海南全島性集中式實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳鍇

【摘 要】針對(duì)光伏站點(diǎn)遍布全島的實(shí)際需求，現(xiàn)給出了一種海南全島性集中式實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，該系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，利用穩(wěn)定高性能遠(yuǎn)程傳輸模塊（DTU）和可靠成熟通信技術(shù)設(shè)計(jì)完成一套適應(yīng)海南氣候的氣象數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反映所在地光伏氣象數(shù)據(jù)狀況，為全島全年光伏發(fā)電、功率預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

【Abstract】In view of the actual demand of photovoltaic stations all over the island， the design process and key design points of a centralized real-time meteorological data service system for Hainan island is put forward. The system adopts C/S architecture， uses stable high performance remote transmission module （DTU） and reliable mature communication technology to design and complete a meteorological data service system adapted to the climate of Hainan. It can reflect the local photovoltaic meteorological data in real time， and provide the basis for the whole year photovoltaic power generation and power prediction of the island.

【關(guān)鍵詞】海南；全島性；氣象數(shù)據(jù)系統(tǒng)

【Keywords】Hainan； whole island； meteorological data system

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP311.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）02-0163-02

1 引言

海南地處熱帶北緣，太陽(yáng)能資源較為豐富，在島上發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電條件充足。現(xiàn)有公司需求，在島上建設(shè)約150MW產(chǎn)能的光伏電站，其電站數(shù)量眾多、分布較散、大小不一，面對(duì)這種復(fù)雜情況需制定科學(xué)化合理的管理策略。另外，光伏發(fā)電與火電、水電相比有一定的不穩(wěn)定性，且其能量密度較低，與氣候條件，主要是輻射總量密切相關(guān)，為了更好地掌握光伏發(fā)電波動(dòng)規(guī)律，增強(qiáng)光伏發(fā)電穩(wěn)定性，以統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法預(yù)測(cè)其可預(yù)測(cè)性，也為今后海南地區(qū)典型光伏氣象數(shù)據(jù)年等工作建立數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。現(xiàn)準(zhǔn)備利用現(xiàn)有成熟技術(shù)，并適應(yīng)海南氣候腐蝕性強(qiáng)、溫度高、鹽霧大、臺(tái)風(fēng)多特點(diǎn)建立一套全島性集中式氣象數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，且為在熱帶海島氣候下后期項(xiàng)目建立站點(diǎn)累計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2 全島性集中式氣象數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成概述

整套系統(tǒng)計(jì)劃分2～3期進(jìn)行開(kāi)發(fā)，現(xiàn)一期計(jì)劃建成數(shù)據(jù)中心服務(wù)站配套建設(shè)及完成海南北部西部中部10個(gè)站點(diǎn)電站選點(diǎn)安裝。后幾期可根據(jù)實(shí)際需要和電站分布情況補(bǔ)足遍布全島的東部、南部的剩余必要點(diǎn)，完成一個(gè)遍布全島的光伏氣象數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)站點(diǎn)主要由兩部分組成，由位于臨高的中心站服務(wù)器及分布于海口、臨高、澄邁、洋浦、屯昌、樂(lè)東的光伏電站的氣象采集子站組成。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及構(gòu)成介紹

