光伏电站监控系统专项方案分析.docx

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光伏电站监控系统专项方案分析

光伏电站监控系统分析

摘要：

综合叙述了现在中国含有实际工程意义大型光伏电站及分布式光伏系统多个监控系统方案。

光伏监控系统采取通讯手段关键包含：

有线方法：

工业RS485总线、PROFIBUS总线、工业以太网、CAN总线、Modern电话线；无线方法：

ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH、IRDA红外。

文中对多种通讯方法组成、特点及应用作了简明叙述及对比。

引言

太阳能光伏发电项目随中国政府连续出台支持光伏产业发展政策不停增多[1]，截至年底，中国累计建设容量7.97GW，其中大型光伏电站4.19GW，分布式光伏系统3.78GW[2]。

国家能源局公布《太阳能发电发展“十二五”计划》称，到年底，太阳能发电装机容量达成2100万kW（即21GW）以上，年发电量达成250亿kWh。

伴随大型光伏电站及分布式光伏系统建设和投运，业主及电网企业对设备实时监控提出了更高要求。

光伏监控系统需实现功效有：

1）汇流箱、逆变器、电池板、蓄电池组及其控制器（带储能功效光伏系统）、环境温度等底层设备实时数据及状态采集；2）底层设备故障报警；3）关键数据历史存放；4）远方及当地对电站设备必需操控。

即集遥测、遥控、遥信、遥调功效为一体，且需含有高可靠性，整年不间断工作。

现在含有实际工程意义监控系统从物理实现方法上可分为有线及无线两种。

有线方法关键包含：

工业RS485总线、PROFIBUS现场总线、CAN总线、Modem电话线、工业以太网；无线方法关键包含：

ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH、IRDA红外。

需依据实际工程要求及多种通讯方法特点选择适合监控方案。

1基于现场总线光伏监控系统

1.1兆瓦级及以上并网光伏电站监控系统

兆瓦级及以上光伏电站占地面积广、设备数量及种类庞大、建设集中。

现在最为广泛采取是有线监控方法。

整体架构包含：

当地数据采集、数据传输、数据存放和处理三部分，图1所表示。

当地数据采集

经过数据采集器和底层设备相连接，采集设备实时数据，如汇流箱电流、逆变器功率和发电量、环境监测仪温度和风向、安防装置视频数据、保护装置（高压开关状态、直流接地状态）、计量装置（电量/电压/电能质量等计量仪器数据）。

物理层广泛采取造价低廉工业RS485总线，MODBUS协议作为总线协议。

1.1.2数据传输

当地数据采集器和监控中心通讯网络间相距较远，通常为几千米至几十千米，采取工业以太网（TCP/IP），光纤连接。

基于TCP/IP以太网是标准开放式网络，光纤组网可采取星形拓扑结构或环网拓扑结构。

星形拓扑结构属于集中控制型网络，整个网络由中心节点实施集中式通讯控制管理，各分节点均直接和中心节点连接，中心节点和分节点之间直接进行数据交互；若某节点线缆出现故障，数据无法传输；总布线距离长。

图2所表示，环网拓扑结构可利用它自愈性能，将线路切换至备用线路上，从而确保信号实时通畅，实现高可靠性、多备份和信号快速恢复要求。

且环网线缆利用率高，线材成本会大大降低。

数据存放和处理

经过电站监控中心上位机监控软件对数据进行存放及处理。

上位机监控软件现在有两种实现方法：

1）基于VC、C++、VB或DELHI等高级语言作为管理软件开发平台开发上位机软件，开发难度高、工作量庞大、开发周期长、开发完成无需后续资金投入；2）组态软件，基于C/S（Client/Server）用户机/服务器模式（如组态王、三维力控）或基于B/S结构（Browser/Server）浏览器/服务器模式（如研华科技）组态软件，支持多个通讯协议，无需底层程序开发，只需进行画面、通讯点设置等二次开发后可直接使用，开发周期短、难度低、可靠性高，但需按每个工程通讯点数量收费购置。

因为兆瓦级及以上并网光伏电站需由当地电网企业进行统一调度，所以，监控中心上位机还需按电网企业电力规约要求（如电力102、103、104规约等），将电站数据上传，并下发电网企业操作指令。

“金太阳示范工程”需将数据上传至金太阳中心和住建部。

1.2带有储能装置光伏监控系统

CAN总线采取无损结构逐位仲裁方法竞争向总线发送数据，废除了站地址编码，代之以对通信数据进行编码，使不一样节点同时接收相同数据，使数据通信实时性增强，易组成冗余结构，提升了系统可靠性和灵活性。

