安科瑞魯一揚15821697760

摘要：光伏發電技術即太陽能發電技術，是將太陽輻射轉化為電能的技術。伴隨人們對可再生能源需求的增長，其應用日益廣泛且發展迅速。本文以某鐵路車站分布式光伏系統設計為實例，借助 CandelaRoof 仿真軟件，從太陽能資源剖析、用電負荷預估、自發自用比例等多方面對設計關鍵環節予以分析，給出一種分布式光伏發電系統裝機容量的估算途徑，并經仿真證實該方法的可行性，為工程設計提供參考。

關鍵詞：鐵路供電；分布式光伏系統；用電負荷預測

0 引言

全球能源緊缺狀況加劇，可再生能源的開發利用備受矚目。可再生能源涵蓋太陽能、風能、水能、地熱能等，其利用可降低對化石燃料的依賴，減輕環境污染，增強能源安全性，對推動全球可持續發展意義重大。

光伏發電技術依據半導體材料的光電效應，把太陽光能轉變為電能。其系統由太陽能電池板、蓄電池、控制器與逆變器等構成，其中太陽能電池板是核心部件。近年來，光伏發電技術在研發、市場規模與成本效益等方面均有顯著進展。技術研發持續推進，太陽能電池板效率不斷提升，如 PERC、N-Type TOPCON、HJT 等新型電池技術涌現，使轉換效率提高，在部分國家和地區成為主流能源供應形式。我國提出 “碳中和、碳達峰” 目標后，各地為推廣綠色能源出臺優惠政策與補貼，促進了國內光伏發電系統的發展，未來數十年光伏發電仍將是熱門領域。

在實際工程設計里，已建成鐵路車站增設光伏系統條件良好。相較于普通建筑，鐵路車站應用光伏發電系統具有如下特性：
(1) 建筑面積充裕。車站有諸多大面積建筑，如站房、辦公綜合樓、軌道車庫以及站臺雨棚等，屋面平整且承載力佳，可利用率高，能減少光伏發電系統占用的空間資源。
(2) 消納能力強。車站動力負荷多且運行平穩，如通信、信號、信息設備，機房專用空調等。動力負荷用電量大且穩定，使光伏發電系統消納能力高，可帶來可觀經濟效益。
(3) 供電系統架構獨特。鐵路供電系統特殊，車站配電所為站內負荷供電，相鄰配電所間設高壓電力貫通線，可為區間負荷供電并實現電源故障時的越區供電。鐵路沿線區間用電負荷多，像通信基站、信號中繼站、電氣化所、公安警務區及崗亭等，以通信基站為例，每 3km 一處。車站光伏發電系統多余電量可通過 10kV 電力貫通線為區間負荷供電，提升了光伏系統消納能力。

本文以陜西省某鐵路車站分布式光伏發電系統設計為例，針對設計關鍵問題展開分析，先依車站經緯度確定日照資源，再結合用電情況提出光伏陣列裝機容量估算算法，并利用 CandelaRoof 仿真軟件對光伏發電系統建模與仿真，最后通過軟件測算系統自發自用比例驗證裝機容量估算的準確性，說明該估算算法在項目前期設計階段的指導價值。

1 太陽能資源分析

Meteonorm 是瑞士 Meteotest AG 公司開發的太陽能評估與規劃交互式工具，據其提供的氣象數據，車站所在地平均年水平面總輻射量值為 1241.7kW?h/m2，水平散射輻射量值為 780.5kW?h/m2，月平均總輻射日輻照量最低值與最高值的比值為 0.38，年水平面散射輻照量與水平面直接輻照量比值（直射比 DHRR）為 0.37。依據《太陽能資源等級總輻射》（GB/T 31155—2014）相關規定，此地太陽能資源屬 “C 級” 豐富地區，穩定度屬 “B 級” 穩定地區，且太陽能直射比等級為 “中級”，具備較好的太陽能資源利用條件。

2車站用電量分析

分析既有車站用電量是計算光伏發電系統裝機容量、消納率與經濟評價等數據的依據。精確分析用電量需車站至少 1 年的日負荷曲線，因日負荷曲線收集困難，常用方法是依據供電公司電費繳納單分析近一年負荷用電情況。

車站設 630kV?A 箱式變電站 1 座為站內負荷供電。根據近 1 年電費繳納情況，車站尖峰、高峰、平段及低谷時段用電情況如表 1 所示。

表 1 數據顯示，車站近 1 年用電總量為 395000kW?h，平均日用電量為 1082.19kW?h，且用電量最大時段為高峰段與平段，基本涵蓋光伏發電系統發電時段，可有效利用光伏系統發電量。

