國內光伏電站監控技術研究進展綜述

上海太陽能工程技術研究中心有限公司 ■ 馮相賽

國內光伏電站監控技術研究進展綜述

上海太陽能工程技術研究中心有限公司 ■ 馮相賽

綜述了我國光伏電站遠程監控技術的發展歷程，分析了不同技術在光伏電站遠程監控中的應用及其優缺點，并闡明了光伏電站遠程監控技術的發展趨勢，為相關領域的研究人員在光伏電站遠程監控方面的研究提供一定的借鑒和參考。

光伏電站；監控；趨勢

0 引言

隨著工業的發展，全球環境問題日益嚴峻，煤炭、石油、天然氣等化石能源在利用過程中所產生的“廢水、廢渣、廢氣”在給環境帶來一定破壞的同時，也在一定程度上造成全球氣候變暖、海平面的上升，嚴重影響著人類的日常行為活動。面對日益嚴重的環境問題，新能源的研究和利用迫在眉睫。太陽能作為一種可再生能源，因其取之不盡、用之不竭的特性而備受關注。雖然每年只有約百萬分之二的太陽輻射到達地球，但太陽每年給地球帶來的能量超過1×1018kWh，這些能量是全球所需能源的1000倍之多[1]，如何有效合理地利用太陽到達地球表面的能量是全球所面臨的問題。

我國地域面積遼闊，太陽能資源豐富，全國各地太陽能的年輻射量約為3340～8400 MJ/m2，年均輻射量為5852 MJ/m2，其中全年日照時數超過2000 h，太陽總輻射量高于5012 MJ/m2的地區超過國土總面積的一半以上[2-6]，具有得天獨厚的資源優勢。

近年來，我國政府大力發展光伏產業，中西部以地面光伏電站為主，東部地區以與建筑相結合的分布式光伏電站為主。據國家能源局的信息統計數據顯示：截至2015年底，我國光伏發電累計裝機容量為4318萬kW，成為全球光伏發電裝機容量最大的國家。根據國家“十三五”規劃綱要的要求，到2020年，我國非化石能源的消耗比例要達到15%以上，而光伏電站作為非化石能源的重要組成部分，勢必會得到大力發展。

光伏電站的運營維護離不開遠程監控系統的建設，在大力發展光伏電站的同時，必須考慮光伏電站的信息監控問題[7,8]，以便實時了解光伏電站的發電性能，為光伏電站的運維及數據分析提供便利條件。

近年來，我國在光伏電站監控方面的研究應用取得了一定的進展和成效，本文從光伏電站監控系統的研究和應用角度綜述了國內光伏電站監控系統的發展利用狀況，為光伏電站相關方面的研究及應用人員提供一定的參考。

1 光伏遠程監控系統

隨著電力電子技術的發展及生產生活的需要，監控系統在各行各業得到廣泛應用。在工業領域，監控系統的應用大幅提高了生產效率，節省了企業的資金投入，為企業的相關數據分析提供了便利條件。

光伏電站的建設運行同樣也離不開監控系統的應用，這是因為光伏電站一般都建設在人員稀少的偏遠地區，不便于進行運營維護，如果派人長期值守記錄光伏電站的實時數據，從人工投入、資金投入、基礎設施保障等方面來說都是難以實現的[2,3,9-13]；另一方面，光伏電站的使用者通過監控系統才能全面掌握其運行情況。監控系統在光伏電站的研究與應用能夠為光伏電站的監控及后期運營維護提供技術支持和服務保障[7,14]。

與常規的監控系統類似，光伏電站的監控系統主要包括上位機、下位機[15]。不同的光伏監控系統由于其采用的軟、硬件系統的不同而不同；另外，需根據光伏電站是否有儲能要求的具體情況來決定是否需要對光伏電站增設與蓄電池相關的數據監控模塊。

