浅析文化馆屋顶分布式光伏并网发电系统运维管理

摘要：2021年9月，发改委印发《完善能源消费强度和总量双控制度方案》，提出鼓励可再生能源的使用，支持可再生能源发展。在这样的政策推动下，光伏发电市场无疑将迎来高质量发展的新机遇。现结合山东博物馆光伏电站日常管理的工作经验以及其他项目的调研情况，剖析电站运维过程中的几点突出问题并给予解决建议，希望能提升电站运营质量，推动我国太阳能发电事业健康发展。

关键词：文化公益场馆；分布式光伏；并网发电系统；运维管理

0引言

2021年9月，发改委印发了《完善能源消费强度和总量双控制度方案》，提出到2035年，能源资源优化配置、*面节约制度将更加成熟和定型。《山东省能源发展“十四五”规划》明确提出，“十四五”期间，山东省将实施可再生能源倍增行动，推进工业厂房、商业楼宇、公共建筑、居民住宅等屋顶光伏建设，优先发展“自发自用”分布式光伏。在这样的政策推动下，光伏发电市场将迎来高质量发展的新机遇。

山东博物馆太阳能光伏并网发电系统位于博物馆顶层，有效实施区域面积约7000m2，光伏矩阵采用标准功率为180Wp的多晶硅光伏组件，共计39组2500块，总装机容量429kWp。项目于2010年7月建成投入使用，截至目前已持续运行11年。结合电站日常管理的工作经验以及其他项目的调研情况，本文将探讨光伏电站日常运维过程中需要注意的几点问题，为完善文化公益场馆光伏发电运营体系助力。

1并网光伏电站运维过程中的突出问题

1.1设计缺乏统筹性、前瞻性

在分布式光伏发电系统现有水平的基础上，设计时应综合考虑方案实施的实际条件，如硬件设施、工作环境等，以发展的眼光规划电站建设，既方便日常维护管理，又具备接驳未来技术的能力。在山东博物馆逆变器工作的11年内，除日常维护外，机房内的设备工作正常，室外则已大修两次。事实证明，逆变器根据太阳能电池板的单元划分散布在场区内，位置设计不合理将给人员日常巡检带来不便；室外环境恶劣，风沙、灰尘、水汽等容易进入逆变器，如不采取有效防护措施，容易引发内部电路故障；设备选型更换不匹配、不兼容，会影响系统发电效率，给电网的安全与稳定运行带来隐患。

1.2生产和技术服务水平参差不齐

现阶段，我国太阳能光伏发电已经步入商业化应用阶段。光伏产品生产方面，市场供应商良莠不齐，产品质量波动大；技术服务方面，运维单位综合实力薄弱，人员的专业技能水平参差不齐，*终导致光伏电站在运维管理中暴露出各种各样的问题。光伏电站建设初期，方案设计疏忽、设备质量缺陷、施工质量差等问题给电站的后期运维带来严峻挑战；日常管理中，电站工程师对于光伏产业了解不细致，职业素养低下，实操经验匮乏，电站时常因操作不当而引发技术故障，或者因监测不到位而无法准确判断并消除故障，影响光伏发电系统的正常运行。

1.3业主和维保单位权责划分不清、管理混乱

良好的运维管理制度是保证电站稳定运行的基础，扎实有效地执行制度则是电站正常运行的可靠保障。光伏电站运维管理制度，主要是明确电站在运行维保方面的管理细节，明确业主和维保单位在电站管理中的工作职责和处理权限。但是，当前光伏电站运行管理中确实存在权责不清、管理混乱的现象：单位部门间的管理界面模糊不清甚至留有管理空白，制度权责不完善、不明晰，导致业主和维保双方产生消*怠工的态度，在电站运行、数据管理和维护保养等方面相互扯皮；有的电站虽然制定了较为完善的运维管理制度，但在人员落实方面存在缺位错位，懒散现象时有发生。

