基于4G LTE的光伏電站無線監控系統的研究

邸亮 王帥

【摘要】 本文在分析了現有光伏電站監控技術的基礎上，提出了基于4G LTE的光伏發電無線監管系統，現場的數據信息通過CPE設備傳送至4G基站，再由基站通過電力專網傳送至監控中心，實現對光伏電站的實時監控、故障報警等功能，是一種高效率、高質量的通信方式。

【關鍵詞】 光伏電站 4G CPE 無線監控

引言

研究表明，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，足以供全球人類一年能量的消費。我國76%的國土光照充沛，由其在內蒙、甘肅、青海、西藏、新疆、四川等地的部分地區，電能稀缺，但太陽光年平均福照度大，若是將這些太陽能有效利用起來，那么這些地區用電就可自給自足，還可將多余電量輸送至其他地區，實現電能的自由調度。但這些偏遠地區的工作環境比較惡劣，不適合派技術人員或者工作人員長期職守，所以太陽能光伏電站大部分要在無人職守的狀態下進行；另外，同一地區光伏電站的站點分布不均勻，也迫切需要集中監控和管理，所以實現對太陽能光伏發電站的遠程監控具有十分重要的意義[1]。

一、光伏電站遠程監控技術

目前，具有實際工程意義的光伏監控系統采用的通訊手段包括有線方式和無線方式。

有線監控方式主要包括：工業RS485總線、PROFIBUS現場總線、CAN總線等來實現下位機與監控上位機之間的通訊，優點是可靠性和通訊實時性高，缺點是實施成本高；Modern電話線傳輸速率較慢、傳輸距離有限；工業以太網相對前兩種方法，適用范圍更廣、距離更長，但安裝成本較大。無線方式主要包括：ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH、IRDA 紅外[2]。它主要借助微波站或人造衛星的中繼傳輸技術，如利用移動通訊基站上專用的通訊信號頻段進行傳輸。隨著3G技術的不斷成熟，無線遠程監控還可實現聲頻和視頻數據的傳輸，但其運營成本較高且信號不穩定。

隨著信息技術的不斷發展，4G網絡應運而生，與傳統的通信技術相比，4G LTE通信技術最明顯的優勢在于通話質量和數據通信速度。如果說3G能為人們提供一個高速傳輸的無線通信環境的話，那么4G LTE通信會是一種超高速無線網絡，一種不需要電纜的信息超級高速公路，這種新網絡可使用戶以無線及三維空間虛擬實境連線，因此我們選取4G LTE通信技術來解決光伏電站遠程監控的通信難題，它的高實時性、方便快捷以及較快的傳輸速率，有效地滿足出現突發性、群體性和災難性事件時的應急指揮調度需要，使得它的應用具有實際意義。

二、監控系統方案設計

如圖1所示，本監控系統整體方案為：在光伏電站關鍵位置設置數據采集器以及IP高清網絡攝像頭，以進行圖像采集，同時將采集的傳感數字信號通過室外LTE無線路由設備CPE（Customer Premises Equipment）上傳到4G基站，再由基站傳回監控指揮中心。基站是智能光伏電站寬帶系統的接入設備，通過無線接口與終端通信，通過S1接口與核心交換設備通信。基站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。

對于電站的監控點，4G無線網絡的中心設置在電站的至高點，各監控點分別通過室外CPE和基站實現連接，前端攝像機通過RJ45 10/100M自適應網口與前端無線CPE連接，然后再通過天線與后端4G基站連接，并把數據傳輸到控制中心，可以通過PC機或大屏進行集中監控；對于非攝像頭監控區域，監控中心可以安排人員通過手持終端的方式進行圖像采集；大規模覆蓋可以通過微波進行4G基站之間的互連，實現大范圍的監控。

2.1 4G與CPE

2.1.1 4G LTE技術

簡介：4G LTE（Fourth-generation Long Term Evolution）即是3G主導的通用移動通信系統技術的長期演進，是時分雙工（TD-LTE）和頻分雙工（FDD-LTE）的統稱，4G LTE一般特指TD-LTE。

優勢：

1、速度快：4G通信系統傳輸速度可達10～20Mbps，甚至100Mbps，相當于09年最新手機傳輸速度的1萬倍。這一顯著性優勢可支持光伏電站監控中的雙向視頻傳輸功能，為電站的長期穩定運營提供堅實的基礎。

2、頻譜寬：要想使4G通信速度更高，就應在3G的蜂窩系統基礎上拓寬帶寬。預計每個4G信道會占有100MHz的頻譜，這相當于W-CDMA 3G網路的20倍。

3、通信靈活：未來4G通信不僅可以隨時隨地通信，更可以雙向下載傳遞資料、圖畫、影像，更可網上定位，據此，光伏電站監控系統中的對巡檢人員以及故障的位置的實時跟蹤功能，可完美實現。

4、兼容性能更平滑：未來4G通信系統應當具備全球漫游、接口開放、與多種網絡互聯、終端多樣化以及能從第二代平穩過渡等特點，可使應用更便捷，能隨意增加移動終端，完善電站的實時監控。

5、高質量通信：4G通信更多的是應多媒體的傳輸需求，提升通信質量。即必須可以容納市場龐大的用戶量、改善現有通信品質不良的狀況，以及達到高速數據傳輸的要求。

6、頻率使用效率更高：由于利用了幾項不同的技術，無線頻率的使用更加有效。這種有效性可讓更多人使用與以前相同數量的無線頻譜做更多事，且速度較快。據相關人員介紹，下載速率有望達到5～10Mbps，這對于光伏電站的遠程監控是一個最有價值的技術支持。

