東方日立(成都)電控設備有限公司 ■ 張巍 彭良平 杜毅 張黎 曾捷

0 引言

隨中國政府持續(xù)出臺的支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，太陽能光伏發(fā)電項目不斷增多[1]，截至2012 年底，我國累計建設容量7.97 GW，其中大型光伏電站4.19 GW，分布式光伏系統(tǒng)3.78 GW[2]。國家能源局發(fā)布的《太陽能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》稱，到2015 年底，太陽能發(fā)電裝機容量達到21 GW以上，年發(fā)電量達到250億kWh。隨著大型光伏電站及分布式光伏系統(tǒng)的建設和投運，業(yè)主及電網(wǎng)公司對設備的實時監(jiān)控提出了更高的要求。

光伏監(jiān)控系統(tǒng)需實現(xiàn)的功能有：1) 匯流箱、逆變器、電池板、蓄電池組及其控制器(帶儲能功能的光伏系統(tǒng))、環(huán)境溫度等底層設備實時數(shù)據(jù)及狀態(tài)的采集；2) 底層設備故障報警；3) 重要數(shù)據(jù)的歷史存儲；4) 遠方及本地對電站設備的必要操控。即集遙測、遙控、遙信、遙調(diào)功能為一體，且需具備高可靠性，全年不間斷工作。

目前具有實際工程意義的監(jiān)控系統(tǒng)從物理實現(xiàn)方式上可分為有線及無線兩種。有線方式主要包括：工業(yè)RS485總線、PROFIBUS現(xiàn)場總線、CAN總線、Modem電話線、工業(yè)以太網(wǎng)。無線方式主要包括：ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH、IRDA紅外。需根據(jù)實際工程要求及各種通訊方式的特點選擇適合的監(jiān)控方案。

1 基于現(xiàn)場總線的光伏監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 兆瓦級及以上并網(wǎng)光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)

兆瓦級及以上光伏電站占地面積廣、設備數(shù)量及種類龐大、建設集中。目前最為廣泛采用的是有線監(jiān)控方式。整體架構(gòu)包括本地數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲與處理3部分，如圖1所示。

圖1 一種基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)

1.1.1 本地數(shù)據(jù)采集

通過數(shù)據(jù)采集器與底層設備相連接，采集設備的實時數(shù)據(jù)，如匯流箱電流、逆變器功率和發(fā)電量、環(huán)境監(jiān)測儀溫度和風向、安防裝置視頻數(shù)據(jù)、保護裝置(高壓開關(guān)狀態(tài)、直流接地狀態(tài))、計量裝置(電量/電壓/電能質(zhì)量等計量儀器數(shù)據(jù))。物理層廣泛采用造價低廉的工業(yè)RS485總線，MODBUS協(xié)議作為總線協(xié)議。

1.1.2 數(shù)據(jù)傳輸

本地數(shù)據(jù)采集器與監(jiān)控中心通訊網(wǎng)絡間相距較遠，一般為幾千米至幾十千米，采用工業(yè)以太網(wǎng)(TCP/IP)，光纖連接?；赥CP/IP的以太網(wǎng)是標準開放式網(wǎng)絡，光纖組網(wǎng)可采用星形拓撲結(jié)構(gòu)或環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。

星形拓撲結(jié)構(gòu)屬于集中控制型網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡由中心節(jié)點執(zhí)行集中式通訊控制管理，各分節(jié)點均直接與中心節(jié)點連接，中心節(jié)點與分節(jié)點之間直接進行數(shù)據(jù)交互；若某節(jié)點線纜出現(xiàn)故障，將導致數(shù)據(jù)無法傳輸；總布線距離長。

如圖2所示，環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)可利用它的自愈性能，將線路切換至備用線路上，從而保證信號的實時暢通，實現(xiàn)高可靠性、多備份和信號迅速恢復的要求。且環(huán)網(wǎng)的線纜利用率高，線材的成本會大幅降低。

圖2 星型拓撲結(jié)構(gòu)和環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

1.1.3 數(shù)據(jù)存儲與處理

通過電站監(jiān)控中心的上位機監(jiān)控軟件對數(shù)據(jù)進行存儲及處理。上位機監(jiān)控軟件目前有兩種實現(xiàn)方式：1) 基于VC、C++、VB或DELHI等高級語言作為管理軟件開發(fā)平臺開發(fā)的上位機軟件，開發(fā)難度高、工作量龐大、開發(fā)周期長、開發(fā)完成無需后續(xù)資金投入；2) 組態(tài)軟件，基于C/S(Client/Server)客戶機/服務器模式(如組態(tài)王、三維力控)或基于B/S結(jié)構(gòu)(Browser/Server)瀏覽器/服務器模式(如研華科技)的組態(tài)軟件，支持多種通訊協(xié)議，無需底層程序開發(fā)，只需進行畫面、通訊點設置等二次開發(fā)后可直接使用，開發(fā)周期短、難度低、可靠性高，但需按每個工程通訊點的數(shù)量收費購買。