1.1 監控系統原理

隨著監控技術的發展，光伏電站監控系統的類型經歷了從人工數據記錄、近距離的有線監控、遠程無線監控，到基于互聯網的實時監控[2]。不同的監控系統依據其用途及應用場所的不同，包含的軟、硬件系統各不相同。但一般的光伏電站監控系統工作原理簡圖如圖1所示，由單片機將光伏電站所采集的數據整合之后，通過電話線、移動基站等不同的數據傳輸方式將光伏電站的監控數據上傳至網絡，然后經數據中心處理后，發送給有需求的用戶。

圖1 光伏電站監控系統工作原理簡圖

通常的光伏監控系統有以下4種數據傳輸方式：通過Modem撥號的通信方式、基于Internet的TCP/IP協議的通信方式、基于ASP.NET和ADO.NET的通信方式，以及基于嵌入式Internet和GPRS無線數據傳輸的通信方式[2,4,6,9,16]。

1.2 硬件系統

光伏電站遠程監控系統的研究人員普遍將PC機作為上位機，而用作下位機的單片機有：W77E58單片機[2]、89C51單片機[3,17]、MSP430單片機[11]、80C31單片機[15]、89C52單片機[16]、Atmega8單片機[18]、TMS320系列單片機[19]、Atmega16單片機[20]等。通信方面，采用配置MAX3082、MAX3221[11]、MAX488/489[15]的RS485總線、CAN總線串行接口作為通信數據傳輸方式，之后通過Internet[2,9]、數傳電臺、電話線[11]等方式實現更遠距離的實時電站數據監控。在傳輸電路中采用光電隔離技術，以避免上位機與下位機及傳輸電路之間受其他信號的干擾[15,17]。一些監測功能簡單的光伏電站監控系統采用含有主控芯片的智能電表[18,21]作為光伏電站測控系統的芯片，通過單片機收集和匯總光伏電站系統的交直流信號將所采集信息發送至用戶端。

GPRS無線模塊同樣被廣泛應用到光伏電站監控系統的數據傳輸領域，可以通過Internet網絡覆蓋有移動信號的地區，適合中小型用戶便利接入[6,10,12,13,22-30]。在沒有網絡、沒有電話信號的地區，可以采用無線數傳模塊將光伏電站的監控數據傳送至有電話網絡或互聯網的地區。

隨著無線傳感技術的發展，Xbee[18]、Zigbee[31,32]等無線傳輸模塊也逐漸應用到光伏電站的數據傳輸領域，無線傳輸技術將應用到大規模光伏電站中的數據采集當中。

除了以上光伏電站遠程監控系統所需的主要硬件設備之外，光伏電站監控系統輔助的硬件設

備還包括：電流電壓采樣設備、風速采樣設備、環境溫度采樣設備，以及可選擇的蓄電池電壓、電流、溫度等物理量的采樣設備。風速傳感器多采用穩定性較好的三風杯風速傳感器[16]，溫度傳感器多采用紅外線傳感器[17]，電流電壓的采樣設備通常選用霍爾傳感器[32]。

1.3 軟件系統

光伏電站的遠程監控系統軟件由上位機軟件和下位機軟件組成，上位機軟件主要負責遠程數據的查看、處理、分析等；下位機軟件主要負責控制各傳感器的數據采集與傳輸。下位機的監控軟件可以用單片機的匯編語言進行相關模塊的編譯[2,17]，上位機的監控系統常用Visual C++[3,10,13,28]、Visual Basic[5,15,24]、Visual Studio[16]等語言編程軟件。

Visual Basic和Visual C++中包含的MSComm模塊被開發人員廣泛采用[3,15]，該模塊的優勢在于只需對MSComm的屬性和事件進行設置，即可實現串行異步通信。MSComm模塊的應用，可以避開復雜的API函數，采用標準化的通信命令接口，方便技術開發人員的快速使用。

除了常規的語言編譯軟件開發以外，還可以采用客戶端專用的開發工具Delphi6.0[9]，以及包含有DataSocket網絡軟件技術的LabVIEW[8,18]等軟件來實現上位機軟件的編譯。

隨著Web技術的發展，JSP動態網頁開發技術[7]、C#程序的物聯網平臺[6,21]，以及利用建立在.NET Common Language Runtime 上的ASP. NET技術[33,34]也被一些相關的光伏監控技術人員所采用。

