光伏電站遠程數據傳輸及環境監測實驗系統

王艷春，徐麗偉，惠鵬飛

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

我國絕大多數太陽能光伏電站都是建立在偏遠地區，而且多在無人值守的情況下運行，維護和觀測工作比較困難，若為每一個電站安排一個工作人員或者為幾個站點分配一個維護人員都將消耗大量的人力和物力[1-2]。隨著技術的發展與進步，這種傳統的工作方式已經不再適用，建立一個遠程數據傳輸系統，對太陽能電站的運行狀況進行自動化及綜合化的監測是必要的。首先，有利于對光伏電站進行遠程監測，能更好地管理系統設備，降低設備的維護成本[3]；其次，能直接獲得太陽能光伏電站的數據，可以免除數據在轉發時出現的錯誤，為系統的優化以及科研提供了有力的保障條件[4-5]。

本文設計并實現了基于B/S模式的小型太陽能光伏電站遠程數據傳輸系統。該系統以JSP為主要技術建立動態網頁來顯示實時數據，用MySOL3.23.52作為后臺數據庫，以tomcat6.0作為Web服務器。該系統包括實時數據顯示和系統管理兩項主要功能，通過實例測試和數據傳輸實驗，系統能夠正常工作，性能穩定。

1 系統總體設計

1.1 太陽能光伏電站系統架構

本文研究的太陽能光伏發電系統由兩部分組成，即光伏發電系統和監控系統。光伏發電系統把太陽能轉換成了交流電，完成了一個電站提供能源的這一基本功能；而監控系統對太陽能電站的研究工作有著巨大的幫助，它有數據采集和系統監控等功能。

光伏發電系統分為并網光伏系統和獨立光伏系統兩種[6]。本系統是為支持小型SG1K5TL并網光伏系統數據遠程傳輸進行開發的。這個小型太陽能光伏電站由光伏陣列、逆變器、計量系統和電網組成光伏并網發電系統。光伏模塊組成的光伏陣列將太陽能轉換成直流電能。逆變器作為中間重要單元將此直流電能轉換成與電網同頻率的交流電能并饋入電網中[7-8]。光伏電站監控系統架構如圖1所示。

圖1 監控系統結構圖

1.2 系統功能設計

本系統主要功能是在客戶端界面體現，用戶通過登錄進入該系統，可以對該系統所有功能進行操作。除了登錄頁面以外，整個系統分為如下6個模塊。

(1) 發電量統計模塊。本模塊顯示的是太陽能光伏電站在當天每個時段的發電量走勢圖，在這個模塊中我們可以看出電站在不同時段的發電量[9]。

(2) 節能減排數據顯示模塊。在本模塊中可以知道太陽能光伏電站節省了多少煤、純凈水的消耗，還可以知道減少了多少二氧化硫、二氧化碳和氮氧化物等有害氣體的排放。通過這個模塊可以很清晰地看出太陽能光伏電站對保護環境的貢獻。

(3) 逆變器數據顯示模塊。逆變器數據顯示模塊是太陽能光伏電站電參數顯示的主要模塊，包括PV輸入電流、PV輸入電壓、PV輸入功率、交流輸出電流、交流輸出電壓、交流輸出功率、逆變器溫度、日發電量、交流發電量、電網頻率和效率等數據。通過這個模塊可以了解太陽能光伏電站的發電量和它的發電效率等信息。

(4) 環境監測數據顯示模塊。在本模塊中顯示的是太陽輻射度、風速、環境溫度和組件溫度。通過這個模塊的數據可以知道太陽能光伏電站的環境因素對它工作效率的影響。

(5) 功率輻射比顯示模塊。本模塊中顯示的是發電功率和太陽輻射度的走勢圖。發電功率是太陽能電站的發電量的衡量標準，而輻射度是太陽能電站能量來源大小的體現。有了這2個數據的比較，這個太陽能光伏電站的工作效率就可以很清楚地體現了。

(6) 系統管理模塊。本模塊中有系統用戶管理和數據管理兩個部分。其中，用戶管理和數據上傳功能只有管理員權限的用戶可以使用[10-11]。

1.3 數據庫設計

數據庫是小型太陽能光伏電站遠程數據傳輸系統的基礎，也是其核心所在。本系統使用的數據庫表共有3個，分別為用戶信息表、報表信息表以及太陽能光伏電站實時數據表。在這3個表中，用戶信息表中裝有的數據是本系統的用戶信息；報表信息表保存的是報表上傳的相關信息，它們的數據量相對比較小；太陽能光伏電站實時數據表中的數據量是很多的，它可分為3個類別的數據：逆變器相關數據、環境監測數據和節能減排數據。用戶表結構見表1。

