光伏電站多級數據監控和復合信息傳輸系統設計

胡長冬，李保合，孫麗兵

(上海太陽能科技有限公司，上海 201108)

隨著分布式光伏裝機容量在電網所占比例的不斷增加，實時監測和傳輸光伏電站的工作狀態和運行信息對保證電網的安全和穩定運行具有重要意義[1-2]。通過建立各種復雜條件和應用場景下分布式光伏電站的多參數采集和復合信息傳輸系統，有助于建立遠程分布式光伏電站設備云管理及云服務機制，可為大、中、小型分布式光伏電站提供集中運維、精細化管理、故障預警等服務，從而解決分布式光伏電站高效監控管理等問題，實現對跨地域分布式光伏電站遠程智能診斷。

1 無線傳感節點和協議設計

為了實現數據的分布式采集和傳輸，本文采用低功耗、高可靠性的CC 2530作為主控芯片設計無線傳感器節點[3]。為了保證系統的可靠性和節點傳輸距離，在射頻傳輸部分，增加了RFX2401c進行了信號功率放大。為了實現模塊的通用性，無線傳感器節點和傳感器通信采用RS-485通信協議。無線傳感器的節點結構示意圖如圖1所示。

圖1 無線傳感器的節點結構示意圖

CC 2530無線傳感器節點電路作為核心控制單元，其輸出信號經RFX2401c放大后發送出去，可提高信號的發送功率和發送距離。在硬件設計中采用子板和底板結合的設計方式，通信模塊和電源管理模塊設計在底板上，核心電路板插在底板上。為了實現通用性，匯聚節點和Zigbee節點采用相同的硬件設計電路。

軟件協議基于TI的Z-stack協議。整個Z-stack的主要工作流程分為系統啟動、驅動初始化、OSAL初始化、啟動和進入主循環等。

2 通用無線傳感器節點設計

無線傳感器節點的通用設計示意圖如圖2所示。對于光伏電站環境參數、電壓、電流的檢測需要各種傳感器和儀表設備，這些設備的輸出信號經信號調理電路調理后和無線傳感器節點進行對接，構成前端信號采集的無線傳感器網絡[4-5]。無線傳感器節點可以監控的設備主要包括環境溫度、環境濕度、黑球溫度、組件溫度、總輻射表、散射輻射表、直接輻射表、熱流輻射表、光合輻射表、紫外輻射表、風向儀、風速計、光照強度計、匯流箱電流、匯流箱電壓和各支路運行狀態等。

圖2 通用無線傳感器節點設計

3 數據網關設計

鑒于光伏電站一般位于偏遠地域，3G/4G網絡覆蓋情況不一定很好，因此在網關的設計中采用GPRS技術。USR-GM1是一款GPRS 數據傳輸核心模塊，提供RS-485轉GPRS 數據/短信息/語音通話等信息傳輸功能，被廣泛應用于電力/農業遠程監控/物聯網數據傳輸/物流等領域。模塊內置 TCP/IP 協議棧， 設置簡單，使用方便。圖3為GRPS設備的硬件電路圖。

圖3 GPRS設備的硬件電路圖

4 無線傳感器網絡和GPRS網絡混合組網

多個無線傳感器節點構成分布式無線傳感器網絡，進行信息和數據采集，所有的數據都匯聚給Sink節點，Sink節點與數據網關對接，實現數據的遠程網絡傳輸，在遠程服務器實現數據的分析、處理和顯示，如圖4所示。

圖4 WSN和GPRS混合組網

5 電站硬件設備改造升級

根據光伏電站特點，用傳感器節點和空氣溫濕度、土壤熱流、光照度、輻射、電流、電壓和設備狀態等傳感器或儀表通過RS-485連接，進行前端數據的采集。給匯流箱和直流配電柜增加無線傳感、無線傳輸和狀態監控模塊，實現設備的改造升級，如圖5所示。

圖5 匯流箱和直流配電柜的升級改造

6 結語

本文在網絡組網方面主要進行了無線Zigbee模塊設計，構建了GPRS和有線混合的數據傳輸網絡，實現了數據的遠程傳輸，并將監控網絡延伸到匯流箱，與原有系統結合，實現了更精細化的光伏電站監控網絡。通過完成一套無線傳感器網絡、GPRS網絡和有線網絡融合的四級監控網絡，有效解決了分布式光伏電站多級數據采集和遠程復合信息可靠傳輸的問題，大幅度地減少了日常巡檢的工作量，提高了效率和遠程診斷能力，為后續數據顯示、分析和故障診斷奠定了基礎。

參考文獻：

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