表1車站各月份分時段用電量

單位：（kW·h）/月

注：1月及12月尖峰時段為18：30—20：30，7月及8月的尖峰時段為19：30—21：30，高峰時段為8：00—11：30、18：30—23：00；平時段為7：00—8：00、11：30—18：30。

3光伏系統裝機容量估算

光伏發電時間按9：00—15：00考慮，其中包含2.5h的高峰段用電及3.5h的平段用電。車站高峰段年用電量為142242.4kW·h，平段年用電量為133438.0kW·h，對用電量及時長進行加權平均，則光伏發電時間段內（共計6h）車站用電量為102829.88kW·h。

式中：WT為光伏日發電總量，kW·h；W高峰為光伏高峰時段發電總量，kW·h；W平段為光伏平時段發電總量，kW·h。

由式（1）可得光伏發電時間段內平均日用電量合計281.7kW·h，查詢氣象數據，當地平均峰值日照小時數為3.4h，則裝機容量估算為82.9kWp。

式中：P裝機為光伏系統裝機容量，kWp；T為峰值日照時間，h。

4基于CandelaRoof軟件的光伏發電系統建模

根據車站建筑情況及光伏系統裝機容量估算，光伏組件選用LR5-72HPH-550M，采用豎向2塊布置方式，系統模型主要基本參數如表2所示。

表2系統模型主要基本參數

式（2）計算的裝機容量為估算值，由于平均日照小時數每月數值均不一樣，且車站用電負荷有季節特性，因此需要建立每個月負荷用電量與光伏系統發電量之間的聯系，才能*確計算系統的電量自用比例。為驗證式（2）提出的估算方法的有效性，利用軟件中自發自用測算模塊對上述模型進行進一步分析和優化。將表1中車站的全年用電數據導入CandelaRoof軟件中，根據光伏系統發電量及月負荷用電量，自發自用比例仿真計算結果如表3所示。

表3系統自發自用比例仿真計算結果

挑選3月典型日，系統出力曲線及日負荷曲線如圖1所示。

圖13月典型日系統出力曲線及日負荷曲線

由圖1可知，系統出力曲線位于日負荷曲線下方，即該典型日光伏自發自用比例為100%。

綜上所述，基于式（2）的光伏系統裝機容量估算與實際仿真結果*為接近，可作為工程設計前期裝機容量的估算方法。

5Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

5.1平臺概述

Acrel - 2000MG 微電網能量管理系統是我司依據新型電力系統下微電網監控系統與能量管理系統要求，總結國內外先進經驗研制的企業微電網能量管理系統。該系統可接入光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站，進行數據采集分析，直接監控光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態與健康狀況，是集監控系統與能量管理于一體的管理系統。其在保障安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，推動可再生能源應用，提升電網運行穩定性，補償負荷波動；有效實現用戶側需求管理，消除晝夜峰谷差，平滑負荷，提高電力設備運行效率，降低供電成本，為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行的全新解決方案。

微電網能量管理系統采用分層分布式結構，物理上分為設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及 TCP/IP 通信協議，物理媒介可為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持 Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC 60870 - 5 - 101、IEC 60870 - 5 - 103、IEC 60870 - 5 - 104、MQTT 等通信規約。

5.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

5.3系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

6充電站微電網能量管理系統解決方案

6.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，能以系統一次電氣圖形式直觀展示各電氣回路運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及相關故障、告警信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功 / 無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功 / 無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統可對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統可對儲能系統進行狀態管理，能依據儲能系統荷電狀態及時告警，并支持定期電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，涵蓋微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，如收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。依不同需求，也可展示充電、儲能及光伏系統信息。

圖1系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

6.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

6.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

6.1.3風電界面

圖12風電系統界面

此界面用于展示風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速 / 風力 / 環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時展示系統總功率、電壓電流及各逆變器運行數據。

6.1.4充電站界面

圖13充電站界面

此界面用于展示充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站功率、電量、電量費用，變化曲線、各充電站運行數據等。

6.1.5視頻監控界面

圖14微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

6.1.6發電預測

系統可依據歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可人工輸入或自動生成發電計劃，便于用戶對新能源發電集中管控。

圖15光伏預測界面

6.1.7策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

6.1.8運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

6.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

6.1.10歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

6.1.11電能質量監測

可對整個微電網系統電能質量（穩態與暫態）持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，及時發現與消除供電不穩定因素。

在供電系統主界面能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點 A/B/C 相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度最大和正序 / 負序 / 零序電壓值、三相電流不平衡度最大和正序 / 負序 / 零序電流值；