2 系統開發與功能實現

2.1 數據庫創建與數據讀取

2.1.1 數據庫創建和連接

由于本系統是采用太陽能光伏電站本地監控系統采集到的數據，這個本地監控系統完成了太陽能光伏電站相關數據的建庫工作，所以，只要建立用戶信息表信息和報表信息表即可[12]。

在太陽能光伏電站遠程數據傳輸系統中，要對數據庫中的數據進行讀取，首先就要保證JSP和MySQL數據庫建立連接[13]。在JSP+MySQL的開發模式中，數據庫的連接是比較簡單的，但是在連接過程中需要注意2個問題：(1)必須取得和MySQL相對于的JDBC驅動程序，避免數據庫連接失敗；(2)在數據庫用完之后一定要釋放數據庫連接，雖然不進行這個操作不會出現錯誤，但是不關閉Statement對象它就會一直占用服務器資源，而且存在潛在內存問題。

2.1.2 數據讀取

本系統數據庫中數據是實時的數據，故必然是按一定時間間隔不斷變化的。一般的數據庫讀取方法就無法讀取到更新后的數據，在這里采用數據庫輪詢方法。這樣的話，必須找到一個規律性比較強的字段來進行掃描，只有時間字段可以作為掃描字段的存在，其他字段的數據都是無規律的、變化的。觀察數據在數據庫中的存儲方式，每個數據和時間的對應關系是很好的。因此，在編寫輪詢程序時，讀取出最大時間值所對應的數據就為最新的數據。在讀取數據庫數據時，必須注意到保存太陽能系統相關參數的數據庫表名是變化的這一問題。

2.2 系統子模塊開發與實現

2.2.1 登錄界面

本系統中的太陽能數據是具有科研價值的內容，是作為一種資產的形式存在的，因此，需要設置用戶登錄功能，實現太陽能數據的保密，提高系統的安全性。在系統中還有一個系統管理的模塊，這個模塊中有用戶管理和數據上傳功能，這樣就意味著不能讓所有用戶都可以進入到這個單元。因此，在實現登錄界面時還要設置用戶的不同權限來控制不同用戶進入不同的頁面。用戶登錄流程圖如圖2所示。在判斷用戶信息是否正確時，是根據數據庫中的信息進行比對的，通過SQL語言完成查詢數據表信息。

圖2 用戶登錄流程圖

2.2.2 系統整體頁面布局

本系統在登錄以后，采用一個具有頁面導航的模板頁面來控制整個系統。在頁面最上部是一個簡單的Logo，右邊放置文字顯示區域，為當前時間；頁面下部左邊是導航區域，在導航區域下有不同的頁面鏈接；頁面下部右邊區域就是太陽能數據顯示的主界面。要準確地顯示導航選單(菜單)的狀態，需要注意3部分，一個是頁面初顯示時，一個是父選單單擊時，一個是子選單單擊時，所以需要3個對應的JavaScript方法來完成對應的功能。

在整體頁面的開發過程中，采用的技術是CSS+JavaScript+JSP。整體頁面主要由3個部分組成，由main.jsp、menu.jsp和mainxt.jsp(mainxt.jsp)控制的導航選單，top.jsp和topmenu.jsp控制的頁面頂部模塊，還有就是中間模塊。中間模塊是本系統的主要功能實現的區域，在點擊不同的選單時顯示對應的內容。

2.2.3 列表數據顯示模塊

本系統中有3個模塊的內容是以列表的形式顯示數據的，分別為節能減排數據、逆變器數據和環境監測參數。在這幾個模塊中的關鍵技術是在數據的實時刷新部分。通過SQL語句取出對應項目的實時數據，然后實現頁面的部分刷新。所謂實現頁面的部分刷新，就是只有對數據庫中改變的數據進行刷新，而其他頁面內容不刷新。實現頁面部分刷新可以很好地避免頁面整體刷新的閃爍效應，只刷新改變的數據，可以減少網絡的帶寬，實現更好的通信效率。

采用AJAX技術的jquery框架實現頁面部分刷新功能。實現頁面部分刷新用到了以下幾個關鍵函數：getData()向后臺發送請求獲取數據；callback()回調函數，以異步方式等待getData()返回的數據；setData(data)將數據顯示在頁面；setTime()是設置刷新時間的。

