基于组件信息测量的光伏电站无线监控系统

■ 张先勇谢瑞曾君（.广东技术师范学院自动化学院 .华南理工大学电力学院）

基于组件信息测量的光伏电站无线监控系统

■ 张先勇1*谢瑞1曾君2
（1.广东技术师范学院自动化学院 2.华南理工大学电力学院）

针对目前分布式光伏电站缺乏精细化管理的现状，本文采用射频无线通讯技术及网络技术，构建了基于组件信息测量的光伏阵列无线监控系统。该监控系统网络拓扑由感知层、网络层及应用层组成，在分析功能要求的基础上进行了智能无线终端、中继器及上位机的软硬件详细设计，实现了光伏组件电压、电流、功率及温度的实时远程在线监测与数据存储，还实现了分布式光伏电站运行状态和组件状态的实时监控，为分布式光伏电站的智能运行、管理及维护提供了有效的手段。

光伏；组件；无线监控；射频；网络

0　引言

分布式光伏发电目前在国内外得到了高度重视和迅猛发展。大型分布式光伏电站设备通常安装在室外，无人值守、所处环境非常恶劣、运行时间长，对地域上广泛分布的光伏电站及组件进行及时的运行控制和维护十分必要，需要大量的人力、物力和财力。光伏组件一方面存在物理特性差异；另一方面，由于安装位置不同，天气变化引起太阳辐照变化、乌云落叶等遮蔽情况的不同，每块组件的实时运行状态都不同。分布式光伏电站通常采用集中逆变的模式并网，光伏组件通常需要进行串并联提供直流高压和大功率，因此每块光伏组件对系统运行，特别是对其所处的串联支路的运行状态有着重要影响[1]。大型分布式光伏电站的组件数量通常达到成千上万块，因此分布式光伏发电电站必须配备自动运行且功能完善的数据采集与运行监控系统，用于监控分布式光伏发电运行状态和设备状态信息，便于用户管理，对提高电站的运行效率及运行安全起着重要作用[2]。

现今分布式光伏电站的监控主要还是基于逆变器的监控，即以单片机和RS485总线为主，对逆变器的运行数据进行实时采集，上位机通常以组态软件为主，存在着通信手段单一、网络管理落后、缺乏明确规范、整合程度低、难以扩展等缺点[3,4]。采用无线数字传输技术，无需通讯电缆便可采集光伏电站的运行数据是当前的应用趋势。国内已有文献报道了采用无线射频、GPRS、ZigBee无线网络等通讯技术的光伏电站监控系统，但还未见采用无线射频和网络技术实现对光伏组件的实时监控、基于光伏组件信息的分布式发电系统的智能诊断和智能管理的研究[5-8]。

1　总体设计方案

该监控系统基于组件信息测量，实现组件与上位机的双向通讯，从而实现组件状态与光伏电站运行状态的实时监控，监控系统网络拓扑结构如图1所示。整个网络拓扑由3层组成，分别为感知层、网络层与应用层。

图1　监控系统总体设计方案

1)感知层为智能无线测量终端设备，主要实现两个功能，一是实现对光伏组件状态信息，如电压、电流、功率及温度的在线实时测量；二是实现与中继站的双向通讯。

2)网络层主要包括中继器与局域网交换机，采用无线通讯技术组建无线网络，感知层设备通过无线模块与中继器的无线模块通信，在局域网上连接TCP转无线模块，实现感知层设备无线接入局域网。

3)应用层主要由服务器组成。数据库服务器主要进行光伏组件测量信息的存储及统计，应用服务器开发相关的分布式光伏电站运行状态监控与故障诊断等程序；展示终端主要对外展示应用与技术。

2　智能无线终端硬件设计

如图2所示，智能无线终端主要由控制器、DC/DC隔离电源模块、电压采样电路、电流采样电路、无线收发模块、热敏电阻传感器等几部分组成。

1)控制器：采用单片机ATmega168作为控制器芯片，采用TQFP封装，主频为1 MHz，Flash为16 K，有8路10位ADC，具有可编程的串行USART接口和SPI串行接口，以及面向字节的两线串行接口，其丰富的资源能满足项目需求。

