物聯網架構的光伏自跟蹤發電監控系統設計

王 歡 ，徐小力 ，2，趙文祥

（1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2.北京信息科技大學 現代測控技術教育部重點實驗室，北京100192）

光伏電站一般建設在空曠的場地上、沙漠里、海濱或者屋頂上，發電設備集中分布與離散分布并存，同時光伏電站還要配套監測及控制設備，如光伏電池板、跟蹤裝置等，因此大量的數據需要采集和傳送，包括設備運行狀態數據、各執行機構的控制數據等。為保證光伏電站安全可靠運行，必須安裝光伏電站監測系統，及時發現并解決光伏電站存在的故障。

物聯網是將一切事物數字化、網絡化，在物品之間、物品與人之間、人與現實環境之間實現高效信息交互。物聯網通過新的服務模式使各種信息技術融入社會行為，使信息化應用達到更高境界。從通信對象和過程來看，物聯網的核心是物與物以及人與物之間的信息交互。物聯網的基本特征可概括為全面感知、可靠傳送和智能處理[1]。

物聯網架構的光伏自跟蹤發電監控系統定義為利用各種傳感器實時檢測光伏發電系統運行狀態，提取相關參數；通過無線局域網、工控總線、GPRS、互聯網實現數據的現場收集及傳輸；建立光伏發電系統相關信息數據存儲中心，構建各種模型，通過這些模型對光伏發電系統的狀態進行監控。該系統由實時在線的檢測與執行機構層、PLC現場監控層及傳輸層、遠程網絡監控層3層組成。光伏自跟蹤發電監控實驗系統的設計及運行驗證了物聯網架構的光伏自跟蹤發電監控系統實現了3層之間數據的交互，實現了遠程決策、控制和監測，為光伏發電系統的運營管理提供了科學的依據。

1 物聯網架構的光伏自跟蹤發電監控系統總體設計

物聯網架構的光伏發電監控系統由3層結構組成：實時在線的檢測與執行機構層；PLC現場監控層及傳輸層；遠程網絡監控層。

圖1 光伏發電監控系統總體結構Fig.1 Solar photovoltaic power generation monitoring and diagnosing system

系統結構如圖1所示。該監控系統具有監測環境參數、監測每個發電單元的太陽能電池板發電狀態（適合小型電站）、跟蹤太陽，控制太陽能電池板的姿態并進行控制、監測逆變器工作狀態、遠程專家系統分析、診斷與監控、系統冗余控制等功能。

在監控系統中，傳感器與執行機構層為最底層，直接測量各種狀態信息并執行控制命令；PLC現場監控層為中間層，負責現場的通信、檢測與控制，收集各種信息并作適當處理，并為遠程網絡監控層提供信息；遠程網絡監控層為客戶端收集各種信息，并對系統存在的問題進行決策處理。

通過ZigBee無線網絡及Profibus現場總線，監控系統實現傳感器與執行機構層和PLC現場監控層信息互聯；通過GPRS無線網絡，監控系統實現PLC現場監控層和遠程網絡監控層信息互聯。系統可以靈活組建，適應多種地理條件、天氣條件及發電規模的變化，實現對光伏并網發電站的現場及遠程監控，保證光伏發電系統安全運行。

2 物聯網架構的光伏自跟蹤發電監控系統分層設計

2.1 實時在線的檢測與執行機構層

2.1.1 信號采集

光伏發電的檢測功能是對光伏發電設備屬性（狀態）進行標識，屬性包括設備的靜態屬性和動態屬性[2]，靜態屬性可以直接存儲在射頻識別標簽中，動態屬性則由相應傳感器監測。

光伏發電系統實時在線檢測環境、光伏陣列及逆變器的相關信號。光伏發電系統的發電能力與自然輻照環境有很大關系，實時檢測相關環境參數可以為光伏發電評價系統提供基礎數據。環境信息采集傳感器包括溫度傳感器、風向風速傳感器、照度傳感器及輻照強度傳感器等，這些傳感器被放置到距離PLC控制器較近的地方，傳感器輸出信號通過ZigBee無線網絡模塊接入從站1。

光伏陣列的檢測信號主要包括陣列輸出電壓、電流，通過對輸出電壓、電流的檢測，可以對陣列中光伏電池的工作狀態進行判斷。光伏電池板信息采集傳感器的數量和種類需要根據發電系統的規模和結構進行適當調整。對于采用了跟蹤裝置的光伏電站，通常包括多個發電單元，每個發電單元有一套光伏電池陣列和一套太陽跟蹤裝置，每個發電單元要采集的信息包括光伏電池板的溫度、直流輸出電壓、直流輸出電流、PSD位置傳感器信號等，這些信息均由相應類型的數據傳感器采集。同時，每個發電單元還要接收太陽跟蹤裝置運動控制信號。每個發電單元的輸入輸出信息都通過ZigBee網絡接入從站2（如果電站規模較大，則可建立多個從站2）。

