简论分布式光伏系统在某铁路车站设计与应用的实践要点

安科瑞鲁一扬15821697760

摘要：光伏发电技术即太阳能发电技术，是将太阳辐射转化为电能的技术。伴随人们对可再生能源需求的增长，其应用日益广泛且发展迅速。本文以某铁路车站分布式光伏系统设计为实例，借助 CandelaRoof 仿真软件，从太阳能资源剖析、用电负荷预估、自发自用比例等多方面对设计关键环节予以分析，给出一种分布式光伏发电系统装机容量的估算途径，并经仿真证实该方法的可行性，为工程设计提供参考。

关键词：铁路供电；分布式光伏系统；用电负荷预测

0 引言

全球能源紧缺状况加剧，可再生能源的开发利用备受瞩目。可再生能源涵盖太阳能、风能、水能、地热能等，其利用可降低对化石燃料的依赖，减轻环境污染，增强能源安全性，对推动全球可持续发展意义重大。

光伏发电技术依据半导体材料的光电效应，把太阳光能转变为电能。其系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器与逆变器等构成，其中太阳能电池板是核心部件。近年来，光伏发电技术在研发、市场规模与成本效益等方面均有显著进展。技术研发持续推进，太阳能电池板效率不断提升，如 PERC、N-Type TOPCON、HJT 等新型电池技术涌现，使转换效率提高，在部分国家和地区成为主流能源供应形式。我国提出 “碳中和、碳达峰” 目标后，各地为推广绿色能源出台优惠政策与补贴，促进了国内光伏发电系统的发展，未来数十年光伏发电仍将是热门领域。

在实际工程设计里，已建成铁路车站增设光伏系统条件良好。相较于普通建筑，铁路车站应用光伏发电系统具有如下特性：
(1) 建筑面积充裕。车站有诸多大面积建筑，如站房、办公综合楼、轨道车库以及站台雨棚等，屋面平整且承载力佳，可利用率高，能减少光伏发电系统占用的空间资源。
(2) 消纳能力强。车站动力负荷多且运行平稳，如通信、信号、信息设备，机房专用空调等。动力负荷用电量大且稳定，使光伏发电系统消纳能力高，可带来可观经济效益。
(3) 供电系统架构独特。铁路供电系统特殊，车站配电所为站内负荷供电，相邻配电所间设高压电力贯通线，可为区间负荷供电并实现电源故障时的越区供电。铁路沿线区间用电负荷多，像通信基站、信号中继站、电气化所、公安警务区及岗亭等，以通信基站为例，每 3km 一处。车站光伏发电系统多余电量可通过 10kV 电力贯通线为区间负荷供电，提升了光伏系统消纳能力。

本文以陕西省某铁路车站分布式光伏发电系统设计为例，针对设计关键问题展开分析，先依车站经纬度确定日照资源，再结合用电情况提出光伏阵列装机容量估算算法，并利用 CandelaRoof 仿真软件对光伏发电系统建模与仿真，最后通过软件测算系统自发自用比例验证装机容量估算的准确性，说明该估算算法在项目前期设计阶段的指导价值。

1 太阳能资源分析

Meteonorm 是瑞士 Meteotest AG 公司开发的太阳能评估与规划交互式工具，据其提供的气象数据，车站所在地平均年水平面总辐射量值为 1241.7kW・h/m²，水平散射辐射量值为 780.5kW・h/m²，月平均总辐射日辐照量最低值与最高值的比值为 0.38，年水平面散射辐照量与水平面直接辐照量比值（直射比 DHRR）为 0.37。依据《太阳能资源等级总辐射》（GB/T 31155—2014）相关规定，此地太阳能资源属 “C 级” 丰富地区，稳定度属 “B 级” 稳定地区，且太阳能直射比等级为 “中级”，具备较好的太阳能资源利用条件。

2车站用电量分析

分析既有车站用电量是计算光伏发电系统装机容量、消纳率与经济评价等数据的依据。精确分析用电量需车站至少 1 年的日负荷曲线，因日负荷曲线收集困难，常用方法是依据供电公司电费缴纳单分析近一年负荷用电情况。

