摘 要：隨著全球氣候變化和能源需求的不斷增長，清潔能源以及變成了各國能源政策和發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。然而在電力系統(tǒng)中對電能質(zhì)量的要求很高。電能質(zhì)量分為電壓質(zhì)量和頻率質(zhì)量，電力系統(tǒng)的電壓和頻率的變化，都可以給電廠以及相關(guān)用戶帶來嚴重的后果。為保證光伏發(fā)電的安全性，需要采用一套既能夠保證發(fā)電的安全性，又能夠保證發(fā)電的質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)性的保護方案。
關(guān)鍵詞：清潔能源；頻率；發(fā)電安全；
一、概述
太陽能光伏發(fā)電是一種利用太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的清潔能源技術(shù)，具有可再生、無污染、可持續(xù)等優(yōu)點。在近年來，隨著全球?qū)Νh(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重視，太陽能光伏發(fā)電得到了越來越廣泛的應(yīng)和推廣。[1]電力系統(tǒng)中,對電能質(zhì)量要求很高,尤其是頻率質(zhì)量。在國內(nèi)電力系統(tǒng)中額定頻率為50Hz,頻率偏差為±0.2Hz。根據(jù)電力系統(tǒng)的容量,頻率偏差放寬到±0.5Hz;用戶沖擊引起的頻率偏差一般不得超過±0.2Hz。[2]因此配置一套一套既能夠保證發(fā)電的安全性，又能夠保證發(fā)電的質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)性的保護方案尤為重要。
廣西省大塘至浦北高速公路光伏發(fā)電項目（以下簡稱“本項目”）是響應(yīng)國家“優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提供更加清潔、可靠的能源”的號召，投資建設(shè)的分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范項目。
本項目位于欽州市大塘至浦北高速公路浦北縣大片坡村段，利用高速公路沿線邊坡建設(shè)分布式光伏發(fā)電站，項目采用“全額上網(wǎng)”模式，利用高速公路沿線斜坡建設(shè)分布式光伏發(fā)電項目，總建設(shè)規(guī)模約為2.43MWp。通過原有10KV沙井線鳳凰頭聯(lián)絡(luò)支24號桿接入電網(wǎng)的接入系統(tǒng)，屬于欽州市供電公司管理范圍。
本期項目采用高效光伏組件，總?cè)萘繛?.43MW，本項目電量結(jié)算原則為：全額上網(wǎng)。項目計劃2025年4月底建成投產(chǎn)。本項目二次設(shè)計選用安科瑞Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，光伏監(jiān)控平臺在配套操作系統(tǒng)下運行，使得本地保護、監(jiān)控方案更為穩(wěn)定可靠。通過本次分布式光伏的投建與實施，為用戶提供了清潔、可再生的電力能源，有助于減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低碳排放。
圖1 廣西電網(wǎng)接入批復(fù)文件圖
本文介紹光伏電站接入系統(tǒng)方案的論證，系統(tǒng)繼電保護及安全自動裝置、系統(tǒng)通信、系統(tǒng)調(diào)度自動化方案研究等。
圖2 項目現(xiàn)場圖
二、解決方案
本項目為屋頂分布式光伏項目，該期項目的容量為2.43MW，項目采用全額上網(wǎng)的消納方式。新增并網(wǎng)點設(shè)置光伏出線柜柜，計量柜，PT柜，光伏進線柜。新增的光伏系統(tǒng)配置自動化系統(tǒng)，實時采集并網(wǎng)信息，信息上傳至當?shù)卣{(diào)控中心DMS系統(tǒng)。光伏發(fā)電逆變器電源電壓為800V，經(jīng)箱變升壓變升壓至10kV后,通過高壓電纜接入新增的10kV光伏進線柜,通過并網(wǎng)柜并入原有10KV沙井線。項目采用Acrel-1000DP光伏監(jiān)控平臺。監(jiān)控平臺具有對全站數(shù)據(jù)的實時觀測、事故告警提示等功能。
圖3 項目電站編號圖
三、技術(shù)方案
本項目規(guī)模約為2.43MWp，利用高速公路沿線空地建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)鍵設(shè)備光伏組件、逆變器、變壓器等采用國內(nèi)知名產(chǎn)品。分布式光伏系統(tǒng)所發(fā)電量采用全額上網(wǎng)。本項目光伏發(fā)電系統(tǒng)所輸出的直流電經(jīng)組串式逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后，就地升壓至10KV，經(jīng)開關(guān)柜通過1回出線接入至一次倉10KV并網(wǎng)柜母線，并網(wǎng)柜傳輸光伏發(fā)電至柱上開關(guān)進行并網(wǎng)。本工程規(guī)劃擬建裝機容量為2.9162MWp，交流側(cè)容量為2.43MW，按照光伏電站使用壽命25年進行計算得到，本項目平均每年發(fā)電容量為283.81萬KWh，25年總共發(fā)電量為7095.31萬KWh，計劃投產(chǎn)時間2025年，擬采用“全額上網(wǎng)”模式。
4.1升壓變壓器及高低壓配電設(shè)備
