基于GPRSGPRSS通信光伏風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)

翟亞軍，胡世昊

（1.國網(wǎng)江西省電力公司，江西南昌 330077；2.國網(wǎng)江西省電力公司九江供電分公司，江西九江 332000）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口的不斷增加，以石油、天然氣和煤炭等為主的化石能源正逐步消耗，能源危機(jī)成為世界各國共同面臨的課題。大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電，對環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約都有著重要的意義[1]。但風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電作為一類特殊的電力，具有許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的特點，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、運(yùn)行調(diào)度等諸多方面會帶來負(fù)面的影響，隨著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其對電網(wǎng)的影響也愈加顯著，成為制約風(fēng)力發(fā)電場及光伏電池容量和規(guī)模發(fā)展的嚴(yán)重障礙。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電供電可靠性受氣象環(huán)境、負(fù)荷等因素影響很大，其供電穩(wěn)定性也相對較差。因此，為了更加充分地利用好可開發(fā)的風(fēng)力和太陽能資源，需要及時有效對大規(guī)模發(fā)電和光伏發(fā)電進(jìn)行監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)采集平臺把不同采集終端采集回來的數(shù)據(jù)，存入本地數(shù)據(jù)庫并允許推送至遠(yuǎn)程服務(wù)中心，提供可靠的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的規(guī)劃、設(shè)計和運(yùn)行提供有效的指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

光伏風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)一般由光伏風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)中心三部分。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

數(shù)據(jù)采集器由監(jiān)測終端和GPRS模塊構(gòu)成，通過RS485總線，向光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制器和微氣象站進(jìn)行通信，通信協(xié)議為MODBUS協(xié)議RTU格式，Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。系統(tǒng)通過總線形式將風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的當(dāng)前功率、日電量、總電量、當(dāng)前電壓電流、總運(yùn)行時間以及微氣象站中的溫度、日照、風(fēng)力、風(fēng)向等數(shù)據(jù)的采集，再通過GPRS模塊進(jìn)行透明傳輸。

圖1中一個監(jiān)測終端連接著多個設(shè)備，其中通過modbus協(xié)議中的設(shè)備地址來進(jìn)去查詢，Modbus查詢格式如表1所示[2]。再將多個監(jiān)測終端集中通過基站向數(shù)據(jù)服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)推送。表1為監(jiān)測終端請求數(shù)據(jù)格式，表2為主機(jī)請求數(shù)據(jù)后從機(jī)返回數(shù)據(jù)格式，其中光伏發(fā)電控制器、風(fēng)力發(fā)電控制器以及微氣象站均采用兩表中的數(shù)據(jù)格式。

表1 主機(jī)modbus協(xié)議查詢命令表

表2 從機(jī)設(shè)備查詢命令返回數(shù)據(jù)表

在本系統(tǒng)中，采用如圖1所示的基于GPRS無線通信技術(shù)將光伏風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的分布于不同地理位置上的監(jiān)測終端連接起來，建立有效的通信鏈路，實現(xiàn)各種相關(guān)信息的上傳和下達(dá)。系統(tǒng)總體設(shè)計為20 kW光伏發(fā)電和20 kW風(fēng)力發(fā)電，以及三臺微氣象站。其中共青城地區(qū)為兩臺10 kW光伏發(fā)電并網(wǎng)控制器和一臺微氣象站以及一臺監(jiān)測終端組網(wǎng)，湖口地區(qū)由十臺2 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)和兩臺微氣象站以及一臺監(jiān)測終端組網(wǎng)。

2 監(jiān)測終端的硬件及軟件實現(xiàn)

2.1 監(jiān)測終端硬件組成

系統(tǒng)硬件實現(xiàn)上主要分為主控制器單元、GPRS通信單元、通信轉(zhuǎn)換單元和顯示按鍵單元。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

主電路單元：主要包括CPU及基本的外圍芯片，是系統(tǒng)的核心，起到控制中心的作用。外圍芯片主要有時鐘芯片、看門狗芯片、以及Flash ROM。

CPU采用STC12C5A60S2單片機(jī)，是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8~12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 K/S），針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。在本系統(tǒng)中其低功耗和強(qiáng)抗干擾能力尤顯得重要。

顯示按鍵單元：主要包括按鍵和數(shù)碼管顯示。主要實現(xiàn)人際接口功能，用戶用戶設(shè)置從機(jī)設(shè)備地址號以及串口通信波特率等特性。

數(shù)據(jù)通信電路：主要包括串口通信芯片MAX232、RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器、GPRS模塊及鐵電存儲器FM24C64。RS232通信用于與GPRS模塊就行通信，RS485作為總線方式與光伏風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制器以及微氣象站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。FM24C64用于臨時存儲采集到的發(fā)電及氣象信息數(shù)據(jù)。

