光伏电站监控系统分析

东方日立(成都)电控设备有限公司 ■ 张巍 彭良平 杜毅 张黎 曾捷

0 引言

随中国政府持续出台的支持光伏产业发展的政策，太阳能光伏发电项目不断增多[1]，截至2012 年底，我国累计建设容量7.97 GW，其中大型光伏电站4.19 GW，分布式光伏系统3.78 GW[2]。国家能源局发布的《太阳能发电发展“十二五”规划》称，到2015 年底，太阳能发电装机容量达到21 GW以上，年发电量达到250亿kWh。随着大型光伏电站及分布式光伏系统的建设和投运，业主及电网公司对设备的实时监控提出了更高的要求。

光伏监控系统需实现的功能有：1) 汇流箱、逆变器、电池板、蓄电池组及其控制器(带储能功能的光伏系统)、环境温度等底层设备实时数据及状态的采集；2) 底层设备故障报警；3) 重要数据的历史存储；4) 远方及本地对电站设备的必要操控。即集遥测、遥控、遥信、遥调功能为一体，且需具备高可靠性，全年不间断工作。

目前具有实际工程意义的监控系统从物理实现方式上可分为有线及无线两种。有线方式主要包括：工业RS485总线、PROFIBUS现场总线、CAN总线、Modem电话线、工业以太网。无线方式主要包括：ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH、IRDA红外。需根据实际工程要求及各种通讯方式的特点选择适合的监控方案。

1 基于现场总线的光伏监控系统

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。目前最为广泛采用的是有线监控方式。整体架构包括本地数据采集、数据传输、数据存储与处理3部分，如图1所示。

图1 一种基于工业以太网技术的光伏监控系统

1.1.1 本地数据采集

通过数据采集器与底层设备相连接，采集设备的实时数据，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)。物理层广泛采用造价低廉的工业RS485总线，MODBUS协议作为总线协议。

1.1.2 数据传输

本地数据采集器与监控中心通讯网络间相距较远，一般为几千米至几十千米，采用工业以太网(TCP/IP)，光纤连接。基于TCP/IP的以太网是标准开放式网络，光纤组网可采用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执行集中式通讯控制管理，各分节点均直接与中心节点连接，中心节点与分节点之间直接进行数据交互；若某节点线缆出现故障，将导致数据无法传输；总布线距离长。

如图2所示，环网拓扑结构可利用它的自愈性能，将线路切换至备用线路上，从而保证信号的实时畅通，实现高可靠性、多备份和信号迅速恢复的要求。且环网的线缆利用率高，线材的成本会大幅降低。

图2 星型拓扑结构和环网拓扑结构

1.1.3 数据存储与处理

通过电站监控中心的上位机监控软件对数据进行存储及处理。上位机监控软件目前有两种实现方式：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的上位机软件，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)客户机/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)的组态软件，支持多种通讯协议，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的数量收费购买。

由于兆瓦级及以上并网光伏电站需由当地电网公司进行统一调度，因此，监控中心上位机还需按电网公司电力规约要求(如电力102、103、104规约等)，将电站数据上传，并下发电网公司操作指令。“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 带有储能装置的光伏监控系统

CAN总线采用无损结构的逐位仲裁方式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，使不同节点同时接收相同的数据，使数据通信的实时性增强，易构成冗余结构，提高了系统的可靠性和灵活性。通信距离最远可达10 km(速率低于5 kbps)，速率可达1 Mbps(通信距离小于40 m)。带有大容量储能装置的光伏系统，由于充电电流大，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。因此，对实时性、可靠性和扩展灵活性均有较高要求的光伏储能系统，更适合用CAN总线构建系统[3]，如图3所示。

图3 一种基于CAN总线技术的光伏监控系统[3]

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、数据存储、采样、通信为一体，与PC机通过RS232相连接，操作人员可通过PC机的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，包括电压及充电电流的采样单元，以及产生控制充电的PWM波形。充电模块根据管理模块的指令产生PWM波形，并将自身的充电状态通过CAN总线上报管理模块。其中由管理模块下发给充电模块的调整PWM占空比命令，未充满电时，由管理模块每1 s(或秒级)发送一次；当接近充满电时，每10 ms(或毫秒级)调整一个充电模块的充电PWM占空比[4]。

1.3 PROFIBUS、CAN、工业以太网的比较

PROFIBUS总线速度较快、组态配置灵活、可实现总线供电，可适应不同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他站点工作，因此维修性好。PROFIBUS现场总线由于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的应用上受到限制[4]。

CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。多主方式工作，节点分成不同优先级，报文采用短帧结构出错率低，节点在错误严重情况下可自动关闭[5]。但不能与Internet互联，不能实现远程信息的共享，不易与上位机直接接口，通信距离与传输速率无法与工业以太网相比。

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，易与Internet互联，成本低，易组网，与计算机、服务器的接口十分方便，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，使单点故障可造成整个网络瘫痪。抗干扰能力不强，无法实现总线供电。表1为PROFIBUS现场总线、CAN现场总线及工业以太网网络协议规范的比较[6-7]。

表1 PROFIBUS、CAN及工业以太网网络协议规范的比较[8]

PROFIBUS总线传输速率快，开放性好，能适应不同应用对象，其基于工业以太网通信的解决方案——Profinet实现了办公室自动化和工业自动化的连接。CAN总线通信网络连接简单，实时性与准确性高，开发相对简单，增删节点灵活，但与工业以太网互联需通过特定网关。工业以太网应用于信息需求量大、对实时性要求不高的上层企业管理网络和中间的过程监控网络。

2 基于无线通讯技术的光伏监控系统

2.1 基于ZIGBEE无线通讯技术的监控系统

ZIGBEE技术具有的特点为：1)无线化，专为工业领域开发的无线通讯技术；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10 m～3 km，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、网型网络等多种网络拓扑结构，1个主节点可支持254个子节点，最多组成65000个节点的网络；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用高级加密标准的对称密码；7)免执照频段，工业科学医疗（ISM)频段，915 MHz(美国)，868 MHz(欧洲)，2.4 GHz(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为一种基于ZIGBEE技术的光伏监控系统。

图4 一种基于ZIGBEE技术的光伏监控系统

该系统由分散于ZIGBEE通讯区域的若干终端ZIGBEE设备组建的网状通讯结构，每个终端设备通过RS485总线连接1台光伏逆变器及汇流箱，ZIGBEE中心节点位于监控站，收集ZIGBEE通讯区域内所有终端设备采集的数据，并通过RS485或RS232与监控站内上位机进行数据交互。

2.2 基于GPRS无线通讯技术的监控系统

当监控中心与中心节点距离较远时，终端数据通过ZIGBEE无线网传输到中心节点后，可再通过GPRS(General Packet Radio Service)网络传输到监控中心，如图5所示。

图5 基于ZIGBEE及GPRS技术的光伏监控系统

GPRS是移动通信技术和数据通信技术二者的结合体，具有的特点有：1) 永久在线，无需为每次数据的访问建立呼叫连接；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171.2 kbps，可稳定传送大容量音频与视频文件；4) 接入时间短，1～3 s即可激活，登陆互联网；5) 覆盖面广，GPRS信号已基本覆盖所有GSM网络，包括很多偏远地区；6) 组网方便、迅速、灵活，GPRS可通过Internet网络随时随地构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络[10]。

中心节点通过GPRS网络将数据传送到监控中心，中心网络有3种网络接入方式：

1) 采用APN(Access Point Name)专线，所有终端都采用内网固定IP，客户中心通过一条APN专线接入移动公司GPRS网络。该方式实时性、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，数据点多的应用环境。

2) 采用ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)等Internet公网连接，公网动态IP+DNS解析服务。该方式稳定性受制于DNS服务器的稳定，费用低，适合小规模光伏电站应用。

3) 控制中心采用ADSL等Internet公网连接，采用公网固定IP服务。先向Internet运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP，IP MODEM直接向中心发起连接。该方式费用较低，运行可靠稳定。

2.3 基于WIFI、BLUETOOTH、IRDA等无线通讯技术的监控系统

WIFI已经成为当今使用最广的一种无线网络传输技术，几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持WIFI上网，只需使用无线路由器供相应设备接收即可，且无需流量费用，非常容易实现。WIFI接收半径约95 m，因此一个家庭或一栋大楼内部的监控通讯方式均可用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相应的客户端软件以便接收设备的通讯数据。

图6 基于WIFI的无线监控

BLUETOOTH无线技术是在两个设备间进行无线短距离通信最简单、最便捷的方法。它广泛应用于世界各地，可以无线连接手机、便携式计算机等多种设备，传输距离一般为0.1～10 m，增大功率最大可达100 m。家用小型光伏系统可应用蓝牙通讯方式。

