海南全島性集中式實時氣象數據服務系統的設計與實現

陳鍇

【摘 要】針對光伏站點遍布全島的實際需求，現給出了一種海南全島性集中式實時氣象數據服務系統的設計過程及設計要點，該系統采用C/S架構，利用穩定高性能遠程傳輸模塊（DTU）和可靠成熟通信技術設計完成一套適應海南氣候的氣象數據服務系統。能實現實時反映所在地光伏氣象數據狀況，為全島全年光伏發電、功率預測提供依據。

【Abstract】In view of the actual demand of photovoltaic stations all over the island， the design process and key design points of a centralized real-time meteorological data service system for Hainan island is put forward. The system adopts C/S architecture， uses stable high performance remote transmission module （DTU） and reliable mature communication technology to design and complete a meteorological data service system adapted to the climate of Hainan. It can reflect the local photovoltaic meteorological data in real time， and provide the basis for the whole year photovoltaic power generation and power prediction of the island.

【關鍵詞】海南；全島性；氣象數據系統

【Keywords】Hainan； whole island； meteorological data system

【中圖分類號】TP311.5 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2019）02-0163-02

1 引言

海南地處熱帶北緣，太陽能資源較為豐富，在島上發展太陽能發電條件充足。現有公司需求，在島上建設約150MW產能的光伏電站，其電站數量眾多、分布較散、大小不一，面對這種復雜情況需制定科學化合理的管理策略。另外，光伏發電與火電、水電相比有一定的不穩定性，且其能量密度較低，與氣候條件，主要是輻射總量密切相關，為了更好地掌握光伏發電波動規律，增強光伏發電穩定性，以統計學的方法預測其可預測性，也為今后海南地區典型光伏氣象數據年等工作建立數據基礎。現準備利用現有成熟技術，并適應海南氣候腐蝕性強、溫度高、鹽霧大、臺風多特點建立一套全島性集中式氣象數據服務系統，且為在熱帶海島氣候下后期項目建立站點累計經驗。

2 全島性集中式氣象數據服務系統的系統組成概述

整套系統計劃分2～3期進行開發，現一期計劃建成數據中心服務站配套建設及完成海南北部西部中部10個站點電站選點安裝。后幾期可根據實際需要和電站分布情況補足遍布全島的東部、南部的剩余必要點，完成一個遍布全島的光伏氣象數據服務系統。該系統站點主要由兩部分組成，由位于臨高的中心站服務器及分布于海口、臨高、澄邁、洋浦、屯昌、樂東的光伏電站的氣象采集子站組成。

3 系統設計及構成介紹

3.1 子站系統構成

光伏電站氣象采集子站系統主要有軟件系統及硬件系統兩大塊組成，考慮到光伏電站發電的主要影響因素，參考其他資料及相關標準，選取一組易測物理量作為測量參數，如總輻射、傾斜輻射、風速、風向、環境溫度、環境濕度、組件背板溫度、瞬時輻射值，所有能測試到的物理量均實時展示在本地監控電腦并生成對應歷史數據庫。考慮到安裝點有些為無人或少人值守的屋頂光伏電站，故為擬測量物理量配備技術穩定性強、成熟度高、精度高的傳感器，在整套傳感器系統中，輻射表占有舉足輕重的地位，經過詳細考慮對比，在日本EKO、錦州陽光、荷蘭KIPP三家，綜合考慮價格、精度、靈敏度系數、輻射表線性度等因素，最終選擇日本EKO作為本次輻射表的供應商。其他物理量國內技術較為成熟，故傳感器均采用技術成熟度較高的國內產品。另外，由于海南特殊的氣候及地理條件環境，對本次使用的三腳架有一定的特殊要求，在臺風頻率高、熱帶氣候高溫高濕環境、高鹽霧環境中需要慎重考慮其材質的強度及抗腐蝕性，經過選擇比較，決定選用316合金鋼材代替原來304鋼制作三角塔架的方案，同時塔架工藝上增加其與地面的接觸面積，并在地面上多加兩孔打上兩顆地腳螺栓來增加其抗拔力。再確定光伏電站氣象采集子站硬件系統主要部分，硬件主要由總輻射表、傾斜輻射表、風向風速儀、溫度濕度計、背板溫度、數據采集器組成，能保證基本的氣象數據采集并保留擴展功能，按功能可以分為下面模塊UPS電源模塊、傳感器數據采集模塊、遠程通信模塊組成、數據處理模塊。其中，電源模塊為系統各部分提供相應電源；遠程通信模塊負責數據的傳輸；傳感器接入模塊提供各類氣象數據信號的接入；數據處理模塊負責數據的處理與管理，如圖1所示。為了減小空間和暴露，除傳感器外，其他功能模塊盡量經過合理化設計與調整，均一體化集成在設備機箱內，考慮到電磁兼容性，盡可能考慮做強弱電分離。另外，考慮到傳感器的所有接線，都需要接入機箱，這些線纜面臨著與支架相同的氣候環境條件，在線纜選擇上需特別注意，應選擇帶防護層線纜且對線纜需做防曬包扎處理。每個氣象子站除了與中心數據服務器通信外，還需接入本地聯通光伏監控電腦。此外，氣象子站對電源最好從光伏中控室不間斷供電電源上獲取，以防長時間停電情況下自帶UPS電池耗盡導致的大量數據嚴重丟失。尤其需要特別注意的是關于背板溫度線的處理，需在選點時，協調好溫度線與現場光伏組件的距離也是其中的考慮同等要素之一。

