光伏電站監控系統分析

東方日立(成都)電控設備有限公司 ■ 張巍 彭良平 杜毅 張黎 曾捷

0 引言

隨中國政府持續出臺的支持光伏產業發展的政策，太陽能光伏發電項目不斷增多[1]，截至2012 年底，我國累計建設容量7.97 GW，其中大型光伏電站4.19 GW，分布式光伏系統3.78 GW[2]。國家能源局發布的《太陽能發電發展“十二五”規劃》稱，到2015 年底，太陽能發電裝機容量達到21 GW以上，年發電量達到250億kWh。隨著大型光伏電站及分布式光伏系統的建設和投運，業主及電網公司對設備的實時監控提出了更高的要求。

光伏監控系統需實現的功能有：1) 匯流箱、逆變器、電池板、蓄電池組及其控制器(帶儲能功能的光伏系統)、環境溫度等底層設備實時數據及狀態的采集；2) 底層設備故障報警；3) 重要數據的歷史存儲；4) 遠方及本地對電站設備的必要操控。即集遙測、遙控、遙信、遙調功能為一體，且需具備高可靠性，全年不間斷工作。

目前具有實際工程意義的監控系統從物理實現方式上可分為有線及無線兩種。有線方式主要包括：工業RS485總線、PROFIBUS現場總線、CAN總線、Modem電話線、工業以太網。無線方式主要包括：ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH、IRDA紅外。需根據實際工程要求及各種通訊方式的特點選擇適合的監控方案。

1 基于現場總線的光伏監控系統

1.1 兆瓦級及以上并網光伏電站監控系統

兆瓦級及以上光伏電站占地面積廣、設備數量及種類龐大、建設集中。目前最為廣泛采用的是有線監控方式。整體架構包括本地數據采集、數據傳輸、數據存儲與處理3部分，如圖1所示。

圖1 一種基于工業以太網技術的光伏監控系統

1.1.1 本地數據采集

通過數據采集器與底層設備相連接，采集設備的實時數據，如匯流箱電流、逆變器功率和發電量、環境監測儀溫度和風向、安防裝置視頻數據、保護裝置(高壓開關狀態、直流接地狀態)、計量裝置(電量/電壓/電能質量等計量儀器數據)。物理層廣泛采用造價低廉的工業RS485總線，MODBUS協議作為總線協議。

1.1.2 數據傳輸

本地數據采集器與監控中心通訊網絡間相距較遠，一般為幾千米至幾十千米，采用工業以太網(TCP/IP)，光纖連接。基于TCP/IP的以太網是標準開放式網絡，光纖組網可采用星形拓撲結構或環網拓撲結構。

星形拓撲結構屬于集中控制型網絡，整個網絡由中心節點執行集中式通訊控制管理，各分節點均直接與中心節點連接，中心節點與分節點之間直接進行數據交互；若某節點線纜出現故障，將導致數據無法傳輸；總布線距離長。

如圖2所示，環網拓撲結構可利用它的自愈性能，將線路切換至備用線路上，從而保證信號的實時暢通，實現高可靠性、多備份和信號迅速恢復的要求。且環網的線纜利用率高，線材的成本會大幅降低。

圖2 星型拓撲結構和環網拓撲結構

1.1.3 數據存儲與處理

通過電站監控中心的上位機監控軟件對數據進行存儲及處理。上位機監控軟件目前有兩種實現方式：1) 基于VC、C++、VB或DELHI等高級語言作為管理軟件開發平臺開發的上位機軟件，開發難度高、工作量龐大、開發周期長、開發完成無需后續資金投入；2) 組態軟件，基于C/S(Client/Server)客戶機/服務器模式(如組態王、三維力控)或基于B/S結構(Browser/Server)瀏覽器/服務器模式(如研華科技)的組態軟件，支持多種通訊協議，無需底層程序開發，只需進行畫面、通訊點設置等二次開發后可直接使用，開發周期短、難度低、可靠性高，但需按每個工程通訊點的數量收費購買。

由于兆瓦級及以上并網光伏電站需由當地電網公司進行統一調度，因此，監控中心上位機還需按電網公司電力規約要求(如電力102、103、104規約等)，將電站數據上傳，并下發電網公司操作指令。“金太陽示范工程”需將數據上傳至金太陽中心和住建部。