3.1 子站系統(tǒng)構(gòu)成

光伏電站氣象采集子站系統(tǒng)主要有軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)兩大塊組成，考慮到光伏電站發(fā)電的主要影響因素，參考其他資料及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選取一組易測(cè)物理量作為測(cè)量參數(shù)，如總輻射、傾斜輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、組件背板溫度、瞬時(shí)輻射值，所有能測(cè)試到的物理量均實(shí)時(shí)展示在本地監(jiān)控電腦并生成對(duì)應(yīng)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。考慮到安裝點(diǎn)有些為無(wú)人或少人值守的屋頂光伏電站，故為擬測(cè)量物理量配備技術(shù)穩(wěn)定性強(qiáng)、成熟度高、精度高的傳感器，在整套傳感器系統(tǒng)中，輻射表占有舉足輕重的地位，經(jīng)過(guò)詳細(xì)考慮對(duì)比，在日本EKO、錦州陽(yáng)光、荷蘭KIPP三家，綜合考慮價(jià)格、精度、靈敏度系數(shù)、輻射表線(xiàn)性度等因素，最終選擇日本EKO作為本次輻射表的供應(yīng)商。其他物理量國(guó)內(nèi)技術(shù)較為成熟，故傳感器均采用技術(shù)成熟度較高的國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。另外，由于海南特殊的氣候及地理?xiàng)l件環(huán)境，對(duì)本次使用的三腳架有一定的特殊要求，在臺(tái)風(fēng)頻率高、熱帶氣候高溫高濕環(huán)境、高鹽霧環(huán)境中需要慎重考慮其材質(zhì)的強(qiáng)度及抗腐蝕性，經(jīng)過(guò)選擇比較，決定選用316合金鋼材代替原來(lái)304鋼制作三角塔架的方案，同時(shí)塔架工藝上增加其與地面的接觸面積，并在地面上多加兩孔打上兩顆地腳螺栓來(lái)增加其抗拔力。再確定光伏電站氣象采集子站硬件系統(tǒng)主要部分，硬件主要由總輻射表、傾斜輻射表、風(fēng)向風(fēng)速儀、溫度濕度計(jì)、背板溫度、數(shù)據(jù)采集器組成，能保證基本的氣象數(shù)據(jù)采集并保留擴(kuò)展功能，按功能可以分為下面模塊UPS電源模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、遠(yuǎn)程通信模塊組成、數(shù)據(jù)處理模塊。其中，電源模塊為系統(tǒng)各部分提供相應(yīng)電源；遠(yuǎn)程通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸；傳感器接入模塊提供各類(lèi)氣象數(shù)據(jù)信號(hào)的接入；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理與管理，如圖1所示。為了減小空間和暴露，除傳感器外，其他功能模塊盡量經(jīng)過(guò)合理化設(shè)計(jì)與調(diào)整，均一體化集成在設(shè)備機(jī)箱內(nèi)，考慮到電磁兼容性，盡可能考慮做強(qiáng)弱電分離。另外，考慮到傳感器的所有接線(xiàn)，都需要接入機(jī)箱，這些線(xiàn)纜面臨著與支架相同的氣候環(huán)境條件，在線(xiàn)纜選擇上需特別注意，應(yīng)選擇帶防護(hù)層線(xiàn)纜且對(duì)線(xiàn)纜需做防曬包扎處理。每個(gè)氣象子站除了與中心數(shù)據(jù)服務(wù)器通信外，還需接入本地聯(lián)通光伏監(jiān)控電腦。此外，氣象子站對(duì)電源最好從光伏中控室不間斷供電電源上獲取，以防長(zhǎng)時(shí)間停電情況下自帶UPS電池耗盡導(dǎo)致的大量數(shù)據(jù)嚴(yán)重丟失。尤其需要特別注意的是關(guān)于背板溫度線(xiàn)的處理，需在選點(diǎn)時(shí)，協(xié)調(diào)好溫度線(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)光伏組件的距離也是其中的考慮同等要素之一。

3.2中心站組成

中心站點(diǎn)主要由中心服務(wù)器、UPS供電電源、中心展示大屏三部分組成。其中，數(shù)據(jù)服務(wù)器與其成套搭配的軟件較為關(guān)鍵，為了氣象數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與安全性及后期擴(kuò)展開(kāi)發(fā)考慮，在服務(wù)器上使用廠家較為成熟的氣象數(shù)據(jù)中心軟件，并建立相應(yīng)的可離線(xiàn)使用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)每個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線(xiàn)展示與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)生成記錄，考慮到生成的25年數(shù)據(jù)樣本容量較小，以及簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，故此次不專(zhuān)門(mén)設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)器，所有數(shù)據(jù)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的定期備份。中心站點(diǎn)與子站呈放射狀結(jié)構(gòu)且有些距離較長(zhǎng)，為了解決中心站與子站之間的通信問(wèn)題，綜合考慮成本低、工程周期短、適應(yīng)性好、擴(kuò)展性好、設(shè)備維護(hù)便捷等特點(diǎn)。選定GPRS通信模式為此次項(xiàng)目的通信模式，每個(gè)子站都配置有無(wú)線(xiàn)通信模塊。另外，出于安全性、長(zhǎng)期性、穩(wěn)定性及為后期項(xiàng)目可持續(xù)開(kāi)發(fā)考慮，項(xiàng)目拉專(zhuān)線(xiàn)，設(shè)立專(zhuān)網(wǎng)，在架設(shè)服務(wù)器時(shí)申請(qǐng)了公網(wǎng)IP及相應(yīng)域名，在子站無(wú)線(xiàn)通信模塊上做好相應(yīng)的IP設(shè)置。但由于采用一對(duì)多網(wǎng)絡(luò)模型，為解決和避免服務(wù)器物理端口被過(guò)分占用的問(wèn)題，保留物理端口以備擴(kuò)展需要，此次服務(wù)器上創(chuàng)新性地采用虛擬化端口與遠(yuǎn)程通信模塊端口來(lái)一一對(duì)應(yīng)，事實(shí)證明，公網(wǎng)IP與虛擬化端口的組合能很好地滿(mǎn)足功能需求。中心展示大屏采用拼接屏與成熟技術(shù)的拼接屏矩陣管理軟件，技術(shù)成熟度較高，在此不再進(jìn)行贅述。由于系統(tǒng)本身常用負(fù)荷并不是很大，所以項(xiàng)目UPS電源采用集成機(jī)箱浮充電源，能在斷電情況下維持大約3h的使用時(shí)間。