1.4资产激励策略不健全

长期以来，国有资产的管理研究习惯侧重于资产显性的投资收益，而隐性的、内在的资产收益研究一直未引起足够的重视。可再生能源开发利用作为科室的主管经费项目，在单位主体申报财政预算时，往往被纳入整体运行经费中，没有体现其突出的重要性，导致资产管理经常出现诸如绩效考核目标不清晰、重使用轻管理、经费被挤占、产出效益不高等现象。针对以营利为目的的光伏电站，人们从投资者的角度完成了其运作模式、管理机制、政策支持等投资策略的全过程研究，而“自产自用”模式下潜在的能源节约，也应当及时拨付运维资金，积*探索可持续发展的资产激励策略。

2并网光伏电站运维管理建议

2.1优化系统设计方案

文化场馆设施平层面积大，屋面无遮挡，平面铺开优势明显，适合采用屋顶分布式光伏发电系统。新建场馆建筑与光伏发电系统应统一规划设计，建筑外型协调美观、供用电系统安全可靠；在既有建筑物上实施光伏建筑附加（BAPV）工程时也要综合考虑结构改造和电气安全性。

根据光伏电站的实际工况，太阳能机房宜设置在建筑屋顶或顶层，控制设备集中管理，优化线路敷设方案，降低线路能耗，减少故障点。

逆变器作为光伏发电系统的关键设备，其内部有电容、显示屏等电子元件，不耐高温，宜集中安装于屋面或顶层的机房内，遮阴避雨、防尘防湿、通风散热良好；安装位置兼顾网点、组件两者的距离，靠近网点则节约投资成本，靠近组件则电缆损耗低、施工方便。电池方阵的支架基座多采用现浇混凝土方式建设，浇筑过程中，建议添加适量的防水混合剂到混凝土内，与屋面防水系统共同设计、集中施工，杜绝出现屋面雨水渗漏问题。

2.2选择质优价廉的光伏产品和技术服务

经过十多年的发展，我国光伏制造业已实现本土化生产，产业化技术水平和体系建设达到了高水平，多晶硅材料、电池板组件、逆变器等生产成本下降明显。巨大的市场发展前景也引发了行业思考：如何甄别众多光伏产品的良莠，保证电站运营的寿命与品质。

光伏电站的全寿命周期长达二十余年，关键设备的品牌选择和*质的技术服务是决定电站收益的关键因素。由于技术的排他性，买方单位应慎重选择品牌，以明确的标准对庞大的光伏市场进行筛选，综合考察品牌影响力、科研实力和企业发展潜力等，选择合作意向目标。以市场导向为主线，兼顾成本控制和性能提升，优先选择拥有强大技术支撑和研发投入，在产品质量上不断提高的品牌企业作为长期战略合作伙伴。

影响分布式光伏电站发电量的关键因素是系统效率，系统组件的选择或更换要遵循规范要求，以逆变器为单元划分子系统，接入系统的组件电性能参数要尽可能一致。对于太阳能电池板之类的核心产品要注重光电转换效率，而对于质量技术相对成熟的逆变器、变压器、汇流箱、线缆等设备，在满足设计参数的范围内优先选择性价比高的产品。

2.3制定详实可行的管理方案并执行

文化单位要定期组织学习新能源相关政策，紧跟光伏发电产业的发展步伐，制定符合自身场馆特点的运行、维护和检修等中长期规划，做好电站营运管理工作。

制定详实可行的管理方案，根本任务是保持国有资产的安全完整，不仅要重视约束维保单位，确保运维质量，更要明确产权单位自身的责任和义务，强化职员监督管理的积极性和责任心。对于电站的整体管理与维护，近十年相继出台了多项标准规范，细化巡检周期、维护规则，规范电站信息化管理。

光伏电站的正常运行，定期维护工作必不可少。维保单位要分析电站服役工况，检查设备是否带病运转，准确查找故障原因，判定故障点位。要留意汇流箱、配电柜等箱体内是否有积尘杂物、触点松动等，检查线缆老化问题，掌握电池板热斑现象及逆变器元器件工作情况。在进行维护与管理的同时，注意记录电站的实时运行数据，如天气条件、发电时间、发电量、负荷情况、设备不良故障等[2]。详实可靠的运维记录是判定系统工作是否正常的基本依据，有助于系统故障预判，从而及时制订处理预案。

