光伏电站发电场区内通讯故障的研究

光伏电站发电场区内通讯故障的研究柴庆振中国水利水电第十三工程局有限公司摘要：大型光伏电站布置面积大，集电线路及设备繁多，再加上光伏电站施工大都施工期限较短，可能存在的设计不合理、技术人员水平偏低等因素，容易造成运行维护期间的较高故障率，使运维困难度及运维成本加大。光伏电站的站内通讯，是监测电站内所有设备运行状态的最主要的手段。但逆变器、大电流集电电缆及设备的存在，是对通讯电缆抗干扰能力的严峻考验。文章分析了产生干扰的原因，并提出了解决方案。关键词：通讯；干扰；电缆敷设间距；接地方式0引言随着人类对地球环境越来越重视，全球能源危机越来越严重，开发和利用清洁的可再生能源势在必行。太阳能发电作为一种清洁的低碳排技术，具有布置简单及维护方便等特点，越来越受到各国的普遍关注[1]。光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势，截止2015年，我国光伏装机容量排在全球首位，已达17.8GW。随着光伏电站装机容量的不断增大，运行维护成本及工作量的不断增加，光伏电站正向无人值守、智能化的方向发展。大型光伏电站占地面积广，安装有众多汇流箱、逆变器、变压器等集电设备及辅助系统设备（电话、消防等）。在运行维护期，运维人员的日常巡检无法将所有设备全部检查到位，仅能每日分批、有重点的进行巡检，此时所有设备的通讯可靠性就显得尤为重要。本文依托阿尔及利亚233光伏电站工程，就光伏场区内发生过的通讯故障进行分析，探讨解决方案。1光伏电站内易受干扰的长距离通讯光伏电站场区内需要与主控室进行数据通讯的主要设备为汇流箱、逆变器及变压器。光伏电站按1MW分为1个发电单元，每个发电单元内的所有数据先汇集入逆变器内通讯管理机，再通过光纤与主控室进行数据交换。电话通讯及消防探测系统属于电站辅助系统，以阿尔及利亚光伏233电站为例，电话系统在每个箱变及逆变内设有话机，消防探测系统在每个箱变及逆变内设有感应探头及报警器。1.1光伏汇流箱通讯本工程汇流箱采用RS485通讯技术，利用双重屏蔽双绞线将每路6-10个汇流箱连接成485网络。电站施工期间，此通讯电缆采用多点接地方式，内外屏蔽层未分开接地。逆变器房设计较为紧凑，四角均有动力电缆进线，而且工程设计中未给通讯电缆设计专用通道，导致实际施工过程中，通讯电缆与动力电缆平行间距和交叉间距不足，逆变器与箱变之间尤为严重。电站发电运行后，烧毁数个逆变器内的通讯管理机，工作人员只能切断所有汇流箱通讯。排查时，发现屏蔽层对地有打火现象。1.2变压器室及逆变器室与主控室间的消防报警通讯在箱变及逆变室内，装有烟雾感应器，并在室外设有报警按钮及警笛，采用RS485通讯与主控室进行数据传输。所用电缆分为24V直流电源电缆和485通讯电缆。本工程24V直流电缆采用无屏蔽层的2X2.5mm²平行电缆，通讯电缆采用2x1.5mm²单屏蔽平行电缆，设计中与30KV共沟直埋敷设，间距200mm。在实际施工中，无法避免的很多地方间距小于此值，甚至有贴在一起的情况。电站并网运行后，出现大量误报、警笛乱响等现象，只得将其关闭，查找问题原因。1.3主控室与方阵内箱变及逆变房的电话通讯本工程电话电缆采用HBV-2x0.5mm²电话线，与消防电缆敷设方式相同，均为与30KV电缆同沟直埋敷设，间距200mm。在电站并网运行后，除临近中控室的几个箱变逆变内的电话机可勉强正常通讯外，其余大部分电话的铃声间歇性响动，无法播出和接收电话。2产生干扰的原因2.1电缆敷设方式及选型汇流箱通讯电缆宜用双重屏蔽双绞线[2]，可有效屏蔽电磁干扰。本工程中采用此通讯电缆连接汇流箱组成RS485通讯网络，在进入逆变器室时，采用成束与动力电缆并行进入逆变器内，无专用通道，且与动力电缆间几乎紧贴。在《GB-50311-2007综合布线工程规范》中，对电缆间距的规定见表1。逆变至箱变的动力电缆为315V，功率最高峰时每根电缆上有近200A的电流，据表1中规定可知，通讯电缆与其平行敷设间距应大于600mm，在本工程实际施工中远未达到此要求。类别与综合布线接近状况最小间距(mm)380V电力电缆％2kV·A与缆线平行敷设130有-方在接地的金属线槽或钢管中70双方都在接地的金属线槽或钢管中①10①380V电力电缆2～5kV·A与缆线平行敷设300有-方在接地的金属线槽或钢管中150双方都在接地的金属线槽或钢管中②80380V电力电缆>5kV·A与缆线平行敷设600有-方在接地的金属线槽或钢管中300双方都在接地的金属线槽或钢管中②150表1380V电力电缆与综合布线间距消防系统中的24V直流电源电缆与电话线相同，均未有屏蔽层。