ZigBee和GPRS技術(shù)在光伏電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

何照安，張保民，楊凱，李龍春

（特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安 710119）

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)光伏行業(yè)一次次政策導(dǎo)向和鼓勵(lì)，光伏電站如同雨后春筍般在中國(guó)大江南北崛地而起，并投入使用，電站發(fā)電及設(shè)備運(yùn)行情況成為大家共同關(guān)心的話(huà)題。要想了解電站發(fā)電及設(shè)備運(yùn)行情況，只能在電站中控室進(jìn)行監(jiān)測(cè)和信息瀏覽，或者只能通過(guò)電話(huà)詢(xún)問(wèn)電站管理人員了解大概情況。設(shè)備制造方為了防止設(shè)備出現(xiàn)故障影響發(fā)電，只能采用在電站附近城鎮(zhèn)駐扎的方式，以達(dá)到更快的售后服務(wù)響應(yīng)，而且經(jīng)常由于信息溝通不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致工作反復(fù)。所以本地監(jiān)測(cè)對(duì)業(yè)主方、設(shè)備制造方來(lái)說(shuō)都極不方便，而且增加了很多維護(hù)成本，隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)成為大家共同需求。

為了不影響電站的本地監(jiān)控，也不受本地監(jiān)控的影響，需要在電站側(cè)獨(dú)立架設(shè)一套數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)，但是在原有通訊網(wǎng)絡(luò)上增加已不太可能，采用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。目前成熟的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)有早期的Bluetooth、電臺(tái)，現(xiàn)在流行的Wi-Fi，還有具有物聯(lián)網(wǎng)美譽(yù)的ZigBee等等，但是經(jīng)過(guò)比較分析ZigBee有其他通訊方式無(wú)法達(dá)到的優(yōu)勢(shì)。由于很多電站建設(shè)在偏遠(yuǎn)的荒漠，因特網(wǎng)很難接入，有線(xiàn)通訊方式成本太高、難度太大，而無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸則可以有效解決該問(wèn)題，可采用GPRS或GSM方式，從長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本考慮，GPRS具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

本文結(jié)合ZigBee和GPRS技術(shù)，設(shè)計(jì)一套光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)光伏電站發(fā)電及設(shè)備運(yùn)行情況。

National“863”P(pán)rogram（2011AA05A305）.

1 系統(tǒng)組成

1.1 光伏電站無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖1給出了光伏電站無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖1 光伏電站無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Wireless monitoring system diagram of the photovoltaic power plant

1.2 光伏電站無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

光伏電站無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下5部分組成：

1）ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)[1]。每臺(tái)發(fā)電設(shè)備安裝一臺(tái)ZigBee節(jié)點(diǎn)，一個(gè)電站安裝一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器，每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)均可以作為路由器，各個(gè)節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器組成一個(gè)網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以提高通訊可靠性并?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊。ZigBee節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自ZigBee協(xié)調(diào)器命令，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee局域網(wǎng)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器。

2）通訊管理單元。通訊管理單元連接一臺(tái)ZigBee協(xié)調(diào)器和一臺(tái)GPRS模塊。通訊管理單元通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器采集電站發(fā)電設(shè)備遙測(cè)量和遙信量數(shù)據(jù)，并對(duì)采集數(shù)據(jù)分析處理，然后按照一定頻率將數(shù)據(jù)發(fā)給GPRS模塊，通訊管理單元、ZigBee協(xié)調(diào)器和GPRS模塊，構(gòu)成整個(gè)電站的數(shù)據(jù)交互中心。

3）GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)[2-8]。GPRS模塊將電站數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN），然后轉(zhuǎn)入因特網(wǎng)，GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送。

4）Internet網(wǎng)絡(luò)。Internet網(wǎng)絡(luò)作為GPRS網(wǎng)絡(luò)到監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，?shí)現(xiàn)電站數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享，并實(shí)現(xiàn)用戶(hù)隨時(shí)隨地瀏覽電站數(shù)據(jù)。