2.2.4 圖表模塊

系統中以走勢圖的形式顯示了日發電量和功率輻射比，走勢圖可以直觀地查看某個數據的歷史值和變化情況。在本系統中，走勢圖的刷新方式和上一小節的介紹的方式不一樣，它被設為每1分鐘刷新頁面1次，刷新后走勢圖根據數據庫數據變化。圖3為功率輻射比數據走勢曲線，日發電量走勢曲線如圖4所示。

圖3 功率輻射比曲線圖

圖4 日發電量走勢曲線圖

2.2.5 系統管理模塊

在系統管理模塊中有2個部分的操作，用戶管理和報表管理。用戶管理功能只有有管理員權限的用戶才可操作，在這里可以完成對用戶的添加、修改和刪除操作。添加用戶可以在數據庫中直接操作，也可以在頁面中操作。在頁面中添加用戶是常規手段，但在最開始數據庫中必須有一個具有管理員權限的用戶用來登錄系統。對用戶添加時有一定的字段定義，由user_input.jsp中代碼實現。

具有管理員權限的用戶可以上傳和下載報表，而普通用戶只能下載報表。在報表上傳時，由Report Action.java中的代碼進行控制。

3 系統功能測試

3.1 測試環境部署和配置

系統測試是在校園網中進行，光伏電站為我校建立的SG1K5TL小型并網太陽能光伏電站，以校園網中的兩部PC機分別作為數據庫服務器和Web服務器，客戶端為我院電工電子實驗中心的PC機。采用apache-tomcat-6.0.30服務器，要使應用程序在Web服務器上正常運行，客戶端能夠訪問，首先要對Web服務器進行配置。

3.2 測試方法和結果

在系統部署完成、測試環境配置成功之后，系統測試工作正式開始。測試內容包括：

(1) 測試系統能否在校園網內訪問。

(2) 測試整個系統的功能。以環境監測參數模塊作為實例，對系統的數據實時顯示和部分刷新功能進行具體描述。

測試方法：

(1) 應用程序服務器IP地址為172.16.62.115，數據庫服務器IP地址為172.16.27.39，客戶端為學院電工電子實驗中心。測試時，在客戶端的Web瀏覽器中輸入網站的URL：http:// 172.16.62.115:8080/SEDT。

(2) 在數據庫服務器端查看數據庫中環境監測模塊數據的變化情況，同時查看客戶端頁面顯示數據的變化情況。在數據庫進行一次更新后，環境監測模塊的數據中只有風速和電池組件溫度發生變化。前一組數據為：輻照度=365.625 W/m2，風速=1.872 m/s，環境溫度=26.3 ℃，電池組件溫度=35.4 ℃；更新后的數據為：輻照度=365.625 W/m2，風速=1.802 m/s，環境溫度=26.3 ℃，電池組件溫度=35.3 ℃。

實際效果和測試結果：

(1) 客戶端可以訪問小型太陽能遠程數據傳輸系統。

(2) 系統各個模塊數據顯示和刷新功能正常運行。環境監測模塊顯示頁面在數據數據變化后進行部分刷新，把風速更新為1.802 m/s，電池組件溫度更新為35.3 ℃，輻射度和環境溫度數據不變，它們數據顯示區域也不進行刷新。通過測試，實際效果與預期效果相同，系統能夠正常工作，性能穩定。第1組環境監測數據顯示頁面如圖5所示。

圖5 第一組環境監測數據頁面

數據庫中數據改變后環境監測數據顯示頁面如圖6所示，逆變器關鍵參數和逆變器運行參數分別如圖7和圖8所示。

圖6 數據更新后的環境監測參數頁面

4 結論

為了解決目前光伏電站遠程數據傳輸方式存在的實時性差、錯誤率高和資金消耗多等問題，提出一種基于B/S模式下的小型太陽能遠程數據傳輸系統設計方案。該系統以JSP為主要技術建立動態網頁來顯示實時數據，使用MySQL3.23.54作為后臺數據庫，以tomcat6.0作為Web服務器，在eclipse+Myeclipse軟件平臺上完成系統的開發。該系統的功能實現是在客戶端界面顯現的，包括逆變器數據、環境監測數據等實時數據的顯示和系統管理兩項主要功能，采用AJAX技術實現頁面部分刷新，應用Jfreechart技術建立數據走勢圖。實際測試和實驗結果表明：該系統性能穩定，能夠方便地完成對光伏電站各項動態數據及環境數據的實時監測。

圖7 逆變器關鍵參數

圖8 逆變器運行參數

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