一種基于無線傳感網(wǎng)的分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設計

孟莉莉

【摘 要】對分布式光伏電站的監(jiān)控與維護是光伏發(fā)電系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容之一。通過對關鍵技術的梳理分析，本文設計了一種基于無線傳感網(wǎng)絡的分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)，該方案環(huán)境適應性強，成本低，工程量少，不僅實現(xiàn)了實時監(jiān)控，還提升了系統(tǒng)的可維護性。

【關鍵詞】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 文獻標識碼： 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)電累計裝機容量為4318萬千瓦，成為全球光伏發(fā)電裝機容量最大的國家[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地區(qū)，人工監(jiān)控和維護成本高、難度大，隨著分布式光伏電站大規(guī)模的建設和投入運行，光伏電站的信息監(jiān)控系統(tǒng)顯得越來越重要[2]。為實現(xiàn)對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進行統(tǒng)一的實時監(jiān)測和維護，實時了解光伏電站的發(fā)電性能，為光伏電站的運維及數(shù)據(jù)分析提供便利條件，本文研究和設計了一種基于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)總體功能設計

造成分布式光伏電站監(jiān)控維護困難的原因主要是：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，從而導致的總發(fā)電量波動更加復雜，另一方面，隨著光伏電站的大規(guī)模推廣應用，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)控與維護問題，采用基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡對光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，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)絡上傳到網(wǎng)絡服務器，用戶可以通過Web端或手機移動App查看電站數(shù)據(jù)，實時了解運行狀態(tài)，保證光伏電站的安全穩(wěn)定運行。采用分層設計的思想，將系統(tǒng)分為設備采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)服務層和應用顯示層。系統(tǒng)的總體功能邏輯架構(gòu)如圖1所示。

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

2 系統(tǒng)關鍵技術研究

2.1 無線傳感網(wǎng)絡技術

圖1中的數(shù)據(jù)傳輸層由ZigBee無線網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡組成，Zigbee實現(xiàn)傳感器節(jié)點的自組網(wǎng)，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關，網(wǎng)關由ZigBee協(xié)調(diào)器和GRPS模塊組成，完成采集數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸。需要強調(diào)的是數(shù)據(jù)傳輸層的ZigBee節(jié)點與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，在硬件設計時要選用低功耗器件[3]，具有休眠模式，方便的進行工作模式和休眠模式的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關中的ZigBee協(xié)調(diào)器在收到ZigBee節(jié)點的數(shù)據(jù)后，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器，有效利用了移動網(wǎng)絡的便捷和高效。

2.1.1 Zigbee網(wǎng)關

ZigBee網(wǎng)關具有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。硬件設計上，網(wǎng)關選用四信F8114Modem，該模塊是物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸終端，利用ZigBee網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡提供無線數(shù)據(jù)遠程傳輸功能，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]。軟件設計上，ZigBee協(xié)調(diào)器負責啟動和維護網(wǎng)絡中的ZigBee節(jié)點，完成網(wǎng)絡組網(wǎng)。ZigBee節(jié)點直接或者通過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)送到遠程服務端，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)點發(fā)送參數(shù)調(diào)整命令，從而實現(xiàn)光伏設備參數(shù)調(diào)整的功能。