车站设 630kV・A 箱式变电站 1 座为站内负荷供电。根据近 1 年电费缴纳情况，车站尖峰、高峰、平段及低谷时段用电情况如表 1 所示。

表 1 数据显示，车站近 1 年用电总量为 395000kW・h，平均日用电量为 1082.19kW・h，且用电量最大时段为高峰段与平段，基本涵盖光伏发电系统发电时段，可有效利用光伏系统发电量。

表1车站各月份分时段用电量

单位：（kW·h）/月

注：1月及12月尖峰时段为18：30—20：30，7月及8月的尖峰时段为19：30—21：30，高峰时段为8：00—11：30、18：30—23：00；平时段为7：00—8：00、11：30—18：30。

3光伏系统装机容量估算

光伏发电时间按9：00—15：00考虑，其中包含2.5h的高峰段用电及3.5h的平段用电。车站高峰段年用电量为142242.4kW·h，平段年用电量为133438.0kW·h，对用电量及时长进行加权平均，则光伏发电时间段内（共计6h）车站用电量为102829.88kW·h。

式中：WT为光伏日发电总量，kW·h；W高峰为光伏高峰时段发电总量，kW·h；W平段为光伏平时段发电总量，kW·h。

由式（1）可得光伏发电时间段内平均日用电量合计281.7kW·h，查询气象数据，当地平均峰值日照小时数为3.4h，则装机容量估算为82.9kWp。

式中：P装机为光伏系统装机容量，kWp；T为峰值日照时间，h。

4基于CandelaRoof软件的光伏发电系统建模

根据车站建筑情况及光伏系统装机容量估算，光伏组件选用LR5-72HPH-550M，采用竖向2块布置方式，系统模型主要基本参数如表2所示。

表2系统模型主要基本参数

式（2）计算的装机容量为估算值，由于平均日照小时数每月数值均不一样，且车站用电负荷有季节特性，因此需要建立每个月负荷用电量与光伏系统发电量之间的联系，才能*确计算系统的电量自用比例。为验证式（2）提出的估算方法的有效性，利用软件中自发自用测算模块对上述模型进行进一步分析和优化。将表1中车站的全年用电数据导入CandelaRoof软件中，根据光伏系统发电量及月负荷用电量，自发自用比例仿真计算结果如表3所示。

表3系统自发自用比例仿真计算结果

挑选3月典型日，系统出力曲线及日负荷曲线如图1所示。

图13月典型日系统出力曲线及日负荷曲线

由图1可知，系统出力曲线位于日负荷曲线下方，即该典型日光伏自发自用比例为100%。

综上所述，基于式（2）的光伏系统装机容量估算与实际仿真结果*为接近，可作为工程设计前期装机容量的估算方法。

5Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

5.1平台概述

Acrel - 2000MG 微电网能量管理系统是我司依据新型电力系统下微电网监控系统与能量管理系统要求，总结国内外先进经验研制的企业微电网能量管理系统。该系统可接入光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站，进行数据采集分析，直接监控光伏、风能、储能系统、充电站运行状态与健康状况，是集监控系统与能量管理于一体的管理系统。其在保障安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，推动可再生能源应用，提升电网运行稳定性，补偿负荷波动；有效实现用户侧需求管理，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、经济运行的全新解决方案。

微电网能量管理系统采用分层分布式结构，物理上分为设备层、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，物理媒介可为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持 Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC 60870 - 5 - 101、IEC 60870 - 5 - 103、IEC 60870 - 5 - 104、MQTT 等通信规约。

5.2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。

5.3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

6充电站微电网能量管理系统解决方案

6.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，能以系统一次电气图形式直观展示各电气回路运行状态，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、分闸状态及相关故障、告警信号。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。

系统可对分布式电源、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。

系统可对储能系统进行状态管理，能依据储能系统荷电状态及时告警，并支持定期电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，涵盖微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，如收益信息、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。依不同需求，也可展示充电、储能及光伏系统信息。

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。

6.1.1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。

6.1.2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。

6.1.3风电界面

图12风电系统界面

此界面用于展示风电系统信息，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；同时展示系统总功率、电压电流及各逆变器运行数据。

6.1.4充电站界面

图13充电站界面

此界面用于展示充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站功率、电量、电量费用，变化曲线、各充电站运行数据等。