通信距离最远可达10km（速率低于5kbps），速率可达1Mbps（通信距离小于40m）。

带有大容量储能装置光伏系统，因为充电电流大，充电过程中充电控制器投入/切出充电频繁，对蓄电池冲击较大，易损坏蓄电池。

所以，在对实时性、可靠性和扩展灵活性全部有较高要求光伏储能系统，更适适用CAN总线构建系统[3]，图3所表示。

CAN总线构建系统

CAN该系统由上位机PC、管理模块、n个充电模块组成。

管理模块集显示、输入、数据存放、采样、通信为一体，和PC机经过RS232相连接，操作人员可经过PC机上位机操作界面输入命令对系统进行操作。

充电模块作为终端设备，包含电压及充电电流采样单元，和产生控制充电PWM波形。

充电模块依据管理模块指令产生PWM波形，并将本身充电状态经过CAN总线上报管理模块。

其中由管理模块下发给充电模块调整PWM占空比命令，在未达成充满电时，由管理模块每1s（或秒级）发送一次；当靠近充满电时，每10ms（或毫秒级）调整一个充电模块充电PWM占空比[5]。

1.3PROFIBUS、CAN、工业以太网比较

PROFIBUS总线速度较快、组态配置灵活、可实现总线供电，可适应不一样应用对象和通讯速率要求，开放性好。

接通或断开时不会影响其它站点工作，所以维修性好。

PROFIBUS现场总线因为在网络增删节点时需重构逻辑环，参数不易设定，在对于光伏电站或分布式光伏系统这种后期随时可能扩展容量应用上受到限制[4]。

CAN总线数据通信含有突出可靠性、实时性和灵活性。

多主方法工作，节点分成不一样优先级，报文采取短帧结构犯错率低，节点在错误严重情况下可自动关闭[4]。

但不能和Internet互联，不能实现远程信息共享，不易和上位机直接接口，通信距离和传输速率无法和工业以太网相比[5]。

工业以太网基于TCP/IP协议，为标准开放网络，兼容性和互操作性好，资源共享能力强，数据传输距离远，传输速率高，易和Internet互联，成本低，易组网，和计算机、服务器接口十分方便，技术支持广泛。

但以太网实时性相对较差，存在安全可靠性问题。

超时重发机制，使单点故障能够造成整个网络瘫痪。

抗干扰能力不强，无法实现总线供电。

表1为ROFIBUS现场总线、CAN现场总线及工业以太网网络协议规范比较[6][7]。

PROFIBUS总线传输速率快，开放性好，能适应不一样应用对象，其基于工业以太网通信处理方案——Profinet实现了办公室自动化和工业自动化连接。

CAN总线通信网络连接简单，实时性和正确性高，开发相对简单，增删节点灵活，但和工业以太网互联需经过特定网关。

工业以太网应用于信息需求量大、对实时性要求不高上层企业管理网络和中间过程监控网络。

2基于无线通讯技术光伏监控系统

2.1基于ZIGBEE无线通讯技术监控系统

ZIGBEE技术有以下特点：

1）无线化，专为工业领域开发无线通讯技术；2）成本低，ZIGBEE协议免收专利费，通讯不收取任何费用；3）低功耗，2节5号干电池可支持1个ZIGBEE终端设备工作6～24个月，甚至更长；4）近距离，相邻节点间传输范围在10m～3km，增加发射功率和基站，距离可无限扩展；5）高容量支持星型、树型、网型网络等多个网络拓扑结构，1个主节点可支持254个子节点，最多组成65000个节点网络；6）高安全，三级安全模式：

无安全设定、使用访问控制清单及采取高级加密标准对称密码；7）免执照频段，工业科学医疗（ISM）频段，915MHz（美国），868MHz（欧洲），2.4GHz（全球）；8）设备配置操作简单、易懂、集成化程度高、技术成熟、安装方便[9]。

图4为一个基于ZIGBEE技术光伏监控系统。

Zigbee

该系统由分散于ZIGBEE通讯区域若干终端ZIGBEE设备组建网状通讯结构，每个终端设备经过RS485总线连接1台光伏逆变器及汇流箱，ZIGBEE中心节点在监控站，搜集ZIGBEE通讯区域内全部终端设备采集数据，并经过RS485或RS232和监控站内上位机进行数据交互。

2.2基于GPRS无线通讯技术监控系统

当监控中心和中心节点距离较远时，终端数据经过ZIGBEE无线网传输到中心节点后，可再经过GPRS（GeneralPacketRadioService）网络传输到监控中心，图5所表示。

GPRS是移动通信技术和数据通信技术二者结合体，含有以下多个特点：

1）永久在线，无需为每次数据访问建立呼叫连接；2）按流量计费，按数据流量而非时间计费；3）高速传输，10倍于GSM，可达171.2kbps，可稳定传送大容量音频和视频文件；4）接入时间短，1～3s即可激活，登陆互联网；5）覆盖面广，GPRS信号已基础覆盖全部GSM网络，包含很多偏远地域；6）组网方便、快速、灵活，GPRS可经过Internet网络随时随地构建覆盖全中国虚拟移动数据通信专用网络[10]。