5）監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心主要由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、因特網(wǎng)服務(wù)器和監(jiān)測(cè)席組成。采集服務(wù)器負(fù)責(zé)采集電站數(shù)據(jù)、分析處理，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理。因特網(wǎng)服務(wù)器負(fù)責(zé)網(wǎng)站平臺(tái)服務(wù)，交換用戶(hù)數(shù)據(jù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ZigBee應(yīng)用技術(shù)

1）ZigBee技術(shù)特點(diǎn)。目前短距離無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)有很多，如數(shù)字電臺(tái)、紅外、藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等等，都具有各自的特點(diǎn)，ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率（<250kbps）、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)上已有很多關(guān)于幾種技術(shù)比較分析，但是作者認(rèn)為，ZigBee具有絕對(duì)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被選用在光伏電站監(jiān)測(cè)試系統(tǒng)中，主要是它具有其他無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)所不能達(dá)到的特征。主要有2點(diǎn)。

①可組星型網(wǎng)路拓?fù)浜途W(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。藍(lán)牙和Wi-Fi在一個(gè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)中只能組星型網(wǎng)路拓?fù)洌鳽igBee不但可以組星型網(wǎng)路拓?fù)?，而且還可以組網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄9-14]。

②網(wǎng)絡(luò)容量大。藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)容量是8個(gè)節(jié)點(diǎn)，Wi-Fi是50個(gè)，而ZigBee采用一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最大支持65000個(gè)。對(duì)于這么大的網(wǎng)絡(luò)容量，ZigBee有一套可靠的通訊管理機(jī)制，它采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?。而且ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，這樣保證一個(gè)大型網(wǎng)路整體都能達(dá)到快速響應(yīng)。

目前大型荒漠電站中各個(gè)發(fā)電設(shè)備有規(guī)律地分布在方圓幾公里、甚至幾十公里，地勢(shì)平坦，一個(gè)20 MW的光伏荒漠電站，一般設(shè)計(jì)20個(gè)子發(fā)電單元，逆變器有40個(gè)，匯流箱有幾百臺(tái)，可輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸，ZigBee技術(shù)在光伏電站應(yīng)用中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

2）ZigBee硬件系統(tǒng)方案。圖2給出了ZigBee硬件系統(tǒng)方框圖。

圖2 ZigBee硬件系統(tǒng)方框圖Fig.2 Block diagram of the ZigBee hardware system

該系統(tǒng)主要由6部分組成：ZigBee模塊，MCU，電源，通訊模塊，時(shí)鐘單元，存儲(chǔ)單元。

ZigBee模塊：市場(chǎng)中ZigBee模塊有很多品牌，我們采用了CEL的ZICM2410，其特征是自帶ZigBee協(xié)議棧，支持組Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌c(diǎn)對(duì)點(diǎn)可視通訊距離3000英尺（合914.4 m）。

MCU：用一個(gè)MCU的目的是對(duì)ZigBee應(yīng)用層的協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，CEL廠家自定義的通訊協(xié)議直接連接設(shè)備是無(wú)法通訊的，使用MCU將自由協(xié)議轉(zhuǎn)成設(shè)備支持的通訊規(guī)約，一般是MODBUS RTU；另外一個(gè)目的是對(duì)通訊進(jìn)行擴(kuò)展和模塊功能擴(kuò)展。

電源：主要是針對(duì)系統(tǒng)中電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，ZigBee硬件系統(tǒng)供電由發(fā)電設(shè)備提供DC24 V，然后通過(guò)24 V轉(zhuǎn)5 V、5 V轉(zhuǎn)3 V給各個(gè)芯片供電。

通訊模塊：主要采用兩路，一路是和設(shè)備相連，采用RS485通訊，需要一個(gè)485芯片；另一路為了調(diào)試和維護(hù)方便，直接和PC連接，采用USB虛擬串口，需要一個(gè)USB虛擬串口芯片，如Microchip公司的MCP2200。

時(shí)鐘單元：時(shí)鐘單元為系統(tǒng)提供時(shí)間，由于在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中涉及到時(shí)鐘同步問(wèn)題，采用時(shí)鐘芯片，如：PCF8563T/5。