6.1.5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。

6.1.6发电预测

系统可依据历史发电数据、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。根据功率预测可人工输入或自动生成发电计划，便于用户对新能源发电集中管控。

图15光伏预测界面

6.1.7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

6.1.8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

6.1.9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

6.1.10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

6.1.11电能质量监测

可对整个微电网系统电能质量（稳态与暂态）持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，及时发现与消除供电不稳定因素。

在供电系统主界面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 A/B/C 相电压总畸变率、三相电压不平衡度最大和正序 / 负序 / 零序电压值、三相电流不平衡度最大和正序 / 负序 / 零序电流值；

谐波分析功能：系统能实时显示 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；能以柱状图展示 2 - 63 次谐波电压含有率、2 - 63 次谐波电流含有率、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；

电压波动与闪变：系统能显示 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；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；能显示电压偏差与频率偏差；

功率与电能计量：系统能显示 A/B/C 三相有功功率、无功功率和视在功率；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；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）；

电压暂态监测：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；系统能查看相应暂态事件发生前后的波形；

电能质量数据统计：系统能显示 1min 统计整 2h 存储的统计数据，包括均值、最大值、最小值、95% 概率值、方均根值；

事件记录

图20微电网系统电能质量界面

6.1.12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

6.1.13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

6.1.14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

6.1.15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。

6.1.16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

6.1.17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

6.1.18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

6.1.19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。

6.2硬件及其配套产品

序号	设备	型号	图片	说明
1	能量管理系统	Acrel-2000MG

	内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服务器及协同控制装置 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等
2	显示器	25.1英寸液晶显示器		系统软件显示载体
3	UPS电源	UPS2000-A-2-KTTS		为监控主机提供后备电源
4	打印机	HP108AA4		用以打印操作记录，参数修改记录、参数越限、复限，系统事故，设备故障，保护运行等记录，以召唤打印为主要方式
5	音箱	R19U		播放报警事件信息
6	工业网络交换机	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工业网络交换机解决了通信实时性、网络安全性、本质安全与安全防爆技术等技术问题
7	GPS时钟	ATS1200GB		利用gps同步卫星信号，接收1pps和串口时间信息，将本地的时钟和gps卫星上面的时间进行同步
8	交流计量电表	AMC96L-E4/KC		电力参数测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率,频率、功率因数等)、复费率电能计量、 四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。多种外围接口功能:带有RS485/MODBUS-RTU协议:带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的"遜信“和“遥控”的功能
9	直流计量电表	PZ96L-DE		可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能。可带RS485通讯接口、模拟量数据转换、开关量输入/输出等功能
10	电能质量监测	APView500		实时监测电压偏差、频率俯差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、诺波等电能质量，记录各类电能质量事件,定位扰动源。
11	防孤岛装置	AM5SE-IS		防孤岛保护装置，当外部电网停电后断开和电网连接
12	箱变测控装置	AM6-PWC		置针对光伏、风能、储能升压变不同要求研发的集保护，测控，通讯一体化装置，具备保护、通信管理机功能、环网交换机功能的测控装置
13	通信管理机	ANet-2E851		能够根据不同的采集规的进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据果集汇总: 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能:实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多路上送平台据:
14	串口服务器	Aport		功能:转换“辅助系统"的状态数据，反馈到能量管理系统中。 1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备
15	遥信模块	ARTU-K16		1)反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器: 读消防VO信号，并转发给到上层(关机、事件上报等) 2)采集水浸传感器信息，并转发3)给到上层(水浸信号事件上报) 4)读取门禁程传感器信息，并转发

7结束语

铁路车站分布式光伏发电设施，其建设与维护成本相对不高，能够充当车站的备用能源或者补充能源，有效提升供电的可靠性。铁路车站的建筑样式以及车站负荷均具备独特的性质，所以在规划铁路车站分布式光伏项目时，必须给予周全的考量。本文选取某一车站当作实例，针对分布式光伏的设计流程予以详尽的剖析与阐释，依据车站既有的负荷用电数据，推导出一种用于计算光伏组件装机容量的方法，并且借助仿真手段证实了该方法的精确性，此方法对工程设计工作有着颇为良好的指引价值与借鉴意义。

参考文献

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审核编辑 黄宇