諧波分析功能：系統能實時顯示 A/B/C 三相電壓總諧波畸變率、A/B/C 三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；能以柱狀圖展示 2 - 63 次諧波電壓含有率、2 - 63 次諧波電流含有率、0.5～63.5 次間諧波電壓含有率、0.5～63.5 次間諧波電流含有率；

電壓波動與閃變：系統能顯示 A/B/C 三相電壓波動值、A/B/C 三相電壓短閃變值、A/B/C 三相電壓長閃變值；能提供 A/B/C 三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；能顯示電壓偏差與頻率偏差；

功率與電能計量：系統能顯示 A/B/C 三相有功功率、無功功率和視在功率；能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

電壓暫態監測：電能質量暫態事件（如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷）發生時，系統能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統能查看相應暫態事件發生前后的波形；

電能質量數據統計：系統能顯示 1min 統計整 2h 存儲的統計數據，包括均值、最大值、最小值、95% 概率值、方均根值；

事件記錄

圖20微電網系統電能質量界面

6.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

6.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

6.1.14統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

6.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

6.1.16通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖25通信管理

6.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

6.1.18故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

6.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故前10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

6.2硬件及其配套產品

序號	設備	型號	圖片	說明
1	能量管理系統	Acrel-2000MG

	內部設備的數據采集與監控，由通信管理機、工業平板電腦、串口服務器、遙信模塊及相關通信輔件組成。 數據采集、上傳及轉發至服務器及協同控制裝置 策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等
2	顯示器	25.1英寸液晶顯示器		系統軟件顯示載體
3	UPS電源	UPS2000-A-2-KTTS		為監控主機提供后備電源
4	打印機	HP108AA4		用以打印操作記錄，參數修改記錄、參數越限、復限，系統事故，設備故障，保護運行等記錄，以召喚打印為主要方式
5	音箱	R19U		播放報警事件信息
6	工業網絡交換機	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工業網絡交換機解決了通信實時性、網絡安全性、本質安全與安全防爆技術等技術問題
7	GPS時鐘	ATS1200GB		利用gps同步衛星信號，接收1pps和串口時間信息，將本地的時鐘和gps衛星上面的時間進行同步
8	交流計量電表	AMC96L-E4/KC		電力參數測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數等)、復費率電能計量、 四象限電能計量、諧波分析以及電能監測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協議:帶開關量輸入和繼電器輸出可實現斷路器開關的"遜信“和“遙控”的功能
9	直流計量電表	PZ96L-DE		可測量直流系統中的電壓、電流、功率、正向與反向電能。可帶RS485通訊接口、模擬量數據轉換、開關量輸入/輸出等功能
10	電能質量監測	APView500		實時監測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質量，記錄各類電能質量事件,定位擾動源。
11	防孤島裝置	AM5SE-IS		防孤島保護裝置，當外部電網停電后斷開和電網連接
12	箱變測控裝置	AM6-PWC		置針對光伏、風能、儲能升壓變不同要求研發的集保護，測控，通訊一體化裝置，具備保護、通信管理機功能、環網交換機功能的測控裝置
13	通信管理機	ANet-2E851		能夠根據不同的采集規的進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據果集匯總: 提供規約轉換、透明轉發、數據加密壓縮、數據轉換、邊緣計算等多項功能:實時多任務并行處理數據采集和數據轉發，可多路上送平臺據:
14	串口服務器	Aport		功能:轉換“輔助系統"的狀態數據，反饋到能量管理系統中。 1)空調的開關，調溫，及完全斷電(二次開關實現) 2)上傳配電柜各個空開信號 3)上傳UPS內部電量信息等 4)接入電表、BSMU等設備
15	遙信模塊	ARTU-K16		1)反饋各個設備狀態，將相關數據到串口服務器: 讀消防VO信號，并轉發給到上層(關機、事件上報等) 2)采集水浸傳感器信息，并轉發3)給到上層(水浸信號事件上報) 4)讀取門禁程傳感器信息，并轉發

7結束語

鐵路車站分布式光伏發電設施，其建設與維護成本相對不高，能夠充當車站的備用能源或者補充能源，有效提升供電的可靠性。鐵路車站的建筑樣式以及車站負荷均具備獨特的性質，所以在規劃鐵路車站分布式光伏項目時，必須給予周全的考量。本文選取某一車站當作實例，針對分布式光伏的設計流程予以詳盡的剖析與闡釋，依據車站既有的負荷用電數據，推導出一種用于計算光伏組件裝機容量的方法，并且借助仿真手段證實了該方法的精確性，此方法對工程設計工作有著頗為良好的指引價值與借鑒意義。

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審核編輯 黃宇