1.2 帶有儲能裝置的光伏監控系統

CAN總線采用無損結構的逐位仲裁方式競爭向總線發送數據，廢除了站地址編碼，代之以對通信數據進行編碼，使不同節點同時接收相同的數據，使數據通信的實時性增強，易構成冗余結構，提高了系統的可靠性和靈活性。通信距離最遠可達10 km(速率低于5 kbps)，速率可達1 Mbps(通信距離小于40 m)。帶有大容量儲能裝置的光伏系統，由于充電電流大，充電過程中充電控制器投入/切出充電頻繁，對蓄電池沖擊較大，易損壞蓄電池。因此，對實時性、可靠性和擴展靈活性均有較高要求的光伏儲能系統，更適合用CAN總線構建系統[3]，如圖3所示。

圖3 一種基于CAN總線技術的光伏監控系統[3]

該系統由上位機PC、管理模塊、n個充電模塊組成。管理模塊集顯示、輸入、數據存儲、采樣、通信為一體，與PC機通過RS232相連接，操作人員可通過PC機的上位機操作界面輸入命令對系統進行操作。充電模塊作為終端設備，包括電壓及充電電流的采樣單元，以及產生控制充電的PWM波形。充電模塊根據管理模塊的指令產生PWM波形，并將自身的充電狀態通過CAN總線上報管理模塊。其中由管理模塊下發給充電模塊的調整PWM占空比命令，未充滿電時，由管理模塊每1 s(或秒級)發送一次；當接近充滿電時，每10 ms(或毫秒級)調整一個充電模塊的充電PWM占空比[4]。

1.3 PROFIBUS、CAN、工業以太網的比較

PROFIBUS總線速度較快、組態配置靈活、可實現總線供電，可適應不同應用對象和通訊速率要求，開放性好。接通或斷開時不會影響其他站點工作，因此維修性好。PROFIBUS現場總線由于在網絡增刪節點時需重構邏輯環，參數不易設定，在對于光伏電站或分布式光伏系統這種后期隨時可能擴展容量的應用上受到限制[4]。

CAN總線數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。多主方式工作，節點分成不同優先級，報文采用短幀結構出錯率低，節點在錯誤嚴重情況下可自動關閉[5]。但不能與Internet互聯，不能實現遠程信息的共享，不易與上位機直接接口，通信距離與傳輸速率無法與工業以太網相比。

工業以太網基于TCP/IP協議，為標準開放網絡，兼容性和互操作性好，資源共享能力強，數據傳輸距離遠，傳輸速率高，易與Internet互聯，成本低，易組網，與計算機、服務器的接口十分方便，技術支持廣泛。但以太網實時性相對較差，存在安全可靠性問題。超時重發機制，使單點故障可造成整個網絡癱瘓。抗干擾能力不強，無法實現總線供電。表1為PROFIBUS現場總線、CAN現場總線及工業以太網網絡協議規范的比較[6-7]。

表1 PROFIBUS、CAN及工業以太網網絡協議規范的比較[8]

PROFIBUS總線傳輸速率快，開放性好，能適應不同應用對象，其基于工業以太網通信的解決方案——Profinet實現了辦公室自動化和工業自動化的連接。CAN總線通信網絡連接簡單，實時性與準確性高，開發相對簡單，增刪節點靈活，但與工業以太網互聯需通過特定網關。工業以太網應用于信息需求量大、對實時性要求不高的上層企業管理網絡和中間的過程監控網絡。

2 基于無線通訊技術的光伏監控系統

2.1 基于ZIGBEE無線通訊技術的監控系統

ZIGBEE技術具有的特點為：1)無線化，專為工業領域開發的無線通訊技術；2)成本低，ZIGBEE協議免收專利費，通訊不收取任何費用；3)低功耗，2節5號干電池可支持1個ZIGBEE終端設備工作6～24個月，甚至更長；4)近距離，相鄰節點間傳輸范圍在10 m～3 km，增加發射功率和基站，距離可無限擴展；5)高容量，支持星型、樹型、網型網絡等多種網絡拓撲結構，1個主節點可支持254個子節點，最多組成65000個節點的網絡；6)高安全，三級安全模式：無安全設定、使用訪問控制清單及采用高級加密標準的對稱密碼；7)免執照頻段，工業科學醫療（ISM)頻段，915 MHz(美國)，868 MHz(歐洲)，2.4 GHz(全球)；8)設備配置操作簡單、易懂 、集成化程度高、技術成熟、安裝方便[9]。圖4為一種基于ZIGBEE技術的光伏監控系統。

