廖偉志, 張文強(qiáng), 呂清泉,, 王明松, 王 瑋, 周 睿, 周慶國(guó)

(1.蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730000; 2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司 電力科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

隨著可持續(xù)發(fā)展意識(shí)的逐漸提高,風(fēng)能和光能發(fā)電技術(shù)的日益成熟,風(fēng)電場(chǎng)和光電場(chǎng)在我國(guó)部署得越來越多[1]。但是,風(fēng)能、光能發(fā)電具有不穩(wěn)定、受氣象要素影響大等缺點(diǎn),其并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成較大的影響[2]。因此對(duì)發(fā)電廠周邊氣象要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要性愈加突出。這些新能源發(fā)電場(chǎng)站一般位于偏遠(yuǎn)山區(qū),與監(jiān)測(cè)控制中心距離遙遠(yuǎn),場(chǎng)站之間也相距較遠(yuǎn),而監(jiān)測(cè)控制中心需要根據(jù)相應(yīng)氣象要素的變化快速響應(yīng),因而采用有線通信的方式建設(shè)難度大、工程造價(jià)高。針對(duì)上述問題,本文研究了以往氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的問題,設(shè)計(jì)了一種主要基于無線4G的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文分析了近年來無線通信在風(fēng)/光發(fā)電場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題;設(shè)計(jì)了一種解決方案,對(duì)該方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 研究現(xiàn)狀

近年來，無線通信技術(shù)快速發(fā)展,在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)[3]、礦山監(jiān)測(cè)[4]、智能家居[5]等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛運(yùn)用,取得了良好效果。隨著4G通信技術(shù)的成熟,無線網(wǎng)絡(luò)在帶寬和減小延時(shí)上有了極大的提升,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際帶寬從平均2 kb/s提升到25 Mb/s左右[6],延時(shí)從平均500 ms下降到5 ms左右[7]。

一方面，在風(fēng)能和光伏電場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,無線通信技術(shù)在大部分場(chǎng)站得到了應(yīng)用,但是受限于早期通信技術(shù)以及無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,大部分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的無線傳輸方式是GPRS[2]，其帶寬小、延遲高,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分辨率較低,實(shí)時(shí)性較差。此外,隨著4G通信技術(shù)的成熟,3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展逐步放緩甚至停止,2G網(wǎng)絡(luò)開始關(guān)停[8]。

另一方面,以前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單,傳感器數(shù)量少,因此大多數(shù)采集器采用了順序輪詢進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。這在早期影響不明顯,但隨著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)規(guī)模越來越大,傳感器數(shù)量快速增加,尤其系統(tǒng)中存在慢反應(yīng)的傳感器時(shí),監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輪詢一周的時(shí)間大大增加,這也限制了系統(tǒng)分辨率的提高。

針對(duì)系統(tǒng)中存在的這2個(gè)影響系統(tǒng)性能的主要問題,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)2G、3G、4G自適應(yīng)的并行氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和分辨率,從而加快監(jiān)測(cè)控制中心的響應(yīng)速度,提高發(fā)電機(jī)組的資源利用率,進(jìn)而減小對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)光發(fā)電場(chǎng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、4G無線通信終端、無線互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)、電源供應(yīng)系統(tǒng)5個(gè)部分[9]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)的通信主要分為數(shù)據(jù)通信和控制通信。數(shù)據(jù)通信過程中首先由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)將物理量轉(zhuǎn)為電信號(hào)后再采樣并經(jīng)過初步處理后存儲(chǔ)在本地。當(dāng)其收到遠(yuǎn)程接收端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí),讀取本地存儲(chǔ)的即時(shí)數(shù)據(jù),通過RS232總線發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸單元。數(shù)據(jù)傳輸單元在收到請(qǐng)求的數(shù)據(jù)后通過TCP協(xié)議透明地傳輸給接收端。而控制通信主要由監(jiān)測(cè)控制端發(fā)送控制命令,通過TCP協(xié)議透明地傳輸給數(shù)據(jù)采集器。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