4 中心站與子站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能耦合

中心站與子站均可以以分鐘為單位實(shí)時(shí)展示數(shù)據(jù)測(cè)試，中心站點(diǎn)服務(wù)器軟件“以人機(jī)交互性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、功能全面、窗口友好”為原則進(jìn)行開(kāi)發(fā)，保留站點(diǎn)接入擴(kuò)展功能且為未來(lái)氣象預(yù)測(cè)系統(tǒng)保留擴(kuò)展接口，能主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、本地存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)展示，方便實(shí)現(xiàn)光伏氣象歷史數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用、分鐘小時(shí)日月年及故障報(bào)表生成等功能。中心站服務(wù)配備了防火墻及相關(guān)反入侵軟件來(lái)保證服務(wù)器安全，同時(shí)建立了Access數(shù)據(jù)庫(kù)作為永久歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。中心站點(diǎn)能集中或獨(dú)立展示氣象輻照數(shù)據(jù)各個(gè)氣象站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以地圖的形式展示各個(gè)子站點(diǎn)的位置及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況，能生成曲線(xiàn)圖及柱狀圖。全島性氣象數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)中，子站是基礎(chǔ)，子站在系統(tǒng)接入、數(shù)據(jù)傳輸上與中心站服務(wù)器保證通信協(xié)議、規(guī)約的一致性，同時(shí)子站在后臺(tái)就地生成實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)方便維護(hù)員工就地使用及查閱。

5 結(jié)論

海南地區(qū)近些年來(lái)跟隨內(nèi)陸興起了“光伏熱”，海南與內(nèi)陸地區(qū)畢竟環(huán)境差異很大，不結(jié)合熱帶海島氣候特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與建造很有可能不符合實(shí)際，該文首要考慮海島性氣候中需常年使用的氣象子站如何經(jīng)受高溫、高熱、高鹽霧、高頻臺(tái)風(fēng)造成的可能性影響，積極探索用更高標(biāo)準(zhǔn)材料代替原標(biāo)準(zhǔn)材料（如用316鋼代替原304鋼），通過(guò)反復(fù)討論在面對(duì)眾多只有簡(jiǎn)單收發(fā)功能的端口需求，選擇用虛擬化端口來(lái)代替，既優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，節(jié)約了資源，又避免有限物理端口被過(guò)度占用，導(dǎo)致后期開(kāi)發(fā)過(guò)程中需重新協(xié)調(diào)某些端口的問(wèn)題。建設(shè)一套覆蓋全島的光伏氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拼圖是一項(xiàng)長(zhǎng)期性的工作，由于站點(diǎn)跨區(qū)域，面對(duì)的環(huán)境條件較為復(fù)雜，故設(shè)計(jì)之初系統(tǒng)對(duì)子站的穩(wěn)定性、可靠性和中心站的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性有極高要求?，F(xiàn)進(jìn)行的一期項(xiàng)目中，綜合考慮了整個(gè)海島環(huán)境來(lái)進(jìn)行氣象站設(shè)計(jì)和考慮環(huán)境要求及后期擴(kuò)展需求來(lái)進(jìn)行中心站建設(shè)，為以后進(jìn)行全島化氣象站建設(shè)提供技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累。