圖4 一種基于ZIGBEE技術的光伏監控系統

該系統由分散于ZIGBEE通訊區域的若干終端ZIGBEE設備組建的網狀通訊結構，每個終端設備通過RS485總線連接1臺光伏逆變器及匯流箱，ZIGBEE中心節點位于監控站，收集ZIGBEE通訊區域內所有終端設備采集的數據，并通過RS485或RS232與監控站內上位機進行數據交互。

2.2 基于GPRS無線通訊技術的監控系統

當監控中心與中心節點距離較遠時，終端數據通過ZIGBEE無線網傳輸到中心節點后，可再通過GPRS(General Packet Radio Service)網絡傳輸到監控中心，如圖5所示。

圖5 基于ZIGBEE及GPRS技術的光伏監控系統

GPRS是移動通信技術和數據通信技術二者的結合體，具有的特點有：1) 永久在線，無需為每次數據的訪問建立呼叫連接；2) 按流量計費，按數據流量而非時間計費；3) 高速傳輸，10倍于GSM，可達171.2 kbps，可穩定傳送大容量音頻與視頻文件；4) 接入時間短，1～3 s即可激活，登陸互聯網；5) 覆蓋面廣，GPRS信號已基本覆蓋所有GSM網絡，包括很多偏遠地區；6) 組網方便、迅速、靈活，GPRS可通過Internet網絡隨時隨地構建覆蓋全中國的虛擬移動數據通信專用網絡[10]。

中心節點通過GPRS網絡將數據傳送到監控中心，中心網絡有3種網絡接入方式：

1) 采用APN(Access Point Name)專線，所有終端都采用內網固定IP，客戶中心通過一條APN專線接入移動公司GPRS網絡。該方式實時性、安全性和穩定性較高，但成本高；適合于安全性、實時性要求高，數據點多的應用環境。

2) 采用ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)等Internet公網連接，公網動態IP+DNS解析服務。該方式穩定性受制于DNS服務器的穩定，費用低，適合小規模光伏電站應用。

3) 控制中心采用ADSL等Internet公網連接，采用公網固定IP服務。先向Internet運營商申請ADSL等寬帶業務，中心有公網固定IP，IP MODEM直接向中心發起連接。該方式費用較低，運行可靠穩定。

2.3 基于WIFI、BLUETOOTH、IRDA等無線通訊技術的監控系統

WIFI已經成為當今使用最廣的一種無線網絡傳輸技術，幾乎所有智能手機、平板電腦和筆記本電腦都支持WIFI上網，只需使用無線路由器供相應設備接收即可，且無需流量費用，非常容易實現。WIFI接收半徑約95 m，因此一個家庭或一棟大樓內部的監控通訊方式均可用WIFI實現，只要在無線信號范圍內，可隨時隨地查看設備運行情況。另外，需在監控設備上安裝相應的客戶端軟件以便接收設備的通訊數據。

圖6 基于WIFI的無線監控

BLUETOOTH無線技術是在兩個設備間進行無線短距離通信最簡單、最便捷的方法。它廣泛應用于世界各地，可以無線連接手機、便攜式計算機等多種設備，傳輸距離一般為0.1～10 m，增大功率最大可達100 m。家用小型光伏系統可應用藍牙通訊方式。

目前，國外許多小型光伏逆變器均有配套的WIFI、BLUETOOTH通訊產品，已有較多成功應用案例。

IRDA(Infrared Data Association)紅外技術采用紅外波段內的近紅外線，波長短，對障礙物衍射能力差，更適合短距離無線點對點的應用[11]。因其體積小、功耗低、連接方便、簡單易用、安全性高(發射角度小)得到廣泛應用。可作為光伏設備與監控站之間可視短距離的無線通訊方式，如廠區內的光伏實驗站等。

2.4 ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETOOTH、IRDA 比較

表2對ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETOOTH、IRDA幾種無線通訊方式方法的特點做了對比。

表2 ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETOOTH、IRDA的比較

3 實例

3.1 寧夏中衛20 MWp光伏并網電站監控系統

該工程位于寧夏中衛，裝機容量20 MWp，采用分塊發電、集中并網，將電站分成4個5 MW并網發電系統，4個發電分系統輸出35 kWp電壓，經匯流接入35 kV配電室送至電網。每1 MWp建1座逆變器室，數據采集器及對應的環網交換機位于逆變室內，每臺數據采集器采集2臺逆變器、1臺直流柜、16個匯流箱數據，采用光纖環網結構，20臺數據采集器接入對應環網交換機，經光纖環網將數據上傳至監控中心上位機。