逆變器是將太陽能電池板發出的直流電變換成交流電的DC轉AC裝置，它連接著光伏電池板及公共電網。經逆變器變換的電流電壓應當滿足公共電網入網要求，才能并入公共電網。從逆變器采集的數據包括逆變器輸入端直流電壓與電流、逆變器輸出端交流電壓與電流、設備溫度、單日發電量、總發電量、功率因數、轉換效率、電網電壓與電流信息等。逆變器的所有數據通過有線網絡傳輸到從站3中，進而接入到Profibus-DP現場總線中。

2.1.2 ZigBee無線通訊傳輸

如上所述，應用于此層的無線通信技術是Zig-Bee技術。它是基于網絡底層802.15.4的短距離數據通訊網絡協議，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術[3-5]，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

在此層采用ZigBee技術建立樹形短距離局域網，其拓撲結構如圖2所示。

圖2 ZigBee網絡拓樸結構Fig.2 ZigBee cluster tree topology

ZigBee無線傳感網絡由大量密集分布的傳感器網絡節點組成，每個節點都具有有限的計算處理、存儲和無線通信能力，可以近距離感知周圍的環境。節點之間通過無線電通信，并以自組織的方式構成網絡，相互傳遞數據并發布給觀察者。

網絡節點設備類型包括協調器節點FFD和終端節點RFD，FFD節點擔任網絡協調器，負責建立、初始化和設置網絡，RFD節點作為網絡終端節點連接各類傳感器，并將信息傳遞給FFD節點，RFD只能與FFD節點進行通訊，RFD之間不能通訊。網絡選擇一個FFD作為主協調FFD節點，由此節點通過智能輸入輸出模塊的總線接口發送到Profibus-DP總線上，供其它設備調用。終端節點RFD主要負責完成對并網光伏發電系統中的逆變器相關參數、光伏電站工作環境相關參數以及光伏組件的工作溫度，工作電流、電壓，開路電壓，短路電流等信息的采集、預處理和無線傳輸任務。設計過程中采用CC2530和相應的傳感器模塊作為核心器件來實現終端節點。協調器節點FFD負責無線傳感器網絡的組建和數據的接收、校驗及轉發，協調器節點FFD的核心器件也是CC2530。硬件設計方面協調器節點相對于傳感器節點缺少了數據采集功能模塊，增加了串口通信模塊。終端節點功能模塊示意如圖3所示。

圖3 終端節點各功能模塊示意Fig.3 Schematic diagram of the functional module of terminal panel points

終端節點程序流程如圖4所示。協調節點程序流程如圖5所示。

圖4 終端節點程序流程Fig.4 Program flow chart of the sensor panel point

圖5 協調節點程序流程Fig.5 Program flow chart of the coordinator panel points

2.2 PLC現場監控層及傳輸層

系統第二層為PLC現場監控層。該層具有承上啟下的作用，負責收集各類信息并控制執行機構動作，它包括各從站接入模塊、PLC控制器、操作屏及GPRS無線傳輸模塊。PLC與系統第一層組成Profibus-DP現場總線控制網絡進行實時高速通訊，完成光伏發電系統的多個太陽跟蹤裝置的操作控制。

用于通信控制的Profibus-DP現場總線既是新型自動化系統，又是低帶寬的底層控制網絡，它可

以和現場設備直接連接，一方面將現場測量控制設備互連為通信網絡，實現不同網段、不同現場通信設備間的信息共享；另一方面又將現場運行的各種信息傳送到遠離現場的控制室，實現與操作終端、上層控制管理網絡的連接和信息共享。Profibus-DP現場總線采用了總線通信方式，使控制系統不再采用一對一的設備連線模式，這樣控制功能可不依賴控制室計算機直接在現場完成，從而實現系統的分散控制。

光伏發電監控系統采用Profibus-DP主從傳輸方式，主站PLC對總線具有控制權，能夠主動發送信息，支持Profibus-DP的智能輸入輸出模塊（含DP接口CP5611）及GPRS透傳模塊作為從站。Profibus-DP的傳輸速率為9.6 kb/s～12 Mb/s，最大傳輸距離1000 m，可以使用中繼器延長至10 km，其傳輸介質是RS-485雙絞線或光纜，最多可掛接126個站點。

GPRS透傳模塊可以根據系統不同要求采用不同類型的透傳模塊。如果系統采集的信息量巨大，則采用單一數據傳輸功能GPRS-DTU模塊（例如JWOD2-DTU），如果系統采集信息量少則可采用具備模擬量與數字量數據采集功能的GPRS-RTU模塊。

為了保證PLC控制系統的可靠性，PLC中央處理器采取硬件冗余的控制方法。當主處理器單元失效時，備用處理器單元自動投入運行，接管控制。除了成對的使用處理器外，還配有專用的熱備模塊，熱備模塊負責檢測處理器，一旦發現主處理器失效，馬上將系統控制權交給備用處理器。硬件冗余均采用光纖通訊，通訊速度快、系統穩定、切換時間短。