在圖1中,一個(gè)監(jiān)測(cè)控制端可以與多個(gè)采集子系統(tǒng)連接,其原因在于使用了Modbus協(xié)議的從機(jī)地址來區(qū)分不同的子系統(tǒng)。Modbus是一種簡(jiǎn)單緊湊、支持錯(cuò)誤校驗(yàn)的通信協(xié)議。在通信過程中,從機(jī)通過數(shù)據(jù)請(qǐng)求中的從機(jī)地址來決定是否要響應(yīng)主機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求[10]。Modbus RTU協(xié)議的數(shù)據(jù)請(qǐng)求格式和數(shù)據(jù)響應(yīng)格式見表1所列。

表1 Modbus數(shù)據(jù)請(qǐng)求格式

本系統(tǒng)采用圖1中的無線通信終端將分布于各電場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)與監(jiān)測(cè)控制中心的接收端連接起來,建立可靠的連接鏈路,保證數(shù)據(jù)采集器平臺(tái)與接收端的數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的上傳和下載。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括1個(gè)監(jiān)測(cè)控制中心,68個(gè)氣象臺(tái)站,近千個(gè)傳感器。監(jiān)測(cè)控制中心位于蘭州市區(qū),而氣象臺(tái)站主要分布在甘肅河西走廊一帶。

2.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括傳感器和數(shù)據(jù)采集器。

2.2.1 傳感器

傳感器包括風(fēng)速風(fēng)向計(jì)、溫濕度傳感器、輻射度計(jì)等多種氣象要素傳感器,數(shù)量較多。這些傳感器將風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素轉(zhuǎn)為電信號(hào),并傳送給數(shù)據(jù)采集器。除了部分輸出模擬信號(hào)的傳感器無需通信協(xié)議外,氣壓、風(fēng)速、溫濕度等智能傳感器的通信方式是SDI-12。SDI-12是工業(yè)上廣泛使用的支持校驗(yàn)和并行測(cè)量的協(xié)議[11]。當(dāng)傳感器接收到測(cè)量指令并完成測(cè)量后,就將對(duì)應(yīng)的結(jié)果存放在其輸出寄存器中等待數(shù)據(jù)采集器讀取。其波特率為1 200,幀格式為1起始位、7數(shù)據(jù)位、1校驗(yàn)位、1停止位。SDI-12的測(cè)量指令由設(shè)備地址、測(cè)量命令、參數(shù)、結(jié)束符組成。常用的測(cè)量命令見表2所列。

表2 SDI-12常用測(cè)量命令

2.2.2 數(shù)據(jù)采集器及程序

數(shù)據(jù)采集器通過內(nèi)置或外置的儀器或傳感器記錄隨時(shí)間推移或與位置有關(guān)的數(shù)據(jù),可對(duì)模擬傳感器傳送的各種信號(hào)進(jìn)行采樣和對(duì)智能傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行讀取,并依據(jù)預(yù)先編寫的程序進(jìn)一步處理,例如計(jì)算其均值、最值、積分等。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器使用CR1000X多通道數(shù)據(jù)采集器,如圖2所示?？芍苯訉?duì)輻照度、風(fēng)向等模擬量進(jìn)行測(cè)量,并且使用激發(fā)電壓對(duì)單端模擬信號(hào)進(jìn)行橋式測(cè)量,相比于以前先使用外部適配器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后再傳送給數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行處理,其延時(shí)低、功耗低、部署簡(jiǎn)單,避免了信號(hào)噪聲影響,獲得的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。多個(gè)傳感器的測(cè)量使用并行模式,對(duì)比以前的順序測(cè)量模式,在同一時(shí)間可對(duì)所有傳感器進(jìn)行采集,不受傳感器數(shù)量增加的限制,延時(shí)進(jìn)一步降低。對(duì)慢反應(yīng)的傳感器使用單獨(dú)的測(cè)量周期,從而避免影響其他快反應(yīng)傳感器,提高了數(shù)據(jù)分辨率。

圖2 CR1000X數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行在數(shù)據(jù)采集器中,采用BASIC語言編寫,包括變量定義、表定義、掃描定義3個(gè)部分。系統(tǒng)中指定采集頻率為1次/s,并計(jì)算其每3 s的最值和均值,工作流程如圖3所示。