目前，国外许多小型光伏逆变器均有配套的WIFI、BLUETOOTH通讯产品，已有较多成功应用案例。

IRDA(Infrared Data Association)红外技术采用红外波段内的近红外线，波长短，对障碍物衍射能力差，更适合短距离无线点对点的应用[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。可作为光伏设备与监控站之间可视短距离的无线通讯方式，如厂区内的光伏实验站等。

2.4 ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETOOTH、IRDA 比较

表2对ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETOOTH、IRDA几种无线通讯方式方法的特点做了对比。

表2 ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETOOTH、IRDA的比较

3 实例

3.1 宁夏中卫20 MWp光伏并网电站监控系统

该工程位于宁夏中卫，装机容量20 MWp，采用分块发电、集中并网，将电站分成4个5 MW并网发电系统，4个发电分系统输出35 kWp电压，经汇流接入35 kV配电室送至电网。每1 MWp建1座逆变器室，数据采集器及对应的环网交换机位于逆变室内，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，采用光纤环网结构，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。

3.2 基于ZIGBEE的光伏路灯照明监控系统[12]

图7 20MW电站光伏监控系统

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的太阳电池板、蓄电池组和光伏充电机构成。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。监控计算机在与光伏发电系统相隔200 m外另一建筑中，中间间隔一个水池，布线成本高且施工复杂，因此，采用基于ZIGBEE的无线通讯方式对太阳能系统的充放电及路灯进行监测及控制。系统框图如图8所示。

图8 ZIGBEE光伏路灯照明监控系统

监控计算机与ZIGBEE中心节点(网络协调器)之间通过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，与本ZIGBEE节点通过RS485或RS232相连接，监控计算机通过中心节点发送命令给终点节点，实现对充电机电源开关的切换和对各路灯节点状态的传输及开关控制，来实现路灯的单独、分段或景观效果控制[8]。在实际应用时，由于ZIGBEE低功耗的特点，节点间通信距离一般为70 m，需选用带有PA(Power Amplification)功率放大的ZIGBEE模块，或采用增加路由器节点来扩大覆盖范围。

4 结语

本文论述了目前具有实际工程意义的几种光伏监控系统，包括工业以太网、CAN总线、ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH等。对于兆瓦级及以上的大型光伏电站，具有集中大面积分布特点，一般采用RS485转工业以太网的形式，将底层设备的运行数据上传至电站监控中心；对于带有储能装置的光伏系统，由于高实时性及后期扩展要求，适用于CAN总线通讯；对于分布式光伏系统，根据各工程实际情况及当时网络特点等可采用ZIGBEE、ZIGBEE+GPRS、WIFI或BLUETEETH等方式。有线及无线两种方式各列举了1个工程应用实例。

[1] 国家能源局. 太阳能发电发展“十二五”规划[EB/OL].http://www.ccchina.gov.cn/WebSite/CCChina/UpFile/File1293.pdf.

[2] 国际能源战略智库峰会. 能源：光伏[EB/OL]. http://www.chinalms.com.

[3] 刘新德, 卢晓东,冯仁剑.基于CAN总线的模块化独立光伏发电控制系统[J]. 低压电器, 2012, (7)：23－26.

[4] 谢昊飞,李勇,王平,等.网络控制技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2009.

[5] 阳贤惠. 现场总线技术及应用[M]. 北京：清华大学出版社，1999.

[6] 吴爱国, 梁瑾, 金文. 工业以太网的发展现状[J]. 信息与控制, 2003 ,(5)：459－461.

[7] 熊育悦，赵哲身. 工业以太网在自动控制系统控制的应用前景[J]. 自动化仪表，2002, (9)：1－5.

[8] 姜勇刚，冯震. PROFIBUS总线、CAN总线及工业以太网的应用探讨[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/link?url=LGTBo9u 4d0QOC38bJTO5WEjK_WIR_ahLXuNXYscDgkKysaTfueWAM 5Qn7eV7AX2SmqQNWfNJlD-viKvYS5AA6hOm3OJ_QhbGy_a2l84slXm.

[9] 张辉. 基于Zigbee技术的太阳能电站监控系统[D]. 安徽：安徽理工大学, 2011.

[10] 王成福,唐晓强. 基于GPRS的路灯监控系统的设计与实现[J]. 监控与监测, 2008, 29(190)：18－21.

[11] 蒋伟民,毕红军. 五种主流近距离无线技术比较[J]. 科技创新导报, 2006, (2)：2.

[12] 田裕康,马双宝. 基于ZIGBEE的光伏照明控制系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2010, (7)：52－55.