3.2中心站組成

中心站點主要由中心服務器、UPS供電電源、中心展示大屏三部分組成。其中，數據服務器與其成套搭配的軟件較為關鍵，為了氣象數據的穩定性與安全性及后期擴展開發考慮，在服務器上使用廠家較為成熟的氣象數據中心軟件，并建立相應的可離線使用ACCESS數據庫，能實現每個站點數據實時在線展示與歷史數據庫生成記錄，考慮到生成的25年數據樣本容量較小，以及簡化網絡結構，故此次不專門設置數據服務器，所有數據進行專門的定期備份。中心站點與子站呈放射狀結構且有些距離較長，為了解決中心站與子站之間的通信問題，綜合考慮成本低、工程周期短、適應性好、擴展性好、設備維護便捷等特點。選定GPRS通信模式為此次項目的通信模式，每個子站都配置有無線通信模塊。另外，出于安全性、長期性、穩定性及為后期項目可持續開發考慮，項目拉專線，設立專網，在架設服務器時申請了公網IP及相應域名，在子站無線通信模塊上做好相應的IP設置。但由于采用一對多網絡模型，為解決和避免服務器物理端口被過分占用的問題，保留物理端口以備擴展需要，此次服務器上創新性地采用虛擬化端口與遠程通信模塊端口來一一對應，事實證明，公網IP與虛擬化端口的組合能很好地滿足功能需求。中心展示大屏采用拼接屏與成熟技術的拼接屏矩陣管理軟件，技術成熟度較高，在此不再進行贅述。由于系統本身常用負荷并不是很大，所以項目UPS電源采用集成機箱浮充電源，能在斷電情況下維持大約3h的使用時間。

4 中心站與子站系統實現的功能耦合

中心站與子站均可以以分鐘為單位實時展示數據測試，中心站點服務器軟件“以人機交互性強、操作簡單、功能全面、窗口友好”為原則進行開發，保留站點接入擴展功能且為未來氣象預測系統保留擴展接口，能主要實現數據接收、本地存儲、實時數據庫動態展示，方便實現光伏氣象歷史數據庫調用、分鐘小時日月年及故障報表生成等功能。中心站服務配備了防火墻及相關反入侵軟件來保證服務器安全，同時建立了Access數據庫作為永久歷史數據庫。中心站點能集中或獨立展示氣象輻照數據各個氣象站點實時數據，以地圖的形式展示各個子站點的位置及實時數據情況，能生成曲線圖及柱狀圖。全島性氣象數據服務系統中，子站是基礎，子站在系統接入、數據傳輸上與中心站服務器保證通信協議、規約的一致性，同時子站在后臺就地生成實時與歷史數據庫方便維護員工就地使用及查閱。

5 結論

海南地區近些年來跟隨內陸興起了“光伏熱”，海南與內陸地區畢竟環境差異很大，不結合熱帶海島氣候特點進行設計與建造很有可能不符合實際，該文首要考慮海島性氣候中需常年使用的氣象子站如何經受高溫、高熱、高鹽霧、高頻臺風造成的可能性影響，積極探索用更高標準材料代替原標準材料（如用316鋼代替原304鋼），通過反復討論在面對眾多只有簡單收發功能的端口需求，選擇用虛擬化端口來代替，既優化了結構，節約了資源，又避免有限物理端口被過度占用，導致后期開發過程中需重新協調某些端口的問題。建設一套覆蓋全島的光伏氣象監測系統拼圖是一項長期性的工作，由于站點跨區域，面對的環境條件較為復雜，故設計之初系統對子站的穩定性、可靠性和中心站的穩定性、可擴展性有極高要求。現進行的一期項目中，綜合考慮了整個海島環境來進行氣象站設計和考慮環境要求及后期擴展需求來進行中心站建設，為以后進行全島化氣象站建設提供技術和經驗積累。