圖3 采集程序流程圖

2.3 無線數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元(data transfer unit, DTU)是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無線終端設(shè)備[12]。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸單元采用移遠(yuǎn)EC20全網(wǎng)自適應(yīng)通信模塊來與無線基站通信,它支持國(guó)內(nèi)所有運(yùn)營(yíng)商的無線網(wǎng)絡(luò)。處理器使用ARM7架構(gòu)的STM32F401RET6嵌入式模塊,其功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高,配以大內(nèi)存可輕松應(yīng)對(duì)高速大量的突發(fā)傳輸以及復(fù)雜的工作環(huán)境。串口收發(fā)器模塊通過RS232與數(shù)據(jù)采集器連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。此外在檢測(cè)中心還可以通過短信、網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信模塊工作參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試。借助虛擬串口工具，可以為Modbus提供高速、可靠的TCP/UDP 透明無線遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸,特別適用于多點(diǎn)對(duì)中心、低延時(shí)、不連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無線數(shù)據(jù)傳輸單元

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)利用無線通信網(wǎng)絡(luò),通過分布在不同地方的4G無線傳輸單元,向每個(gè)臺(tái)站發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求,從而獲得每個(gè)臺(tái)站氣象數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的綜合智能管理。

這種采用4G數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制的方式具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 實(shí)時(shí)性強(qiáng)。由于4G無線網(wǎng)絡(luò)不間斷的在線特性,可滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。

(2) 支持遠(yuǎn)程調(diào)試。通過無線雙向傳輸系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)測(cè)終端的命令參數(shù)調(diào)整等操作[2]。

(3) 靈活性好,適應(yīng)性強(qiáng)?；静皇艿乩憝h(huán)境的限制,只要在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi),都可以完成遠(yuǎn)程通信[13]。

(4) 可擴(kuò)展性好,易于維護(hù)。增加的新臺(tái)站只需要增加新的無線傳輸模塊即可建立通信鏈路,而在維護(hù)時(shí)也只需維護(hù)臺(tái)站中的設(shè)備即可。

2.4 供電子系統(tǒng)

供電子系統(tǒng)由蓄電池、太陽能電池板、太陽能充電控制器組成[14]。該子系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集器、無線傳輸單元、部分傳感器提供電能。由于臺(tái)站一般位于偏遠(yuǎn)無人山區(qū),不具備交流供電條件,“太陽能+蓄電池”組合供電是野外監(jiān)測(cè)站的首選方案。白天日照充足時(shí)由太陽能電池板為負(fù)載供電和對(duì)蓄電池充電。由于光伏發(fā)電不穩(wěn)定的特點(diǎn),需要由充電控制器進(jìn)行穩(wěn)壓,其使用PWM三階段充電技術(shù),相比于傳統(tǒng)控制器,支持高、低壓保護(hù),可以有效地保護(hù)電池,避免過度充電、過度放電。晚上則僅由蓄電池供電,充電控制器提供反向保護(hù)功能。經(jīng)過測(cè)試,在光照不足的情況下,蓄電池可保證采集子系統(tǒng)和傳輸模塊至少正常工作一個(gè)月。

2.5 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)3個(gè)部分，架構(gòu)如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)接收單元的主要作用是作為主機(jī)發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求,接收數(shù)據(jù)采集平臺(tái)傳回的數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中,并保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。接收端程序采用C語言編寫,使用Modbus RTU協(xié)議與數(shù)據(jù)采集器通信。本程序編寫時(shí)采用開源的libmodbus庫,它是一個(gè)免費(fèi)的開源軟件庫,遵守Modbus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),但只支持RTU(串行)和TCP(以太網(wǎng))通信。由于本文采用的Modbus RTU 是一種串行通信協(xié)議,因此遠(yuǎn)端需要在計(jì)算機(jī)上使用虛擬串口軟件VSPD將網(wǎng)絡(luò)端口虛擬為串口才能與數(shù)據(jù)采集器通信。