存儲(chǔ)單元：為了防止數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中丟失，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)單元，用于存放短期內(nèi)數(shù)據(jù)，可以為1個(gè)小時(shí)，可以為1天，存儲(chǔ)單元大小根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的多少確定，可以采用EEPROM或FLASH。

3）ZigBee軟件方案。圖3給出了MCU軟件系統(tǒng)主流程。

圖3 軟件系統(tǒng)主流程圖Fig.3 Software system main process diagram

由于ZigBee協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)工作內(nèi)容略有不用，無(wú)需采用兩種硬件結(jié)構(gòu)，可通過(guò)軟件來(lái)區(qū)分ZigBee設(shè)備類(lèi)型自適應(yīng)。協(xié)調(diào)器按照一定的頻率與各個(gè)節(jié)點(diǎn)通訊，節(jié)點(diǎn)采用自動(dòng)獲取發(fā)電設(shè)備地址策略，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。由于我們采用了透明傳輸?shù)腪igBee模塊，只需要使用MCU與ZigBee模塊進(jìn)行通訊和協(xié)議轉(zhuǎn)換，ZigBee節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間按照Z(yǔ)igBee協(xié)議通訊，而與設(shè)備之間按標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議通訊。對(duì)于ZigBee模塊的工作流程，不用參與管理，只需要配置好參數(shù)即可。

2.2 GPRS應(yīng)用技術(shù)

1）GPRS技術(shù)特點(diǎn)。通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)GPRS是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳數(shù)業(yè)務(wù)，目的是給移動(dòng)用戶(hù)提供高速無(wú)線(xiàn)IP或X.25服務(wù)。GPRS理論帶寬可達(dá)171.2 kbit/s，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在40～100 kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶(hù)可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道，同一無(wú)線(xiàn)信道又可以由多個(gè)用戶(hù)共享，資源被有效的利用。GPRS允許用戶(hù)在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。GPRS即時(shí)在線(xiàn)，按流量計(jì)費(fèi)，從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線(xiàn)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。從長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)角度考慮，與GSM相比，GPRS費(fèi)用較低，表1對(duì)兩種通訊資費(fèi)進(jìn)行了比較。

通過(guò)比較，采用GSM和GPRS時(shí)，100臺(tái)設(shè)備一個(gè)月的通訊資費(fèi)相差2160倍，因此，采用GPRS技術(shù)，運(yùn)營(yíng)成本較低。

表1GSM/GPRS通訊資費(fèi)比較Tab.1 Communication tariff comparison between GSM and GPRS

2）GPRS方案。由于每個(gè)電站需要使用1臺(tái)GPRS模塊，從整體運(yùn)營(yíng)來(lái)看，自主開(kāi)發(fā)成本較高，可以購(gòu)買(mǎi)成熟的GPRS模塊使用。市場(chǎng)中GPRS模塊品牌很多，我們選擇了MOXA的G3111，該模塊支持自動(dòng)重啟，當(dāng)SIM卡或接收信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，模塊自動(dòng)重啟以達(dá)到修復(fù)的目的，安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)時(shí)免去了維護(hù)的麻煩。我們通過(guò)申請(qǐng)域名，并將域名設(shè)置在GPRS模塊中，所有數(shù)據(jù)將傳向域名所指的IP地址，通過(guò)Internet，監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器便可接收到來(lái)自GPRS模塊的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

本文給出了一種基于ZigBee和GPRS技術(shù)的光伏電站無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，給出了詳細(xì)的硬件、軟件系統(tǒng)方案。目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用在特變電工建設(shè)的大江南北各光伏電站，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，達(dá)到在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的目的。該系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本低，可隨時(shí)、隨地通過(guò)因特網(wǎng)瀏覽光伏電站發(fā)電情況和設(shè)備運(yùn)行情況，給業(yè)主和電站設(shè)備維護(hù)人員帶來(lái)很大的便利，得到多方的認(rèn)可。

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