绍；第五章主要介绍了光伏电站并网控制系统的主要组成设备及技术性能，论述了光伏电站有功功率控制、无功功率控制及安全稳定控制的技术要求和实现策略并给出了功率控制系统的运维实例；第六章主要描述了光伏电站数据通信的基本模型和基本流程，并简要介绍了数据通讯传输所需的规约；第七章主要讲述了计算机网络和调度数据网基础知识；第八章主要讲述了光伏电站电力二次系统及其面临的风险、防护措施；第九章主要描述了光伏电站并网验收前期管理、现场验收及试运行等方面对光伏电站自动化专业并网验收全过程进行了阐述：第十章主要阐述了光伏电站自动化运维中应关注的事项，并介绍了电站自动化设备巡视、运维及检修操作的具体流程。本书由国网青海省电力公司牵头组织编写。由祁太元、张洪平、沈全荣担任主编，俞海国、张节潭、李玉林、王亦婷、方保民、张海宁、陈松涛、贺岺、董耀等担任副主编，上述人员均是集中式光伏电站自动化技术工程应用与管理的组织者和工作负责人。编写组成员则是近几年直接参与电站自动化系统的建设、工程实施、验收、运维和运行管理工作的专家及工作人员。本书在编写过程中，得到了国网青海省电力公司电力科学研究院、青海省光伏发电并网技术重点实验室、中国华能集团公司青海分公司、国网青海省电力公司海西供电公司、国网青海省电力公司海南供电公司、南京南瑞继保电气有限公司等单位领导专家的热忱帮助和指导，在此对他们的辛勤工作表示诚挚的感谢。同时，还要衷心感谢中国电力出版社，是他们的热情帮助和大力支持，才使本书得以与读者见面。本书在编写过程中，借鉴了大量的资料。若存在某些引用资料未出现在参考文献中，请及时联系我们，以便再版时予以补正。光伏电站自动化技术仍处在不断地发展之中，相关的技术和运维经验仍有待提高和积累，限于作者水平，书中难免有疏漏和错误之处，敬请读者批评指正。 编 者2016年3月我国太阳能资源丰富，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。近年来，太阳能发电在我国得到了快速发展。青海是我国太阳能资源富集省份，是我国重要的太阳能发电基地，在2011年青海建成了世界上首个百万千瓦级的大规模集中式光伏发电基地。随着国家新能源开发和全球能源互联网战略的推进，我国以太阳能和风能为代表的新能源发电必将迎来新的快速发展时期。光伏发电的发展带动了光伏发电自动化技术的进步。如今，新一代光伏电站自动化技术愈发成熟并应用于电站运行控制的各个方面，为电站的安全稳定运行起到了极大的支撑作用。光伏电站自动化技术主要包括计算机监控技术、相量测量技术（PMU）、功率预测技术、自动发电控制技术（AGC）、自动电压控制技术（AVC）、数据通信技术、调度数据网和二次安全防护技术等，这些技术和配套的实时控制系统在集中式光伏电站得到了广泛应用。青海作为我国大规模集中式光伏发电发展早的省份，面向大规模集中式光伏发电的新一代电网调度控制技术和电站自动化技术较早地在青海电网得到应用，在保障电网安全、促进网源协调控制、提高光伏消纳能力等方面取得显著成效。本书对集中式光伏电站自动化技术和自动化系统进行了系统而全面的介绍。本书的主要内容均来自于工程实际应用和光伏电站现场运维经验。本书对普及光伏电站自动化技术，提升系统应用水平，提高电站运维人员技术水平和业务素质，保障厂网安全稳定运行将起到积极的促进作用。本书包括光伏电站计算机监控技术、功率预测技术、功率控制技术、相量测量技术、二次系统安全防护技术、调度数据网、数据通信及规约等十章内容。章简要介绍了太阳能资源分布情况和光伏发电现状与发展趋势，描述了光伏电站自动化技术的结构，并对自动化系统功能进行了简要概述；第二章主要介绍了光伏电站计算机监控系统的主要结构、功能，并对现场日常运维常见故障和处理方法进行了阐述；第三章主要论述了同步相量测量技术、同步相量测量装置的功能及体系结构，并给出了同步相量测量装置的日常运维方法；第四章主要论述了光伏电站功率预测技术、功率预测系统的组成及功能，并对功率预测系统的日常应用及维护要点进行了介绍；第五章主要介绍了光伏电站并网控制系统的主要组成设备及技术性能，论述了光伏电站有功功率控制、无功功率控制及安全稳定控制的技术要求和实现策略并给出了功率控制系统的运维实例；第六章主要描述了光伏电站数据通信的基本模型和基本流程，并简要介绍了数据通讯传输所需的规约；第七章主要讲述了计算机网络和调度数据网基础知识；第八章主要讲述了光伏电站电力二次系统及其面临的风险、防护措施；第九章主要描述了光伏电站并网验收前期管理、现场验收及试运行等方面对光伏电站自动化专业并网验收全过程进行了阐述：第十章主要阐述了光伏电站自动化运维中应关注的事项，并介绍了电站自动化设备巡视、运维及检修操作的具体流程。本书由国网青海省电力公司牵头组织编写。由祁太元、张洪平、沈全荣担任主编，俞海国、张节潭、李玉林、王亦婷、方保民、张海宁、陈松涛、贺岺、董耀等担任副主编，上述人员均是集中式光伏电站自动化技术工程应用与管理的组织者和工作负责人。编写组成员则是近几年直接参与电站自动化系统的建设、工程实施、验收、运维和运行管理工作的专家及工作人员。本书在编写过程中，得到了国网青海省电力公司电力科学研究院、青海省光伏发电并网技术重点实验室、中国华能集团公司青海分公司、国网青海省电力公司海西供电公司、国网青海省电力公司海南供电公司、南京南瑞继保电气有限公司等单位领导专家的热忱帮助和指导，在此对他们的辛勤工作表示诚挚的感谢。同时，还要衷心感谢中国电力出版社，是他们的热情帮助和大力支持，才使本书得以与读者见面。本书在编写过程中，借鉴了大量的资料。若存在某些引用资料未出现在参考文献中，请及时联系我们，以便再版时予以补正。光伏电站自动化技术仍处在不断地发展之中，相关的技术和运维经验仍有待提高和积累，限于作者水平，书中难免有疏漏和错误之处，敬请读者批评指正。 编 者2016年3月