表3 測(cè)試平臺(tái)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元是將數(shù)據(jù)接收單元傳來的數(shù)據(jù)按照臺(tái)站分別存儲(chǔ)。本文使用開源的MySQL數(shù)據(jù)庫是當(dāng)前最流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之一。它將數(shù)據(jù)保存在不同的表中,而不是將所有數(shù)據(jù)放在一個(gè)大倉庫內(nèi),具有體積小、速度快、成本低、使用靈活的特點(diǎn)[15]。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元根據(jù)用戶需要讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并提供數(shù)據(jù)可視化顯示。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元采用WEB用戶界面基于React開發(fā),符合Ant Design設(shè)計(jì)語言,化繁為簡(jiǎn)。采用基于D3與Echarts 的全新圖表展示系統(tǒng),使用Redux作為數(shù)據(jù)流框架。后端基于ThinkPHP等現(xiàn)代框架構(gòu)建,提供符合工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的Restful API支持。采用 Nginx 作為負(fù)載均衡系統(tǒng),基于現(xiàn)代分布式與容器技術(shù)構(gòu)建,預(yù)留接口用于數(shù)據(jù)處理拓展。提供了時(shí)間序列圖、風(fēng)玫瑰圖、報(bào)表導(dǎo)出、數(shù)據(jù)越界級(jí)異常報(bào)警(聲音報(bào)警、E-mail報(bào)警)等功能。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與結(jié)果

本文中系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能與互聯(lián)網(wǎng)延遲相關(guān),從數(shù)據(jù)采集器到數(shù)據(jù)傳輸模塊的延遲小于1 ms,在測(cè)試中忽略不計(jì),因此可以通過測(cè)試無線通信單元的性能來評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能。本文分別使用psping和Jperf對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試平臺(tái)設(shè)備性能參數(shù)見表3所列。

實(shí)驗(yàn)中使用Jperf[16]測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的帶寬,它是iperf的GUI版本。iperf是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試工具,可以測(cè)試最大TCP和UDP帶寬性能,本實(shí)驗(yàn)僅測(cè)試TCP帶寬性能。首先在服務(wù)器啟動(dòng)Jperf服務(wù)程序并監(jiān)聽11000端口,命令如下:bin/iperf.exe-s-P0-i1-p11000-fk。其次在客戶機(jī)啟用Jperf的客戶程序,同時(shí)使用并連接到服務(wù)器,命令如下:bin/iperf.exe-c210.26.121.141-P10-i1-p11000-fk-t20,如圖6所示。

圖6 Jperf測(cè)試帶寬

然后在客戶機(jī)上使用psping測(cè)試網(wǎng)絡(luò)延遲。psping[17]是ping的擴(kuò)展版本,可以測(cè)試指定端口的延遲。psping測(cè)得的結(jié)果是指往返時(shí)間。對(duì)于本系統(tǒng)來說數(shù)據(jù)都為單向傳輸,真實(shí)值應(yīng)該取其1/2。

原有氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用ASM300-MM數(shù)據(jù)采集器,通過GPRS通信主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。ASM300-MM是一個(gè)單隊(duì)列輪詢式數(shù)字采集器,不支持模擬信號(hào),需要額外配置適配器。本文采用同樣的方法和測(cè)試平臺(tái)對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和帶寬測(cè)試結(jié)果見表4所列。

表4 網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲測(cè)試結(jié)果

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,本文系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)如下:

(1) 數(shù)據(jù)分辨率由原來的5 s/次提升為1 s/次?？梢垣@得更加精準(zhǔn)的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。新舊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分辨率對(duì)比見表5所列。

(2) 數(shù)據(jù)延時(shí)平均值由原來688 ms減少到69 ms。延遲大幅度降低,有助于監(jiān)測(cè)中心及時(shí)獲取數(shù)據(jù)并作出反饋。

(3) 通過對(duì)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)本身運(yùn)行狀態(tài)的獲取,可以實(shí)時(shí)獲取臺(tái)站及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),為異常原因提供分析依據(jù)。

表5 數(shù)據(jù)分辨率 s/次

4 結(jié) 論

本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前已經(jīng)在甘肅國(guó)家電網(wǎng)位于河西走廊的風(fēng)光電場(chǎng)得到規(guī)模應(yīng)用。此系統(tǒng)使用現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)高速傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)使得影響發(fā)電效率的氣象數(shù)據(jù)能夠得到及時(shí)分析處理,提高了資源利用率,實(shí)現(xiàn)了無人值守和數(shù)據(jù)質(zhì)量保證。系統(tǒng)在河西走廊部署以來,運(yùn)行穩(wěn)定,取得了良好的效果。隨著5G技術(shù)的飛速發(fā)展,與無線通信技術(shù)相結(jié)合的高分辨率、低時(shí)延的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)將成為未來新能源電場(chǎng)的重要組成部分。