孟莉莉

【摘 要】對分布式光伏電站的監(jiān)控與維護(hù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容之一。通過對關(guān)鍵技術(shù)的梳理分析，本文設(shè)計了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)，該方案環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，成本低，工程量少，不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)控，還提升了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

【關(guān)鍵詞】分布式光伏電站； 無線傳感網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號： TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0080-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.033

【Abstract】Monitoring and maintenance of a distributed photovoltaic plant is one of the core elements of the photovoltaic systems. Through the analysis of key technologies， this paper designs a distributed photovoltaic station monitoring system based on wireless network. This solution is adaptable， low cost and low engineering， it not only realizes real-time monitoring， but also improves the maintainability of the photovoltaic system.

【Key words】Distributed photovoltaic plant； Wireless sensor network； Monitoring system

0 引言

當(dāng)前，對新能源的開發(fā)利用已受到全球主要國家普遍重視。我國地域遼闊，據(jù)統(tǒng)計，全年日照時數(shù)超過2000小時，太陽總輻射量高于5000MJ/m2的地區(qū)超過國土總面積的一半以上，資源優(yōu)勢得天獨(dú)厚。根據(jù)國家“十三五”規(guī)劃綱要要求，到2020年，我國非化石能源的消耗比例要達(dá)到15%以上。光伏電站作為非化石能源的重要組成部分，在我國發(fā)展迅猛，據(jù)國家能源局的統(tǒng)計顯示：截至2015年底，我國光伏發(fā)電累計裝機(jī)容量為4318萬千瓦，成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國家[1]。

由于分布式光伏系統(tǒng)分布范圍較廣，有的光伏電站還在邊遠(yuǎn)地區(qū)，人工監(jiān)控和維護(hù)成本高、難度大，隨著分布式光伏電站大規(guī)模的建設(shè)和投入運(yùn)行，光伏電站的信息監(jiān)控系統(tǒng)顯得越來越重要[2]。為實(shí)現(xiàn)對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的實(shí)時監(jiān)測和維護(hù)，實(shí)時了解光伏電站的發(fā)電性能，為光伏電站的運(yùn)維及數(shù)據(jù)分析提供便利條件，本文研究和設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)，有效解決了分布式光伏電站監(jiān)控難的問題。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計

造成分布式光伏電站監(jiān)控維護(hù)困難的原因主要是：一方面，光伏電站分布廣泛，受地形、季節(jié)、天氣等因素影響較大，從而導(dǎo)致的總發(fā)電量波動更加復(fù)雜，另一方面，隨著光伏電站的大規(guī)模推廣應(yīng)用，需要監(jiān)控的逆變器數(shù)量數(shù)十倍的增加，加大了有效監(jiān)控各個終端的難度。為更好解決分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控與維護(hù)問題，采用基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)對光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)將采集到的電氣參數(shù)和氣象數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，用戶可以通過Web端或手機(jī)移動App查看電站數(shù)據(jù)，實(shí)時了解運(yùn)行狀態(tài)，保證光伏電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。采用分層設(shè)計的思想，將系統(tǒng)分為設(shè)備采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和應(yīng)用顯示層。系統(tǒng)的總體功能邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1中，設(shè)備采集層使用傳感器等設(shè)備實(shí)時采集光伏組串、逆變器等光伏設(shè)備的電壓、電流和功率等電氣參數(shù)以及日照強(qiáng)度、溫度、濕度和風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸層應(yīng)用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)，并將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，完成采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸。數(shù)據(jù)服務(wù)層在接收到電站監(jiān)控數(shù)據(jù)后，根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則和要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)存儲至實(shí)時數(shù)據(jù)庫中，同時接收客戶端請求，完成數(shù)據(jù)查詢、修改以及設(shè)備參數(shù)修改等功能。應(yīng)用顯示層包括Web端和移動端，用戶通過網(wǎng)頁或者App實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、分析和設(shè)備管理等操作。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

圖1中的數(shù)據(jù)傳輸層由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)組成，Zigbee實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)由ZigBee協(xié)調(diào)器和GRPS模塊組成，完成采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸。需要強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)傳輸層的ZigBee節(jié)點(diǎn)與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，在硬件設(shè)計時要選用低功耗器件[3]，具有休眠模式，方便的進(jìn)行工作模式和休眠模式的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)中的ZigBee協(xié)調(diào)器在收到ZigBee節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，有效利用了移動網(wǎng)絡(luò)的便捷和高效。

2.1.1 Zigbee網(wǎng)關(guān)

ZigBee網(wǎng)關(guān)具有ZigBee協(xié)調(diào)器和GPRS信號收發(fā)功能，由ZigBee射頻模塊和GPRS模塊組成。硬件設(shè)計上，網(wǎng)關(guān)選用四信F8114Modem，該模塊是物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸終端，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)提供無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸功能，支持多數(shù)據(jù)中心備份傳輸及多數(shù)據(jù)中心同步傳輸，可適用快速或較大規(guī)模的信息傳輸[4]。軟件設(shè)計上，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee節(jié)點(diǎn)，完成網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。ZigBee節(jié)點(diǎn)直接或者通過router和協(xié)調(diào)器通信，協(xié)調(diào)器在收到采集數(shù)據(jù)后，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)端，同時，GPRS模塊在收到參數(shù)調(diào)整消息后，通過ZigBee協(xié)調(diào)器，向ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送參數(shù)調(diào)整命令，從而實(shí)現(xiàn)光伏設(shè)備參數(shù)調(diào)整的功能。