消防通讯电缆为单屏蔽平行电缆，且与30KV电缆共沟直埋。在《GB-50217-2007电力电缆敷设规范》中，对高压电缆直埋的规定为：35KV和0.4KV电力电缆与通讯电缆（光纤及485等通讯电缆）之间的净距，平行时0.5m，交叉时0.5m。在本工程中，设计间距不足，且电话及消防电源电缆附近有干扰源情况下，无屏蔽层，导致在电缆上产生了很强的干扰交流电。2.2通讯电缆接地方式汇流箱通讯采用双重屏蔽双绞通讯电缆，在电力电缆敷设规范中对此种电缆接地[3]描述如下：双重屏蔽或复合式屏蔽，易对内、外屏蔽分别采用一点、两点接地。本工程施工期间，将内外屏蔽层作为一层采用单端接地，无法充分发挥双重屏蔽层抗干扰的优势，在电磁干扰较大时力所不及。2.3设备间接地的不连续工程施工中，由于工期紧张及工作人员的疏忽大意，可能造成汇流箱所在支架接地未与逆变、箱变所接接地网连好，以致地电位间存在电位差。无论汇流箱通讯还是消防485的通讯，在其各个节点上都会因动力电缆的存在而产生干扰电磁场。这些因素致使在通讯电缆上产生了共模干扰，当共模干扰的电压达到大于12V或小于-9V，超过485总线的极限接受电压时，接收器将无法正常工作，甚至烧毁芯片和通讯设备。2.4通讯接线的不规范或不正确通讯电缆接线时应尽量保证其屏蔽层的长度，若仅为了布线方便，将其屏蔽层剥除过长，在逆变器的高频干扰及电力电缆、母线的低频干扰下，必严重影响数据传输的可靠性。通讯电缆接地线连接不牢固、虚接、接错甚至未接等都将造成无法正常通讯甚至烧毁通讯设备的后果。3消除干扰的方法3.1电缆重新选型、布置，远离干扰源本工程中，电话线和消防电缆在与30KV电缆同沟直埋时，电缆间距不足，且考虑到电缆沟已回填完毕，因此需将电话线和消防电缆另寻路径敷设，使其与30KV电缆分开，保证平行敷设距离大于1米，交叉大于0.5米。不带屏蔽的电话线由带屏蔽层的网线代替敷设，消防24V电源电缆改为直接在逆变器内引24V电源，不再由中控室提供电源，改用单屏蔽平行电缆敷设，消防通讯电缆改用双重屏蔽双绞线敷设。3.2更改电缆屏蔽层接地方式对于双重屏蔽双绞线，外屏蔽层采用多点接地方式，即在每一个设备节点上接地，一方面用于屏蔽电磁干扰，另一方面做接地线，将设备间地电位拉平，抑制共模干扰。内屏蔽层采用单端接地方式，即仅在信号接收端统一接地，并保证接地的可靠性。其余单屏蔽通讯电缆均采用单端接地方式。3.3改进485通讯能力a.加装EMI滤波器和匹配电阻[4]。RS485总线随着传输距离的延长，会产生回波反射信号，如果485总线传输距离超过100米，可加装EMI滤波器和120欧姆匹配电阻，能有效抑制高频和回波信号，但对工频干扰无能为力。若线路较长且仅为在通讯线路末端位置的通讯设备不能正常通讯时，可只在485A与485B之间跨接120欧姆匹配电阻即可。b.加装RS485光电隔离器[5]。此隔离器能防雷电和抗静电放电冲击，并大大降低电磁干扰，延长通讯距离，减少回波反射，保护通讯设备。3.4检查光伏场区接地网必须确保逆变器变压器室之间、各发电单元间、各光伏板支架间及光伏板支架与大地网间接地的良好性、可靠性，消除地电位的影响。4结论大型光伏电站因其固有的特点，通讯干扰在所难免，但优化工程设计、提高施工质量可大大减少干扰源，降低电站运维期的维护成本。a.电缆敷设应严格按照国家标准相关规定敷设，间距应保证只大不小。b.电缆的选型应充分考虑现场实际状况及抗干扰能力，RS485通讯宜采用双重屏蔽双绞线，其余厂区通讯电缆可视情况改为网线或光纤。c.发生通讯故障时，应对所有可能影响通讯质量的因素逐个排查处理，适当增加辅助设备可提高通讯可靠性。d.可选择4G通讯[6]等先进无线通讯技术。4G通讯作为新型通讯技术正逐步运用至大型光伏电站中，但其作为新技术成本较高，系统的抗干扰能力还有待提升，现只适用于规模较小，自动化程度较高的光伏电站。5结束语随着光伏电站建设规模的不断增加，无人值守、智能化光伏电站成为发展的趋势，后期光伏电站建设中通讯技术的研究就显得尤为重要。希望本文能给设计和施工人员一点帮助。参考文献：[1]沈辉，舒碧芬，闻立时,我国太阳能光伏产业的发展机遇与战略对策,\o"中国储能电池与动力电池及其关键材料学术研讨会"中国储能电池与动力电池及其关键材料学术研讨会,2005(6):430-432.[2]黄家平，屏蔽双绞线的干扰耦合特性研究，电子测量技术，2009（32）：1-2.[3]张莹，电缆屏蔽层接地方式及抗干扰分析，理论与方法，2010（11）：29-30.[4]邱智民,RS-485总线抗干