通過以上開發工具所編寫的電站客戶端軟件可以方便地實現光伏電站的實時數據監控、電站數據庫管理等功能，并可以根據客戶的實際需要調節數據采集的時間間隔，同時能夠將光伏電站的電流、電壓、功率、溫度、發電量等信息描繪成相應的曲線。

2 存在問題

光伏電站監控系統從最初的人工抄表、通過電話線進行一定距離的數據傳輸、通過軟件客戶端進行光伏電站的數據監控，再到現在常用的通過瀏覽器的方式進行光伏電站的數據監控，每一種監控方式均存在其特有的優缺點。

1)人工現場抄表：這種方式所獲得的數據不能夠及時有效地反饋給遠距離的工程技術人員，且人工抄表所獲得的數據在抄表和傳遞數據時會產生一定的人為誤差，影響工程技術人員對光伏電站現場工作情況的判斷及相應的處理。

2)采用電話線進行數據傳輸：光伏電站信號與電話信號采用相同的傳輸線路，兩者的信號容易互相干擾，影響信號傳輸質量；另一方面，雖然與人工抄表相比，采用電話線進行數據傳輸的方式在一定程度上節省了人力物力，擴展了電站數據的傳輸距離，但是這種方式不便于讓工程技術人員實時了解光伏電站的運行狀況，且只適用于有電話線布置的區域。

3)通過移動基站信號發送光伏電站的運行數據：可以獨立使用信號通道對電站數據進行實時傳輸，但是該傳輸模式需有穩定的移動信號支持，移動信號的不穩定可能造成光伏電站數據傳輸的中斷或缺失，不能及時給電站工程技術人員反饋光伏電站的實時數據信息，影響光伏電站的后期監控及維護。

4)采用Internet基于瀏覽器的數據傳輸模式：該方式能夠讓工程技術人員通過互聯網隨時隨地、更方便地實時了解光伏電站的監測數據，使光伏電站的運行數據所傳送的距離可擴展到任何一個有互聯網的地方。但該方式的弊端與采用電話線及移動信號進行數據傳輸的方式類似，只能應用在有互聯網的地區。

5)采用Internet與通信衛星相結合的數據傳輸方式：該方式可以最大范圍進行光伏電站的數據采集與傳輸，但目前國內通信衛星尚沒有

大范圍對公眾進行商業化運作，通信衛星頻段的申請需要對應的政策支持，這使國內利用通信衛星進行電站數據傳輸技術及應用尚處于起步階段。

3 未來發展趨勢

隨著移動通信技術和電子技術的發展，光伏電站的遠程監控系統將朝更便捷、更智能化的方向發展。未來的光伏電站監控系統可實現更多移動終端的實時監控，使用戶更方便地掌握電站的實時運行情況，具體可從以下幾個方面入手：

1)監控系統的硬件方面：從檢測設備的角度，研究可靠性更高的檢測設備，將檢測設備直接與光伏組件有效地結合在一起，使光伏電站的監控更加便利，同時能夠實時監控每個光伏組件的發電情況。

2)在數據傳輸方面：更精確、更長距離的無線傳輸技術將是另一個重要的發展方向，無線傳輸技術的發展能夠進一步減少通信電纜的使用量，減少數據在有線傳輸過程中的能量消耗與信號衰減。

3)在軟件方面：常規的電站監控系統與電站自修復系統相結合也是未來發展的方向之一，自修復系統的引入可以擴展光伏電站的監控功能，同時能夠實現光伏電站自我檢測與修復功能。

4 結論

本文通過對國內光伏電站監控系統的研究與應用情況的總結，從光伏電站的監控系統分類、監控系統硬件、監控系統軟件、各種監控系統存在的問題，以及光伏電站監控系統的未來發展趨勢等方面進行了闡述，對光伏電站相關的工程技術人員及光伏電站監控系統的研究人員具有一定的參考意義。

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2016-06-29

馮相賽(1985—)，博士，主要從事光伏應用技術研發。fengxiangsai@solarcell.net.cn