基于GPRSGPRSS通信光伏風力發電并網監測系統

翟亞軍，胡世昊

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

0 引言

隨著全球經濟的迅速發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，能源危機成為世界各國共同面臨的課題。大力發展風力發電和光伏發電，對環境保護和能源節約都有著重要的意義[1]。但風力發電和光伏發電作為一類特殊的電力，具有許多不同于常規能源發電的特點，風力發電和光伏發電的并網運行對電網的安全穩定、運行調度等諸多方面會帶來負面的影響，隨著風力發電和光伏發電規模的不斷擴大，其對電網的影響也愈加顯著，成為制約風力發電場及光伏電池容量和規模發展的嚴重障礙。風力發電和光伏發電供電可靠性受氣象環境、負荷等因素影響很大，其供電穩定性也相對較差。因此，為了更加充分地利用好可開發的風力和太陽能資源，需要及時有效對大規模發電和光伏發電進行監控，通過數據采集平臺把不同采集終端采集回來的數據，存入本地數據庫并允許推送至遠程服務中心，提供可靠的數據并進行分析，為風力發電和光伏發電的規劃、設計和運行提供有效的指導。

1 系統總體設計

光伏風力發電并網監測系統一般由光伏風力發電并網控制器、數據采集器、數據庫服務中心三部分。系統框架圖如圖1所示。

圖1 系統整體框架圖

數據采集器由監測終端和GPRS模塊構成，通過RS485總線，向光伏發電、風力發電并網控制器和微氣象站進行通信，通信協議為MODBUS協議RTU格式，Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。系統通過總線形式將風力發電和光伏發電的當前功率、日電量、總電量、當前電壓電流、總運行時間以及微氣象站中的溫度、日照、風力、風向等數據的采集，再通過GPRS模塊進行透明傳輸。

圖1中一個監測終端連接著多個設備，其中通過modbus協議中的設備地址來進去查詢，Modbus查詢格式如表1所示[2]。再將多個監測終端集中通過基站向數據服務中心進行數據推送。表1為監測終端請求數據格式，表2為主機請求數據后從機返回數據格式，其中光伏發電控制器、風力發電控制器以及微氣象站均采用兩表中的數據格式。

表1 主機modbus協議查詢命令表

表2 從機設備查詢命令返回數據表

在本系統中，采用如圖1所示的基于GPRS無線通信技術將光伏風力發電并網監測系統中的分布于不同地理位置上的監測終端連接起來，建立有效的通信鏈路，實現各種相關信息的上傳和下達。系統總體設計為20 kW光伏發電和20 kW風力發電，以及三臺微氣象站。其中共青城地區為兩臺10 kW光伏發電并網控制器和一臺微氣象站以及一臺監測終端組網，湖口地區由十臺2 kW風力發電機和兩臺微氣象站以及一臺監測終端組網。

2 監測終端的硬件及軟件實現

2.1 監測終端硬件組成

系統硬件實現上主要分為主控制器單元、GPRS通信單元、通信轉換單元和顯示按鍵單元。硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件結構框圖

主電路單元：主要包括CPU及基本的外圍芯片，是系統的核心，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，是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8~12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250 K/S），針對電機控制，強干擾場合。在本系統中其低功耗和強抗干擾能力尤顯得重要。

顯示按鍵單元：主要包括按鍵和數碼管顯示。主要實現人際接口功能，用戶用戶設置從機設備地址號以及串口通信波特率等特性。

數據通信電路：主要包括串口通信芯片MAX232、RS232轉RS485轉換器、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力發電并網控制器以及微氣象站進行數據傳輸。FM24C64用于臨時存儲采集到的發電及氣象信息數據。

2.2 監測終端軟件實現

監測終端軟件部分主要負責系統參數的管理，采集數據的分析與處理以、向遠程服務器發送數據和接收遠程服務器操作指令，如定時發送數據、和遠程服務器對時、數據查詢以及參數設定等。監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 監測終端程序流程圖