7、費用更便宜：由于4G通信引入較多尖端通信技術，使得系統操作方式靈活性較高，所以更加容易部署。同時通信營運商會考慮在3G基礎上采用逐步引入的方法，以降低運行者和用戶的費用[3]。因此在考慮經濟因素的條件下，4G技術同樣滿足我們光伏電站遠程監控的要求。

綜上所述，目前4G LTE無論在技術上還是運營成本上都要比其他布網方式有優勢，同樣的成本卻能獲得更快的通信速度、更高的通訊質量和更準確的定位，那么相比于其他方面的劣勢，我們秉持寬容，并在發展中不斷改進。

2.1.2無線CPE

無線CPE是一種接收WIFI信號的新型的無線終端接入設備，可接收無線路由器、無線AP、無線基站等的無線信號。同時，它也是一種將高速4G信號轉換成WIFI信號的設備，距無線覆蓋基站的距離可以達到標準WIFI客戶端的4倍。終端數量較多，可大量應用于生產生活區域的無線網絡接入，能節省鋪設有線網絡的費用。

但在實際應用中，難以找到視距無遮擋的環境，通過無線傳播模型的測算和經驗表明，采用CPE的客戶端與基站的傳輸距離可以達到1～5Km[4]。因此，在多個位置放置CPE設備即可實現WIFI對光伏電站全覆蓋，這對遠程監控的實現提供了有效途徑。

2.2 網絡架構

如圖2所示，系統由平臺層、網絡層和終端層組成，終端層主要負責信息的采集和編碼，網絡層負責4G網絡的傳輸，平臺層負責控制、調度、顯示設備組成，整個平臺完成了信息的采集、編碼、傳輸、顯示和控制功能。

網絡層是光伏電站前端設備與后端平臺的橋梁。網絡層實現了前端設備與后端平臺的數據交互。大大提高了光伏電站的自動化程度，提高了電站的安全等級，降低了人員開支等運營成本。

三、系統功能

太陽能光伏發電系統由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池組、逆變器和監控系統構成，監控系統軟件又由上位機程序和下位機程序組成，共同實現對整個光伏系統的實時監測與控制。本系統所具有的功能如下：

1）實時數據采集：實時數據由無線傳感器來采集，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、光伏陣列位置角度、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）[5]等，并上傳至由磁盤陣列組成的數據庫，用于專家對監控系統的改善及升級。當網絡信號較弱時，可將采集到的數據進行本地緩存，待網絡信號較強時再上傳。實時數據存儲在主機內存中，歷史數據存儲于磁盤陣列。

磁盤陣列作為獨立系統在主機外直連或通過網絡與主機相連。它為數據服務器和應用服務器工作。

2）視頻監控：分為定點視頻監控和動態視頻監控，定點視頻監控通過安裝固定攝像頭，實時調取各監控區域作業情況；動態視頻監控通過4G手持終端、實現重點監控區域動態的視頻回傳。

3）故障報警：可以實時顯示底層設備報警及故障信息數據，具有聲光報警功能，由監控中心人員發現報警并通過相應措施消除報警，如安排檢修人員現場排除故障。系統具備任意時段的歷史報警的篩選查詢功能；針對電站運行的關鍵參數信息設置閥值預警機制，并通過預警監視畫面實時展示預警信息，提前預知設備的使用情況、合理安排檢修計劃，最大程度的減少經濟損失。

4）視頻、語音通話：監控中心與調度系統之間或各終端之間可實現語音、視頻通話，這是4G網絡最鮮明的特征。系統可以隨時向巡檢人員發送文字、圖片、視頻等信息，進行雙向的高清720p音視頻通信，起到通知、指令下達、行動指引等作用；巡檢人員具有GPS定位功能，其位置可以實時顯示在地圖上，指揮人員可以隨時看到他們的位置，可以實時確定其行進路線，進行實時指揮。

5）報表管理：采用自動生成與手工填報結合方式，對可實現系統自動根據歷史數據庫信息對報表進行自動填報，對需用語言描述的進行手工填報，最大限度保證填報數據的可靠性，且報表功能采用指標填報方式，各個報表中指標數據唯一、準確。

6）系統管理：可對通訊調度管理系統的基礎數據的配置進行維護域修改，添加、刪除、更改訪問權限等，以方便用戶的使用。

四、結論

本文總結了現有的光伏電站無線監控技術，分析了各個技術的利弊以及應用范圍，并在此基礎上提出了基于4G LTE的網絡傳輸方案。整個光伏電站通過CPE設備，將基站的4G網絡轉換成WIFI以對光伏電站進行全覆蓋，監控各個設備的工作狀況，實時了解現場狀況，較高的通話質量和更快的通信速度，更加便于專家進行決策并下發命令，保證在出現故障后的最短時間內讓系統恢復工作，最大程度上減少經濟損失，提升發電效率，解決更多地區的用電問題。此外，實時數據與歷史數據的記錄功能，為電站評估和設備質保問題提供有效的數據依據，可有效的利用歷史數據來對系統進行定期升級。4G的誕生，實現了光伏電站的智能化、規范化、科學化、信息化，為無線監管系統開辟了一個新的篇章。

參 考 文 獻

[1]S.V.Natarajan，S.C.Subramanian，S.Darb-ha and K.R.Rajagopal.A model of the relay valve used in an air brake system[J].Nonlnear Snalysis：Hybrid Systems.2007，12（5）：430-442.

[2]張巍，彭良平，杜毅，張黎，曾捷.光伏電站監控系統分析[J].太陽能.2014.8.

[3]4G LTE，搜狗百科.http：//baike.sogou.com/v69841168.htm.

[4]無線CPE，百度百科.http：//baike.baidu.com/subview/6094834/6173915.htm.

[5]張巍，彭良平，杜毅，張黎，曾捷. 光伏電站監控系統分析[J]. 太陽能，2014，08：17-21+38.