由于兆瓦級及以上并網(wǎng)光伏電站需由當?shù)仉娋W(wǎng)公司進行統(tǒng)一調(diào)度，因此，監(jiān)控中心上位機還需按電網(wǎng)公司電力規(guī)約要求(如電力102、103、104規(guī)約等)，將電站數(shù)據(jù)上傳，并下發(fā)電網(wǎng)公司操作指令。“金太陽示范工程”需將數(shù)據(jù)上傳至金太陽中心和住建部。

1.2 帶有儲能裝置的光伏監(jiān)控系統(tǒng)

CAN總線采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，廢除了站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼，使不同節(jié)點同時接收相同的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)通信的實時性增強，易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。通信距離最遠可達10 km(速率低于5 kbps)，速率可達1 Mbps(通信距離小于40 m)。帶有大容量儲能裝置的光伏系統(tǒng)，由于充電電流大，充電過程中充電控制器投入/切出充電頻繁，對蓄電池沖擊較大，易損壞蓄電池。因此，對實時性、可靠性和擴展靈活性均有較高要求的光伏儲能系統(tǒng)，更適合用CAN總線構(gòu)建系統(tǒng)[3]，如圖3所示。

圖3 一種基于CAN總線技術(shù)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)[3]

該系統(tǒng)由上位機PC、管理模塊、n個充電模塊組成。管理模塊集顯示、輸入、數(shù)據(jù)存儲、采樣、通信為一體，與PC機通過RS232相連接，操作人員可通過PC機的上位機操作界面輸入命令對系統(tǒng)進行操作。充電模塊作為終端設備，包括電壓及充電電流的采樣單元，以及產(chǎn)生控制充電的PWM波形。充電模塊根據(jù)管理模塊的指令產(chǎn)生PWM波形，并將自身的充電狀態(tài)通過CAN總線上報管理模塊。其中由管理模塊下發(fā)給充電模塊的調(diào)整PWM占空比命令，未充滿電時，由管理模塊每1 s(或秒級)發(fā)送一次；當接近充滿電時，每10 ms(或毫秒級)調(diào)整一個充電模塊的充電PWM占空比[4]。

1.3 PROFIBUS、CAN、工業(yè)以太網(wǎng)的比較

PROFIBUS總線速度較快、組態(tài)配置靈活、可實現(xiàn)總線供電，可適應不同應用對象和通訊速率要求，開放性好。接通或斷開時不會影響其他站點工作，因此維修性好。PROFIBUS現(xiàn)場總線由于在網(wǎng)絡增刪節(jié)點時需重構(gòu)邏輯環(huán)，參數(shù)不易設定，在對于光伏電站或分布式光伏系統(tǒng)這種后期隨時可能擴展容量的應用上受到限制[4]。

CAN總線數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。多主方式工作，節(jié)點分成不同優(yōu)先級，報文采用短幀結(jié)構(gòu)出錯率低，節(jié)點在錯誤嚴重情況下可自動關(guān)閉[5]。但不能與Internet互聯(lián)，不能實現(xiàn)遠程信息的共享，不易與上位機直接接口，通信距離與傳輸速率無法與工業(yè)以太網(wǎng)相比。

工業(yè)以太網(wǎng)基于TCP/IP協(xié)議，為標準開放網(wǎng)絡，兼容性和互操作性好，資源共享能力強，數(shù)據(jù)傳輸距離遠，傳輸速率高，易與Internet互聯(lián)，成本低，易組網(wǎng)，與計算機、服務器的接口十分方便，技術(shù)支持廣泛。但以太網(wǎng)實時性相對較差，存在安全可靠性問題。超時重發(fā)機制，使單點故障可造成整個網(wǎng)絡癱瘓?？垢蓴_能力不強，無法實現(xiàn)總線供電。表1為PROFIBUS現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議規(guī)范的比較[6-7]。

表1 PROFIBUS、CAN及工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議規(guī)范的比較[8]

PROFIBUS總線傳輸速率快，開放性好，能適應不同應用對象，其基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的解決方案——Profinet實現(xiàn)了辦公室自動化和工業(yè)自動化的連接。CAN總線通信網(wǎng)絡連接簡單，實時性與準確性高，開發(fā)相對簡單，增刪節(jié)點靈活，但與工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)需通過特定網(wǎng)關(guān)。工業(yè)以太網(wǎng)應用于信息需求量大、對實時性要求不高的上層企業(yè)管理網(wǎng)絡和中間的過程監(jiān)控網(wǎng)絡。