2.3 遠程網絡監控層

系統第三層為遠程網絡監控層，負責為客戶端收集信息并對系統存在的問題進行決策處理。在正常工作模式下第二層的GPRS無線透傳模塊將現場的數據通過移動通信分組網絡傳遞給數據管理服務器（上位機），用于太陽能發電系統的狀態監控。該層服務器采用西門子組態軟件WinCC，可以通過工業以太網與管理級客戶端等聯網控制，實現太陽能發電系統的優化控制、故障診斷、監測和自動控制。

組態控制計算機通過組態與編程對光伏電站控制系統進行自動化設計與配置；通過數據采集、參數調節以及各類信號報警完成對光伏電站運行狀態的監視和控制；通過人機界面反應全面的過程信息，完成實時的動態數據處理。組態控制服務器采用冗余設計。冗余系統采用2臺連接到一起的服務器協同工作，運行期間，2臺服務器相互監控，可以及時地發現對方是否進入故障狀態，如果一臺服務器發生故障，則所有的客戶端自動切換到仍然正常的服務器，從而保證所有客戶端總可以進行對自動化系統的監視和操作。在一臺發生故障期間，正常的服務器繼續完成系統內的信息、過程數據歸檔和記錄；當故障服務器正常投入后，故障期間的歸檔記錄會自動復制到恢復后的服務器，從而保證了服務器數據的完整和連續。

遠程網絡監控層的評價及決策專家系統主要由動力學模型、實測數據統計分析趨勢預示模型構成。

2.3.1 動力學模型

在控制系統中，動力學模型包括：光伏發電系統的機構模型、性能模型。機構模型相關參數包括：光伏陣列的組成形式、光伏陣列的發電模式（追蹤還是固定）。性能模型包括：光伏組件和逆變器的等效電路。

2.3.2 實測數據統計分析趨勢預示模型

在控制系統中，趨勢預測模型包括：MPPT最大功率追蹤模塊、故障診斷模塊、可靠性分析模塊、光伏發電預測模塊。

在遠程網絡監控層，通過構建太陽能光伏發電評價及決策專家系統，在進行數據分析的基礎上，根據發電預測模塊預測的發電數據，配備相應的并網負荷；根據故障診斷模塊的診斷，及時有效地排除光伏陣列的故障；根據可靠性模塊的計算，及時調整系統構成或儲備備件；根據MPPT最大功率追蹤的方法，確保光伏電站最大功率的輸出。最終，可以實現對光伏自跟蹤發電系統的實時監控，實現光伏自跟蹤發電系統的安全可靠運行。

3 物聯網架構的光伏發電監控系統實驗平臺搭建

基于以上設計，搭建了10.8 kW物聯網架構的太陽能光伏自跟蹤發電的并網實驗系統。實驗系統額定并網功率10.8 kW，額定輸出電壓380 V，交流電壓偏差-10%～7%，交流頻率（50±0.2）Hz。 光伏陣列共由60塊單體太陽能組件組成。每4塊電池并聯后組成1個串聯支路，15個串聯支路相互串聯最終組成光伏陣列。每1條串聯支路并接旁路二極管；每1條并聯線路中串聯防反充二極管。該實驗系統可完成無線監測安裝地點的太陽輻射情況、風向風速、光伏電池板工作狀態、逆變器工作狀態、太陽跟蹤裝置工作狀態；可以實現MPPT（最大功率跟蹤）跟蹤、追日跟蹤；可以進行故障診斷和可靠性計算。

人機交互可以完成：

（1）參數設置功能

設置當前電站詳細的參數信息，包括DSP版式號、調試信息、用戶信息、修正系數等。

（2）信息查詢功能

查詢歷史曲線、運行數據、參數信息等。

（3）統計與預測分析功能

統計和預測所有自跟蹤光伏發電站信息，包括自跟蹤發電站的日、月、年發電量；自跟蹤發電機電設備的日、月、年運行狀態和耗電量。

（4）數據管理功能

自動壓縮數據庫、自動導出歷史數據等。

（5）用戶權限管理功能

管理用戶信息和管理權限。

4 結語

物聯網架構的太陽能光伏自跟蹤發電監控系統由3層組成。分別為檢測與執行機構層、PLC現場監控層及傳輸層、遠程網絡監控層。在系統的檢測與執行機構層，采用ZigBee技術建立樹形短距離局域網。該局域網可以迅速無誤地完成數據采集、傳輸及控制命令送達的任務。在系統的PLC現場監控層及傳輸層，PLC及與系統第一層組成Profibus-DP現場總線控制網絡進行實時高速通訊，完成發電系統的太陽跟蹤裝置的操作控制及底層數據的收集傳輸。在系統的遠程網絡監控層，融合了動力學模型及實測數據統計分析趨勢預示模型。經運行試驗，驗證了物聯網架構的光伏發電監控系統可以實現3層數據的交互，實現遠程決策、控制和監測，為光伏發電站的安全可靠運行提供了科學依據。

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