3.2 基于ZIGBEE的光伏路燈照明監控系統[12]

圖7 20MW電站光伏監控系統

該系統由光伏發電系統、無線通信系統和監控計算機3部分組成，其中，光伏發電系統由圖書館頂部的太陽電池板、蓄電池組和光伏充電機構成。太陽電池板為系統輸入電源，白天將光能轉換為電能，經光伏充電機對蓄電池組充電，夜晚經光伏充電機切換輸出到路燈負載。監控計算機在與光伏發電系統相隔200 m外另一建筑中，中間間隔一個水池，布線成本高且施工復雜，因此，采用基于ZIGBEE的無線通訊方式對太陽能系統的充放電及路燈進行監測及控制。系統框圖如圖8所示。

圖8 ZIGBEE光伏路燈照明監控系統

監控計算機與ZIGBEE中心節點(網絡協調器)之間通過RS485相連接，負責光伏數據采集和系統管理，光伏充電機及各路燈作為ZIGBEE終端節點，與本ZIGBEE節點通過RS485或RS232相連接，監控計算機通過中心節點發送命令給終點節點，實現對充電機電源開關的切換和對各路燈節點狀態的傳輸及開關控制，來實現路燈的單獨、分段或景觀效果控制[8]。在實際應用時，由于ZIGBEE低功耗的特點，節點間通信距離一般為70 m，需選用帶有PA(Power Amplification)功率放大的ZIGBEE模塊，或采用增加路由器節點來擴大覆蓋范圍。

4 結語

本文論述了目前具有實際工程意義的幾種光伏監控系統，包括工業以太網、CAN總線、ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH等。對于兆瓦級及以上的大型光伏電站，具有集中大面積分布特點，一般采用RS485轉工業以太網的形式，將底層設備的運行數據上傳至電站監控中心；對于帶有儲能裝置的光伏系統，由于高實時性及后期擴展要求，適用于CAN總線通訊；對于分布式光伏系統，根據各工程實際情況及當時網絡特點等可采用ZIGBEE、ZIGBEE+GPRS、WIFI或BLUETEETH等方式。有線及無線兩種方式各列舉了1個工程應用實例。

[1] 國家能源局. 太陽能發電發展“十二五”規劃[EB/OL].http://www.ccchina.gov.cn/WebSite/CCChina/UpFile/File1293.pdf.

[2] 國際能源戰略智庫峰會. 能源：光伏[EB/OL]. http://www.chinalms.com.

[3] 劉新德, 盧曉東,馮仁劍.基于CAN總線的模塊化獨立光伏發電控制系統[J]. 低壓電器, 2012, (7)：23－26.

[4] 謝昊飛,李勇,王平,等.網絡控制技術[M]. 北京：機械工業出版社, 2009.

[5] 陽賢惠. 現場總線技術及應用[M]. 北京：清華大學出版社，1999.

[6] 吳愛國, 梁瑾, 金文. 工業以太網的發展現狀[J]. 信息與控制, 2003 ,(5)：459－461.

[7] 熊育悅，趙哲身. 工業以太網在自動控制系統控制的應用前景[J]. 自動化儀表，2002, (9)：1－5.

[8] 姜勇剛，馮震. PROFIBUS總線、CAN總線及工業以太網的應用探討[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/link?url=LGTBo9u 4d0QOC38bJTO5WEjK_WIR_ahLXuNXYscDgkKysaTfueWAM 5Qn7eV7AX2SmqQNWfNJlD-viKvYS5AA6hOm3OJ_QhbGy_a2l84slXm.

[9] 張輝. 基于Zigbee技術的太陽能電站監控系統[D]. 安徽：安徽理工大學, 2011.

[10] 王成福,唐曉強. 基于GPRS的路燈監控系統的設計與實現[J]. 監控與監測, 2008, 29(190)：18－21.

[11] 蔣偉民,畢紅軍. 五種主流近距離無線技術比較[J]. 科技創新導報, 2006, (2)：2.

[12] 田裕康,馬雙寶. 基于ZIGBEE的光伏照明控制系統設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用, 2010, (7)：52－55.