3 GPRS通信

GPRS是通用分組無線業務（General Packet Radio Service）的簡稱，GPRS采用與現有GSM（Global System for MobileCommnications全球移動通信系統）同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發結構、同樣的跳頻規則以及同樣的TDMA幀結構，基站子系統（BSS）可提供全面的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務。特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數據傳輸等應用[3，4]。

在本監測系統中，采用宏電公司生產的H7710 GPRSDTU模塊，為用戶提供高速、永遠在線、透明數據傳輸的虛擬專用數據通信網絡。利用GPRS/CDMA1x網絡平臺實現數據信息的透明傳輸，同時考慮到各應用部門組網方面的需要，在網絡結構上實現虛擬數據專用網。特別適合中心對多點、點多分散的中小數據量的傳輸。

通過裝設GPRS的管理站，利用移動公司的GPRS通信網絡，通過在不同地理位置的GPRS遠程監測終端，將每個光伏風力發電并網控制器和微氣象站的電量和氣象數據，傳輸給管理站，實現管理單元遠程傳輸及綜合性的智能管理。GPRS實現遠程遙測遙控具有以下特點：

1）實時性強。由于GPRS的不間斷的在線特性，可滿足系統對數據采集和傳輸的實時性要求；

2）可對各監測終端進行遠程設置命令。通過GPRS雙向系統實現對各監測終端的命令參數調整等操作；

3）應用范圍廣。GPRS覆蓋范圍廣，在無線GSM/GPRS網絡覆蓋范圍之內，都可以完成遠程通信。

4 遠程數據服務中心

遠程數據服務中心主要負責各網絡點的數據采集，從而形成統一的數據采集平臺，該數據中心的核心是面向對象的配電網準實時數據庫，為數據管理應用提供極大的便利，在配電自動化應用上得到廣泛應用[5]，其中數據采集平臺實際曲線圖見圖4。

圖4 數據采集實際曲線圖

在本系統中數據服務中心將各監測終端點的信息通過總GPRS管理站將數據傳到數據中心，然后再進行數據的推送，數據服務系統的框架圖見圖5。

圖5 數據服務系統框架圖

分布式監測終端數據已經通過GPRS方式發送到九江供電公司信息中心外網IP地址。為了將上述數據推送給共青城智能電網可視化平臺，需要做如下工作：

1）在九江信息中心外網接收光伏數據的服務器上，部署數據轉發程序，每隔5分鐘，使用GPRS模塊（該模塊使用移動私網地址），轉發數據到九江自動化機房移動私網IP服務器上。

2）在九江自動化機房移動私網IP服務器，部署GPRS數據接收程序。接收到的數據保存到數據庫。

3）在九江自動化機房移動私網IP服務器，部署SOA數據推送程序，向南瑞部署在自動化機房的單向隔離前置服務器發送數據。

4 結語

本設計目前在九江配電自動化示范項目中使用，能夠準確快速將湖口及彭澤地區的光伏和風力發電數據傳輸到九江數據服務中心，并及時將數據推送至配電中心可視化平臺。采用GPRS遠程監測實現了配電數據的控制廣利功能，保證了發電數據得到及時的分析處理，實時監測并網控制器的工作狀態。該系統在九江示范中心已安全穩定運行一年，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].世界科技研究與發展，1997，（19）：1-8.

[2]曹祁，王曉萍，郭振武.Modbus協議在數據采集儀中的實現[J].機電工程，2004，（21）：49-50.

[3]徐岸柳.基于GPRS的配電網遠程數據采集及管理系統設計[J].華北電力大學（北京），2010.

[4]馨水平，賀建零.基于GPRS的配電變壓器在線監控系統研究[J].自動化儀表，2008，（29）.

[5]姚丹丹，王東濤，盧涵宇.基于WinCC的光伏發電監控系統的設計[J].井岡山大學學報（自然科學版），2011，（6）：20.