ZIGBEE中心节点经过GPRS网络将数据传送到监控中心，中心网络有3种网络接入方法：

1）采取APN（AccessPointName）专线，全部终端全部采取内网固定IP，用户中心经过一条APN专线接入移动企业GPRS网络。

该方法实时性、安全性和稳定性较高，但成本高，适合于安全性、实时性要求高，数据点多应用环境。

2）采取ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine）等Internet公网连接，公网动态IP+DNS解析服务。

该方法稳定性受制于DNS服务器稳定，费用低，适合小规模光伏电站应用。

3）控制中心采取ADSL等Internet公网连接，采取公网固定IP服务。

先向Internet运行商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP，IPMODEM直接向中心提议连接。

该方法费用较低，运行可靠稳定。

2.3基于WIFI、BLUETOOTH、IRDA等无线通讯技术监控系统

WiFi已经成为当今使用最广一个无线网络传输技术，几乎全部智能手机、平板电脑和笔记本电脑全部支持WiFi上网，只需使用无线路由器供对应设备接收即可，且无需流量费用，很轻易实现。

WiFi接收半径约95m，所以一个家庭或一栋大楼内部监控通讯方法均可用WiFi实现，只要在无线信号范围内，可随时随地查看设备运行情况。

另外，需在监控设备上安装对应用户端软件方便接收设备通讯数据。

WiFi

Bluetooth无线技术是在两个设备间进行无线短距离通信最简单、最便捷方法。

它广泛应用于世界各地，能够无线连接手机、便携式计算机等多个设备，传输距离通常为0.1～10m，增大功率最大可达100m。

家用小型光伏系统可应用蓝牙通讯方法。

现在，国外很多小型光伏逆变器全部有配套WIFI、BLUETOOTH通讯产品，已经有较多成功应用案例。

IRDA（Infrared）红外技术采取红外波段内近红外线，波长短，对障碍物衍射能力差，更适合短距离无线点对点应用[11]。

因其体积小、功耗低、连接方便、简单易用、安全性高（发射角度小）得到广泛应用。

可作为光伏设备和监控站之间可视短距离无线通讯方法，如厂区内光伏试验站等。

2.4ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETOOTH、IRDA比较

表2对ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETOOTH、IRDA多个无线通讯方法特点做了对比。

3实例

3.1宁夏中卫20MWp光伏并网电站监控系统

该工程在宁夏中卫，装机容量20MWp，采取分块发电、集中并网，将电站分成4个5MW并网发电系统，4个发电分系统输出35kWp电压，经汇流接入35kV配电室送至电网。

每1MWp建1座逆变器室，数据采集器及对应环网交换机在逆变室内，每台数据采集器采集2台逆变器、1台直流柜、16个汇流箱数据，采取光纤环网结构，20台数据采集器接入对应环网交换机，经光纤环网将数据上传至监控中心上位机。

基于ZIGBEE光伏路灯照明监控系统[12]

该系统由光伏发电系统、无线通信系统和监控计算机3部分组成，其中光伏发电系统由图书馆顶部太阳电池板、蓄电池组和光伏充电机组成。

太阳电池板为系统输入电源，白天将光能转换为电能，经光伏充电机对蓄电池组充电，夜晚经光伏充电机切换输出到路灯负载。

监控计算机在和光伏发电系统相隔200m外另一建筑中，中间隔了一个水池，布线成本高且施工复杂，所以，采取基于ZIGBEE无线通讯方法对太阳能系统充放电及路灯进行监测及控制。

系统框图图8所表示。

监控计算机和ZIGBEE中心节点（网络协调器）之间经过RS485相连接，负责光伏数据采集和系统管理，光伏充电机及各路灯作为ZIGBEE终端节点，和本ZIGBEE节点经过RS485或RS232相连接，监控计算机经过中心节点发送命令给终点节点，实现对充电机电源开关切换和对各路灯节点状态传输及开关控制，来实现路灯单独、分段或景观效果控制[8]。

在实际应用时，因为ZIGBEE低功耗特点，节点间通信距离通常为70m，需选择带有PA（PowerAmplification）功率放大ZIGBEE模块，或采取增加路由器节点来扩大覆盖范围。

4结语

本文叙述了现在含有实际工程意义多个光伏监控系统，包含工业以太网、CAN总线、ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH等。

对于兆瓦级及以上大型光伏电站，含有集中大面积分布特点，通常采取RS485转工业以太网形式，将底层设备运行数据上传至电站监控中心；对于带有储能装置光伏系统，因为高实时性及后期扩展要求，适适用于CAN总线通讯；对于分布式光伏系统，依据各工程实际情况及当初网络特点等可采取ZIGBEE、ZIGBEE+GPRS、WIFI或BLUETEETH等方法。

有线及无线两种方法各列举了1个工程应用实例。