本項目配備一臺三相交流1000KVA的干式變壓器、一臺三相交流800KVA的干式變壓器、一臺三相交流400KVA的干式變壓器。額定電壓10.5±2×2.5%/0.8kV，接線組別為Dy11。交流頻率為50Hz,可以戶外使用，能效等級滿足國家規(guī)范要求。
圖4 新建光伏一次圖
4.2繼電保護及安全自動裝置
本光伏電站內(nèi)主要電氣設(shè)備采用微機保護，以滿足信息上送。元件保護按照《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》（GB14285－2006）配置。
（1）防孤島檢測
分布式電源應(yīng)具備快速監(jiān)測孤島且立即斷開與電網(wǎng)連接的能力，防孤島保護動作時間不大于2S,其防孤島保護應(yīng)與配電網(wǎng)側(cè)線路重合閘和安全自動裝置動作時間相配合。在本光伏電站并網(wǎng)點裝設(shè)防孤島保護裝置，防止產(chǎn)生非計劃性孤島。
（2）頻率電壓緊急控制裝置
頻率電壓緊急控制裝置是電力系統(tǒng)中保障頻率和電壓的關(guān)鍵安全設(shè)備。主要用于應(yīng)對系統(tǒng)發(fā)生嚴重擾動時，頻率或電壓超過安全范圍的緊急場景。根據(jù)南方電網(wǎng)調(diào)度批復(fù)文件的要求，光伏電站應(yīng)具備一定的耐受系統(tǒng)頻率異常的能力，應(yīng)能夠在低壓48Hz時能夠根據(jù)光伏電站逆變器允許運行的最低頻率或電網(wǎng)要求，頻率在48Hz-49.5Hz時要求至少能運行10分鐘。頻率在49.5Hz-50.2Hz時要求系統(tǒng)能夠連續(xù)運行。頻率在50.2Hz-50.5Hz時要求每次頻率高于50.2Hz時，光伏電站應(yīng)具備能夠連續(xù)運行兩分鐘的能力，同時具備0.2秒內(nèi)停止向電網(wǎng)線路送電的能力，實際運行時間由電力調(diào)度部門決定:此時不允許處于停運狀態(tài)的光伏電站并網(wǎng)。頻率在高于50.5Hz時要求在0.2秒內(nèi)停止向電網(wǎng)線路送電，且不允許處于停運狀態(tài)的光伏電站并網(wǎng)。
（3）電能質(zhì)量監(jiān)測裝置
分布式光伏項目對接入國網(wǎng)的電能質(zhì)量有著相應(yīng)的要求。根據(jù)國家標準，光伏發(fā)電項目的電能質(zhì)量應(yīng)符合《GB/T 15543-2008 光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》等相關(guān)標準。這些標準規(guī)定了光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量參數(shù)，包括電壓、電流、頻率、諧波含量等，以確保光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和電能質(zhì)量的可靠性。
（4）AGC/AVC裝置
根據(jù)南網(wǎng)調(diào)度部門的設(shè)計要求分布式光伏項目對接入南網(wǎng)需要滿足《光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（GB/T 29319-2024）》。配置AGC/AVC裝置可以實現(xiàn)對逆變器有功功率和無功功率進行調(diào)節(jié)，滿足設(shè)計所要求的“四可(可觀、可測、可控、可調(diào)）”。
圖5 AGC/AVC配置圖
（5）態(tài)勢感知裝置
根據(jù)《南方電網(wǎng)分布式新能源并網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全防拍方案》（辦總調(diào)（2022）7號附件1）分布式新能源場站配置配網(wǎng)安全防護裝置，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全威脅的實時監(jiān)測與審計，上送電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知系統(tǒng)。配置態(tài)勢感知裝置能夠及時的監(jiān)測出潛在風(fēng)險，在遭遇風(fēng)險攻擊時能夠及時發(fā)出告警。
圖6 態(tài)勢感知監(jiān)視圖
四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本項目光伏電站配置一套綜合自動化系統(tǒng)，采用安科瑞電氣股份有限公司所提供的Acrel-1000DP分布式光伏電力監(jiān)控系統(tǒng)具有保護、控制、通信、測量等功能，可實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)、開關(guān)站的全功能綜合自動化管理。本項目逆變器、高低壓設(shè)備等狀態(tài)信號均接入本監(jiān)控系統(tǒng)。
本項目光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)包括兩部分：站控層和就地層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為開放式分層、分布式結(jié)構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與就地層相連,就地層按照不同的功能、系統(tǒng)劃分，以相對獨立的方式分散在逆變器區(qū)域或箱變中，在站控層及網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，就地層仍能獨立完成就地各電氣設(shè)備的監(jiān)測。計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過遠動工作站GPRS公網(wǎng)與欽州市電力公司實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。