2.2 監(jiān)測終端軟件實現(xiàn)

監(jiān)測終端軟件部分主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)參數(shù)的管理，采集數(shù)據(jù)的分析與處理以、向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)和接收遠(yuǎn)程服務(wù)器操作指令，如定時發(fā)送數(shù)據(jù)、和遠(yuǎn)程服務(wù)器對時、數(shù)據(jù)查詢以及參數(shù)設(shè)定等。監(jiān)測終端程序大多采用C語言及匯編語言編寫。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測終端程序流程圖

3 GPRS通信

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的簡稱，GPRS采用與現(xiàn)有GSM（Global System for MobileCommnications全球移動通信系統(tǒng)）同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)，基站子系統(tǒng)（BSS）可提供全面的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用[3，4]。

在本監(jiān)測系統(tǒng)中，采用宏電公司生產(chǎn)的H7710 GPRSDTU模塊，為用戶提供高速、永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。利用GPRS/CDMA1x網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的透明傳輸，同時考慮到各應(yīng)用部門組網(wǎng)方面的需要，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)。特別適合中心對多點、點多分散的中小數(shù)據(jù)量的傳輸。

通過裝設(shè)GPRS的管理站，利用移動公司的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)，通過在不同地理位置的GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)測終端，將每個光伏風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制器和微氣象站的電量和氣象數(shù)據(jù)，傳輸給管理站，實現(xiàn)管理單元遠(yuǎn)程傳輸及綜合性的智能管理。GPRS實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測遙控具有以下特點：

1）實時性強(qiáng)。由于GPRS的不間斷的在線特性，可滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膶崟r性要求；

2）可對各監(jiān)測終端進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置命令。通過GPRS雙向系統(tǒng)實現(xiàn)對各監(jiān)測終端的命令參數(shù)調(diào)整等操作；

3）應(yīng)用范圍廣。GPRS覆蓋范圍廣，在無線GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)，都可以完成遠(yuǎn)程通信。

4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)中心

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)中心主要負(fù)責(zé)各網(wǎng)絡(luò)點的數(shù)據(jù)采集，從而形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集平臺，該數(shù)據(jù)中心的核心是面向?qū)ο蟮呐潆娋W(wǎng)準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)管理應(yīng)用提供極大的便利，在配電自動化應(yīng)用上得到廣泛應(yīng)用[5]，其中數(shù)據(jù)采集平臺實際曲線圖見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集實際曲線圖

在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)服務(wù)中心將各監(jiān)測終端點的信息通過總GPRS管理站將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)中心，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的推送，數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的框架圖見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)框架圖

分布式監(jiān)測終端數(shù)據(jù)已經(jīng)通過GPRS方式發(fā)送到九江供電公司信息中心外網(wǎng)IP地址。為了將上述數(shù)據(jù)推送給共青城智能電網(wǎng)可視化平臺，需要做如下工作：

1）在九江信息中心外網(wǎng)接收光伏數(shù)據(jù)的服務(wù)器上，部署數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序，每隔5分鐘，使用GPRS模塊（該模塊使用移動私網(wǎng)地址），轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到九江自動化機(jī)房移動私網(wǎng)IP服務(wù)器上。

2）在九江自動化機(jī)房移動私網(wǎng)IP服務(wù)器，部署GPRS數(shù)據(jù)接收程序。接收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫。

3）在九江自動化機(jī)房移動私網(wǎng)IP服務(wù)器，部署SOA數(shù)據(jù)推送程序，向南瑞部署在自動化機(jī)房的單向隔離前置服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本設(shè)計目前在九江配電自動化示范項目中使用，能夠準(zhǔn)確快速將湖口及彭澤地區(qū)的光伏和風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄沤瓟?shù)據(jù)服務(wù)中心，并及時將數(shù)據(jù)推送至配電中心可視化平臺。采用GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)測實現(xiàn)了配電數(shù)據(jù)的控制廣利功能，保證了發(fā)電數(shù)據(jù)得到及時的分析處理，實時監(jiān)測并網(wǎng)控制器的工作狀態(tài)。該系統(tǒng)在九江示范中心已安全穩(wěn)定運(yùn)行一年，已取得了令人滿意的效果。

[1]潘家錚.中國的能源問題和出路[J].世界科技研究與發(fā)展，1997，（19）：1-8.

[2]曹祁，王曉萍，郭振武.Modbus協(xié)議在數(shù)據(jù)采集儀中的實現(xiàn)[J].機(jī)電工程，2004，（21）：49-50.

[3]徐岸柳.基于GPRS的配電網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)設(shè)計[J].華北電力大學(xué)（北京），2010.

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[5]姚丹丹，王東濤，盧涵宇.基于WinCC的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].井岡山大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，（6）：20.