基于GPRSGPRSS通信光伏风力发电并网监测系统

翟亚军，胡世昊

（1.国网江西省电力公司，江西南昌 330077；2.国网江西省电力公司九江供电分公司，江西九江 332000）

0 引言

随着全球经济的迅速发展和人口的不断增加，以石油、天然气和煤炭等为主的化石能源正逐步消耗，能源危机成为世界各国共同面临的课题。大力发展风力发电和光伏发电，对环境保护和能源节约都有着重要的意义[1]。但风力发电和光伏发电作为一类特殊的电力，具有许多不同于常规能源发电的特点，风力发电和光伏发电的并网运行对电网的安全稳定、运行调度等诸多方面会带来负面的影响，随着风力发电和光伏发电规模的不断扩大，其对电网的影响也愈加显著，成为制约风力发电场及光伏电池容量和规模发展的严重障碍。风力发电和光伏发电供电可靠性受气象环境、负荷等因素影响很大，其供电稳定性也相对较差。因此，为了更加充分地利用好可开发的风力和太阳能资源，需要及时有效对大规模发电和光伏发电进行监控，通过数据采集平台把不同采集终端采集回来的数据，存入本地数据库并允许推送至远程服务中心，提供可靠的数据并进行分析，为风力发电和光伏发电的规划、设计和运行提供有效的指导。

1 系统总体设计

光伏风力发电并网监测系统一般由光伏风力发电并网控制器、数据采集器、数据库服务中心三部分。系统框架图如图1所示。

图1 系统整体框架图

数据采集器由监测终端和GPRS模块构成，通过RS485总线，向光伏发电、风力发电并网控制器和微气象站进行通信，通信协议为MODBUS协议RTU格式，Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。系统通过总线形式将风力发电和光伏发电的当前功率、日电量、总电量、当前电压电流、总运行时间以及微气象站中的温度、日照、风力、风向等数据的采集，再通过GPRS模块进行透明传输。

图1中一个监测终端连接着多个设备，其中通过modbus协议中的设备地址来进去查询，Modbus查询格式如表1所示[2]。再将多个监测终端集中通过基站向数据服务中心进行数据推送。表1为监测终端请求数据格式，表2为主机请求数据后从机返回数据格式，其中光伏发电控制器、风力发电控制器以及微气象站均采用两表中的数据格式。

表1 主机modbus协议查询命令表

表2 从机设备查询命令返回数据表

在本系统中，采用如图1所示的基于GPRS无线通信技术将光伏风力发电并网监测系统中的分布于不同地理位置上的监测终端连接起来，建立有效的通信链路，实现各种相关信息的上传和下达。系统总体设计为20 kW光伏发电和20 kW风力发电，以及三台微气象站。其中共青城地区为两台10 kW光伏发电并网控制器和一台微气象站以及一台监测终端组网，湖口地区由十台2 kW风力发电机和两台微气象站以及一台监测终端组网。

2 监测终端的硬件及软件实现

2.1 监测终端硬件组成

系统硬件实现上主要分为主控制器单元、GPRS通信单元、通信转换单元和显示按键单元。硬件结构框图如图2所示。

图2 硬件结构框图

主电路单元：主要包括CPU及基本的外围芯片，是系统的核心，起到控制中心的作用。外围芯片主要有时钟芯片、看门狗芯片、以及Flash ROM。

CPU采用STC12C5A60S2单片机，是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8~12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250 K/S），针对电机控制，强干扰场合。在本系统中其低功耗和强抗干扰能力尤显得重要。

显示按键单元：主要包括按键和数码管显示。主要实现人际接口功能，用户用户设置从机设备地址号以及串口通信波特率等特性。

数据通信电路：主要包括串口通信芯片MAX232、RS232转RS485转换器、GPRS模块及铁电存储器FM24C64。RS232通信用于与GPRS模块就行通信，RS485作为总线方式与光伏风力发电并网控制器以及微气象站进行数据传输。FM24C64用于临时存储采集到的发电及气象信息数据。