2 基于無線通訊技術(shù)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 基于ZIGBEE無線通訊技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)

ZIGBEE技術(shù)具有的特點為：1)無線化，專為工業(yè)領域開發(fā)的無線通訊技術(shù)；2)成本低，ZIGBEE協(xié)議免收專利費，通訊不收取任何費用；3)低功耗，2節(jié)5號干電池可支持1個ZIGBEE終端設備工作6～24個月，甚至更長；4)近距離，相鄰節(jié)點間傳輸范圍在10 m～3 km，增加發(fā)射功率和基站，距離可無限擴展；5)高容量，支持星型、樹型、網(wǎng)型網(wǎng)絡等多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，1個主節(jié)點可支持254個子節(jié)點，最多組成65000個節(jié)點的網(wǎng)絡；6)高安全，三級安全模式：無安全設定、使用訪問控制清單及采用高級加密標準的對稱密碼；7)免執(zhí)照頻段，工業(yè)科學醫(yī)療（ISM)頻段，915 MHz(美國)，868 MHz(歐洲)，2.4 GHz(全球)；8)設備配置操作簡單、易懂 、集成化程度高、技術(shù)成熟、安裝方便[9]。圖4為一種基于ZIGBEE技術(shù)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)。

圖4 一種基于ZIGBEE技術(shù)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)由分散于ZIGBEE通訊區(qū)域的若干終端ZIGBEE設備組建的網(wǎng)狀通訊結(jié)構(gòu)，每個終端設備通過RS485總線連接1臺光伏逆變器及匯流箱，ZIGBEE中心節(jié)點位于監(jiān)控站，收集ZIGBEE通訊區(qū)域內(nèi)所有終端設備采集的數(shù)據(jù)，并通過RS485或RS232與監(jiān)控站內(nèi)上位機進行數(shù)據(jù)交互。

2.2 基于GPRS無線通訊技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)

當監(jiān)控中心與中心節(jié)點距離較遠時，終端數(shù)據(jù)通過ZIGBEE無線網(wǎng)傳輸?shù)街行墓?jié)點后，可再通過GPRS(General Packet Radio Service)網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，如圖5所示。

圖5 基于ZIGBEE及GPRS技術(shù)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)

GPRS是移動通信技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)二者的結(jié)合體，具有的特點有：1) 永久在線，無需為每次數(shù)據(jù)的訪問建立呼叫連接；2) 按流量計費，按數(shù)據(jù)流量而非時間計費；3) 高速傳輸，10倍于GSM，可達171.2 kbps，可穩(wěn)定傳送大容量音頻與視頻文件；4) 接入時間短，1～3 s即可激活，登陸互聯(lián)網(wǎng)；5) 覆蓋面廣，GPRS信號已基本覆蓋所有GSM網(wǎng)絡，包括很多偏遠地區(qū)；6) 組網(wǎng)方便、迅速、靈活，GPRS可通過Internet網(wǎng)絡隨時隨地構(gòu)建覆蓋全中國的虛擬移動數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡[10]。

中心節(jié)點通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，中心網(wǎng)絡有3種網(wǎng)絡接入方式：

1) 采用APN(Access Point Name)專線，所有終端都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP，客戶中心通過一條APN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡。該方式實時性、安全性和穩(wěn)定性較高，但成本高；適合于安全性、實時性要求高，數(shù)據(jù)點多的應用環(huán)境。

2) 采用ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)等Internet公網(wǎng)連接，公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務。該方式穩(wěn)定性受制于DNS服務器的穩(wěn)定，費用低，適合小規(guī)模光伏電站應用。

3) 控制中心采用ADSL等Internet公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務。先向Internet運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務，中心有公網(wǎng)固定IP，IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。該方式費用較低，運行可靠穩(wěn)定。

2.3 基于WIFI、BLUETOOTH、IRDA等無線通訊技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)

WIFI已經(jīng)成為當今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡傳輸技術(shù)，幾乎所有智能手機、平板電腦和筆記本電腦都支持WIFI上網(wǎng)，只需使用無線路由器供相應設備接收即可，且無需流量費用，非常容易實現(xiàn)。WIFI接收半徑約95 m，因此一個家庭或一棟大樓內(nèi)部的監(jiān)控通訊方式均可用WIFI實現(xiàn)，只要在無線信號范圍內(nèi)，可隨時隨地查看設備運行情況。另外，需在監(jiān)控設備上安裝相應的客戶端軟件以便接收設備的通訊數(shù)據(jù)。