站控層由計算機網(wǎng)絡(luò)連接的服務(wù)器、操作員站、遠動站等組成，提供站內(nèi)運行的人機界面，實現(xiàn)管理控制就地層設(shè)備等功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并具備與遠方控制中心通信的接口。
就地層設(shè)備由智能測控單元、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊單元、逆變器數(shù)據(jù)采集單元、多功能電能表等構(gòu)成，主要電氣設(shè)備包括逆變器、箱變、并網(wǎng)開關(guān)。它直接采集處理現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給站控層監(jiān)控主站，同時接收站控層發(fā)來的控制操作命令，經(jīng)過有效性判斷、閉鎖檢測、同步檢測等，最后對設(shè)備進行操作控制。
站控層與就地層之間的通訊網(wǎng)絡(luò)采用GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)。
每個光伏發(fā)電單元配帶無線發(fā)射功能的數(shù)據(jù)采集裝置，采集每組光伏組件數(shù)據(jù)，逆變器參數(shù)，測控裝置、智能計量表計的數(shù)據(jù)，打包后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)視。
圖7 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)功能
4.1. 實時監(jiān)測
Acrel-1000DP分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)人機界面友好，在主界面可以之間查看到光伏系統(tǒng)的站點信息，以及裝機信息，同時也可以直觀的查看到總發(fā)電功率、日發(fā)電量、累計發(fā)電量，同時具有發(fā)電功率曲線界面以及累計發(fā)電量的直方圖，方便用戶更加直觀的監(jiān)測發(fā)電信息。
圖8 實時監(jiān)測主界面功能圖
4.2. 電能質(zhì)量監(jiān)視
在電能質(zhì)量監(jiān)控圖中，可以直接查看電流電壓總有效值、電壓波動、電壓總畸變、正反向有功電能、有功、無功功率等電能質(zhì)量信息。可以根據(jù)這些信息監(jiān)測現(xiàn)場電能的質(zhì)量，及時的做出應(yīng)對方案。
圖9 電能質(zhì)量監(jiān)視界面圖面功能圖
4.3. 實時報表監(jiān)測
在實時報表監(jiān)測界面中，用戶可以根據(jù)需求直接選擇所想要查看數(shù)據(jù)的設(shè)備，能查詢各回路或設(shè)備實時的運行參數(shù)，報表中顯示的電參量信息應(yīng)包括：各相電流、三相電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率、電能，遙信量等。遙測量包括實時值（處于不同狀態(tài)時應(yīng)給以不同顏色區(qū)分）、測點狀態(tài)（越限、置入、通信異常等）、日最值及其發(fā)生時間、日平均值等。遙信量包括實時值（處于不同狀態(tài)時應(yīng)給以不同顏色區(qū)分）、測點狀態(tài)（置入、通信異常等）、日變位次數(shù)等，報表可以導(dǎo)出和打印。
圖10 實時報表監(jiān)測功能圖
4.4. 歷史曲線監(jiān)測
歷史曲線是時間序列數(shù)據(jù)的可視化工具，通過記錄電壓、電流、功率、頻率、設(shè)備狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)隨時間的變化軌跡，為電網(wǎng)運行、設(shè)備管理、故障診斷及優(yōu)化決策提供核心支撐。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，可以通過歷史曲線定位故障源頭、分析演變過程。電力設(shè)備（如變壓器、斷路器、電纜）的故障往往有“潛伏期”，歷史曲線通過記錄設(shè)備運行參數(shù)的長期趨勢變化，可提前識別異常，避免突發(fā)停機。電能質(zhì)量指標（如電壓偏差、頻率波動、諧波畸變率）直接影響用電設(shè)備的壽命和電網(wǎng)穩(wěn)定性，歷史曲線是定位污染源、評估治理效果的核心依據(jù)。電力系統(tǒng)的線損（電能傳輸損耗）、無功損耗等與運行方式密切相關(guān)，歷史曲線可幫助挖掘節(jié)能潛力，降低運營成本。
圖11 實時曲線監(jiān)測功能圖
五、結(jié)論
對在碳中和的大背景下，光伏和新能源車密不可分，總體思路是光伏發(fā)電、新能源車用電，構(gòu)建一條豐富完整的產(chǎn)業(yè)鏈條，既達到碳消耗不斷降低，又能為經(jīng)濟增長持續(xù)賦能的新能源產(chǎn)業(yè)拓寬發(fā)展路徑。同時擁有一套能夠保障電力安全的系統(tǒng)具有必要性。我司提供的電力監(jiān)控系統(tǒng)方案能夠為用戶、電網(wǎng)助力分布式光伏高比例有序并網(wǎng)，強化分布式光伏的統(tǒng)一管控，具有能夠推動分布式光伏和大電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行，搭建數(shù)據(jù)透明、調(diào)控便捷、能源互動的新型分布式新能源調(diào)度管理的體系。