2.4完善资产激励和效能评价体系

目前，我国对公共建筑能效提升的激励手段主要为财政补贴[3]。“十四五”期间，光伏发电将*面实现无补贴平价上网，相应的财政补贴政策陆续停止，公共建筑节能降耗将面临着激励不足等问题[3]。如何让光伏发电保增值，确定科学的资产激励方案迫在眉睫。

资产激励，大部分产权单位侧重于设备的维护责任，强调安全可靠，而诸如光伏发电等利用可再生能源进行节能降耗的资产具有隐性产出的特点，设备收益极易被忽视。

资产激励的对象主要是产权单位。一方面，应注重资产的保*性，防止资产流失。公益类事业单位的经费主要来源于公共财政，决策经费的分配比例时，应留意开发利用可再生能源项目的资金申请，将节能降耗项目的经费单独列支，优先予以保证，充足的运维资金是项目*值运行的前提条件。另一方面，要维持资产的增值性，确保持久稳定的经济效益。对于有条件、有能力开展碳中和的文化公益场馆，将节能降耗作为主评项或者加分项纳入单位的年度绩效考核计划中，制定科学的绩效激励标准，量化测评指标，用好奖惩项，提升资产激励的导向性，促进可再生能源在公共建筑中的应用广度和深度。

众所周知，文化场馆具有建筑体量大、能耗强度高的特点，采用光伏发电系统能够实现“自产自用”，减轻负荷用电的部分压力。在健全的政策激励下，产权单位能够从光伏发电系统的运维实况中获取准确的反馈信息，查找客观事实与设计初衷的差距，得出正反两面的经验教训，形成项目效能评估报告，凸显设备隐性的经济效益。效能评价对运维方案的完整性和系统性具有重要的意义，有益于业主全*位剖析管理方案，调动和提高人员的工作积极性和职责意识，不断改进设计理念和节能技术；有效推动运维企业提高服务质量，规范员工的工作行为，避免出现权责不清、管理混乱的局面，将光伏发电系统的经济社会效益发挥到*佳。

3Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

3.1平台概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

3.2平台适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

3.3系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

4充电站微电网能量管理系统解决方案

4.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图1系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

4.1.1光伏界面

图2光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

4.1.2储能界面

图3储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图4储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图5储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图6储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图7储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图8储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图10储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图11储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

4.1.3风电界面

图12风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

4.1.4充电站界面

图13充电站界面

本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。

4.1.5视频监控界面

图14微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

4.1.6发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图15光伏预测界面

4.1.7策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图16策略配置界面

4.1.8运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

图17运行报表

4.1.9实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图18实时告警

4.1.10历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图19历史事件查询

4.1.11电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图20微电网系统电能质量界面

4.1.12遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图21遥控功能

4.1.13曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图22曲线查询

4.1.14统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图23统计报表

4.1.15网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图24微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

4.1.16通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图25通信管理

4.1.17用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图26用户权限

4.1.18故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图27故障录波

4.1.19事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。

4.2硬件及其配套产品

5结束语

可再生能源发展“十四五”规划重点指出，要充分发挥可再生能源成本竞争优势，坚持市场化方向，优先发展、优先利用可再生能源。光伏产业作为我国能源产业升级的新增长点，开展分布式光伏发电系统运维工作的研究将为其规模化管理提供有力的技术保障，相关部门要加强管理，提升电站运营质量，推动我国太阳能发电事业健康发展。

【参考文献】

【1】 光伏发电站设计规范：GB50797—2012[S].

【2】李明洋，殷帅，丁洪涛.我国公共建筑能效提升发展现状及未来展望[J].建设科技，2020（16）：7-12.

【3】 安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版.

【4】 安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

【5】杨汝俊，马永玲，范宗强。浅议文化公益场馆屋顶分布式光伏并网发电系统运维管理.