圖6 基于WIFI的無線監(jiān)控

BLUETOOTH無線技術(shù)是在兩個設備間進行無線短距離通信最簡單、最便捷的方法。它廣泛應用于世界各地，可以無線連接手機、便攜式計算機等多種設備，傳輸距離一般為0.1～10 m，增大功率最大可達100 m。家用小型光伏系統(tǒng)可應用藍牙通訊方式。

目前，國外許多小型光伏逆變器均有配套的WIFI、BLUETOOTH通訊產(chǎn)品，已有較多成功應用案例。

IRDA(Infrared Data Association)紅外技術(shù)采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長短，對障礙物衍射能力差，更適合短距離無線點對點的應用[11]。因其體積小、功耗低、連接方便、簡單易用、安全性高(發(fā)射角度小)得到廣泛應用?？勺鳛楣夥O備與監(jiān)控站之間可視短距離的無線通訊方式，如廠區(qū)內(nèi)的光伏實驗站等。

2.4 ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETOOTH、IRDA 比較

表2對ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETOOTH、IRDA幾種無線通訊方式方法的特點做了對比。

表2 ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETOOTH、IRDA的比較

3 實例

3.1 寧夏中衛(wèi)20 MWp光伏并網(wǎng)電站監(jiān)控系統(tǒng)

該工程位于寧夏中衛(wèi)，裝機容量20 MWp，采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)，將電站分成4個5 MW并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，4個發(fā)電分系統(tǒng)輸出35 kWp電壓，經(jīng)匯流接入35 kV配電室送至電網(wǎng)。每1 MWp建1座逆變器室，數(shù)據(jù)采集器及對應的環(huán)網(wǎng)交換機位于逆變室內(nèi)，每臺數(shù)據(jù)采集器采集2臺逆變器、1臺直流柜、16個匯流箱數(shù)據(jù)，采用光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，20臺數(shù)據(jù)采集器接入對應環(huán)網(wǎng)交換機，經(jīng)光纖環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心上位機。

3.2 基于ZIGBEE的光伏路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)[12]

圖7 20MW電站光伏監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和監(jiān)控計算機3部分組成，其中，光伏發(fā)電系統(tǒng)由圖書館頂部的太陽電池板、蓄電池組和光伏充電機構(gòu)成。太陽電池板為系統(tǒng)輸入電源，白天將光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)光伏充電機對蓄電池組充電，夜晚經(jīng)光伏充電機切換輸出到路燈負載。監(jiān)控計算機在與光伏發(fā)電系統(tǒng)相隔200 m外另一建筑中，中間間隔一個水池，布線成本高且施工復雜，因此，采用基于ZIGBEE的無線通訊方式對太陽能系統(tǒng)的充放電及路燈進行監(jiān)測及控制。系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8 ZIGBEE光伏路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控計算機與ZIGBEE中心節(jié)點(網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器)之間通過RS485相連接，負責光伏數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)管理，光伏充電機及各路燈作為ZIGBEE終端節(jié)點，與本ZIGBEE節(jié)點通過RS485或RS232相連接，監(jiān)控計算機通過中心節(jié)點發(fā)送命令給終點節(jié)點，實現(xiàn)對充電機電源開關(guān)的切換和對各路燈節(jié)點狀態(tài)的傳輸及開關(guān)控制，來實現(xiàn)路燈的單獨、分段或景觀效果控制[8]。在實際應用時，由于ZIGBEE低功耗的特點，節(jié)點間通信距離一般為70 m，需選用帶有PA(Power Amplification)功率放大的ZIGBEE模塊，或采用增加路由器節(jié)點來擴大覆蓋范圍。

4 結(jié)語

本文論述了目前具有實際工程意義的幾種光伏監(jiān)控系統(tǒng)，包括工業(yè)以太網(wǎng)、CAN總線、ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH等。對于兆瓦級及以上的大型光伏電站，具有集中大面積分布特點，一般采用RS485轉(zhuǎn)工業(yè)以太網(wǎng)的形式，將底層設備的運行數(shù)據(jù)上傳至電站監(jiān)控中心；對于帶有儲能裝置的光伏系統(tǒng)，由于高實時性及后期擴展要求，適用于CAN總線通訊；對于分布式光伏系統(tǒng)，根據(jù)各工程實際情況及當時網(wǎng)絡特點等可采用ZIGBEE、ZIGBEE+GPRS、WIFI或BLUETEETH等方式。有線及無線兩種方式各列舉了1個工程應用實例。

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