2.2 监测终端软件实现

监测终端软件部分主要负责系统参数的管理，采集数据的分析与处理以、向远程服务器发送数据和接收远程服务器操作指令，如定时发送数据、和远程服务器对时、数据查询以及参数设定等。监测终端程序大多采用C语言及汇编语言编写。软件流程图如图3所示。

图3 监测终端程序流程图

3 GPRS通信

GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的简称，GPRS采用与现有GSM（Global System for MobileCommnications全球移动通信系统）同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构，基站子系统（BSS）可提供全面的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用[3，4]。

在本监测系统中，采用宏电公司生产的H7710 GPRSDTU模块，为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。利用GPRS/CDMA1x网络平台实现数据信息的透明传输，同时考虑到各应用部门组网方面的需要，在网络结构上实现虚拟数据专用网。特别适合中心对多点、点多分散的中小数据量的传输。

通过装设GPRS的管理站，利用移动公司的GPRS通信网络，通过在不同地理位置的GPRS远程监测终端，将每个光伏风力发电并网控制器和微气象站的电量和气象数据，传输给管理站，实现管理单元远程传输及综合性的智能管理。GPRS实现远程遥测遥控具有以下特点：

1）实时性强。由于GPRS的不间断的在线特性，可满足系统对数据采集和传输的实时性要求；

2）可对各监测终端进行远程设置命令。通过GPRS双向系统实现对各监测终端的命令参数调整等操作；

3）应用范围广。GPRS覆盖范围广，在无线GSM/GPRS网络覆盖范围之内，都可以完成远程通信。

4 远程数据服务中心

远程数据服务中心主要负责各网络点的数据采集，从而形成统一的数据采集平台，该数据中心的核心是面向对象的配电网准实时数据库，为数据管理应用提供极大的便利，在配电自动化应用上得到广泛应用[5]，其中数据采集平台实际曲线图见图4。

图4 数据采集实际曲线图

在本系统中数据服务中心将各监测终端点的信息通过总GPRS管理站将数据传到数据中心，然后再进行数据的推送，数据服务系统的框架图见图5。

图5 数据服务系统框架图

分布式监测终端数据已经通过GPRS方式发送到九江供电公司信息中心外网IP地址。为了将上述数据推送给共青城智能电网可视化平台，需要做如下工作：

1）在九江信息中心外网接收光伏数据的服务器上，部署数据转发程序，每隔5分钟，使用GPRS模块（该模块使用移动私网地址），转发数据到九江自动化机房移动私网IP服务器上。

2）在九江自动化机房移动私网IP服务器，部署GPRS数据接收程序。接收到的数据保存到数据库。

3）在九江自动化机房移动私网IP服务器，部署SOA数据推送程序，向南瑞部署在自动化机房的单向隔离前置服务器发送数据。

4 结语

本设计目前在九江配电自动化示范项目中使用，能够准确快速将湖口及彭泽地区的光伏和风力发电数据传输到九江数据服务中心，并及时将数据推送至配电中心可视化平台。采用GPRS远程监测实现了配电数据的控制广利功能，保证了发电数据得到及时的分析处理，实时监测并网控制器的工作状态。该系统在九江示范中心已安全稳定运行一年，已取得了令人满意的效果。

[1]潘家铮.中国的能源问题和出路[J].世界科技研究与发展，1997，（19）：1-8.

[2]曹祁，王晓萍，郭振武.Modbus协议在数据采集仪中的实现[J].机电工程，2004，（21）：49-50.

[3]徐岸柳.基于GPRS的配电网远程数据采集及管理系统设计[J].华北电力大学（北京），2010.

[4]馨水平，贺建零.基于GPRS的配电变压器在线监控系统研究[J].自动化仪表，2008，（29）.

[5]姚丹丹，王东涛，卢涵宇.基于WinCC的光伏发电监控系统的设计[J].井冈山大学学报（自然科学版），2011，（6）：20.