图2　智能无线终端原理图

2) DC/DC隔离电源模块：由于光伏组件通过串并联方式连接，光伏组件两端共模电压可高达数百甚至上千伏，而单片机等常用电子元器件的特性参数只适于低压应用，而且无线终端的供电希望由光伏组件就地供给，为了适于光伏组件的电压范围及终端电路工作安全，必须采用宽电压输入的高低压隔离电源模块。本系统中选用的隔离电源模块型号为PWB4805ZP-3WR2，输入电压为18～72 V，输出为5 V/600 mA，隔离电压1500 VDC，工作温度为-40～85 ℃。

3)电压采样电路：采用线性光耦及运放LM358实现阵列电压电阻隔离采样，实现功率电路与测量电路的分离，有效提高电压测量精度和抗干扰能力。根据不同的光伏阵列参数可以调整电阻的取值以满足单片机输入电压的要求。

4)电流采样电路：采用闭环霍尔电流传感器实现非接触的电流采样，型号为HCS-LSP3-06A，电流测量范围为-12～12 A，额定输出电压为1.65±0.625 V。

5)无线收发模块：由Silicon Labs的Si4432芯片及晶振、电容、电感等外围电路构成，可应用于远程控制、遥感监测、无线数据记录等领域。Si4432是分时双工的无线收发器，具备关断、发送、接收、空闲4种工作模式，发送模式和接收模式之间的切换经空闲模式过渡，切换时间为1 ms。Si4432通过SPI总线与单片机进行通信，工作电压为3.3 VDC，工作频段为240～960 MHz，传输距离大于1000 m。Si4432可提供对数据包处理、数据缓冲FIFO、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、唤醒定时器、低电压检测、温度传感器、8位AD转换器和通用输入/输出口等功能，数据传输率为0.123～256 kbps；有4字节的桢头可用，在接收端使用帧头过滤器，可以设置按地址接收。

6)本系统中温度采样采用热敏电阻。

根据上述描述设计无线终端样机如图3所示。

图3　无线终端样机

3　中继器硬件设计

如图4所示，中继器主要由AVR单片机、DC/DC电源电路、时钟芯片、EEPROM芯片、无线射频收发模块、以太网接口模块、SDCARD等几部分组成。

DC/DC电源电路采用LM2576-5 V降压芯片和ASM1117-3.3 V稳压芯片。以太网接口模块选用型号为USR-TCP232-T的10/100 M自适应以太网接口，实现TCP或UDP网络数据包与AVR单片机串行接口数据之间的透明传输，工作方式可选TCP Server、TCP Client、UDP、UDP Server，可跨越网关、交换机、路由器，可工作在局域网、互联网。根据上述原理设计的中继器样机如图5所示。

图5　中继器样机

4　软件设计

本系统中软件设计主要分为两部分，一部分是无线终端和中继器的软件设计，一部分是应用层上位机的软件设计。无线终端和中继器的软件开发利用ICCAVR集成工作环境进行程序编写。ICCAVR是一种符合ANSI标准的、简单易用的AVR单片机开发工具，功能合适、使用方便、技术支持好。

图6　无线终端主程序流程图

无线终端程序设计主要实现电压、电流和温度采样，以及与中继器通信。中继器作为主机，无线终端作为从机，每一个无线终端设置独一的地址，并初始化为接收模式，等待中继器发送寻址指令。图6为无线终端的主程序流程图，无线终端接收中继器的寻址指令，并与自身地址寄存器进行比较，当地址匹配成功，通信握手成功；当Si4432接收到数据包或CRC校验失败时产生中断，管脚IRQ置0，若因CRC校验错误引起的中断，则复位接收缓存区，若因有效数据包接收引起的中断，则进行接收数据处理；最后把终端地址信息及光伏组件的测量数据回送给中继器，为发送模式，为接收模式。

图7为中继器的主程序流程图。中继器程序设计主要实现与无线终端和上位机的通信，与上位机的通信是通过UART方式，中继器采用轮询方式对无线终端进行寻址。在主函数中，接收到上位机发送过来的数据，对数据进行判断，判断完后发送相应指令给对应地址的终端设备，然后等待终端设备返回数据。在中继器等待终端数据返回的过程中使用定时器计时，若5 s后无数据返回，说明无线终端响应超时，则进行相应的故障处理。中继器的数据接收处理与上述无线终端的数据接收处理类似，无线终端地址、电压、电流、温度等数据经过处理后通过以太网接口模块传输至上位机。

图7　中继器主程序流程图

上位机程序设计使用Visual Basic软件开发。VB拥有图形用户界面GUI和快速应用程序开发系统，可以轻易地使用DAO、RDO、ADO连接数据库，轻松的使用软件自身提供的组件快速建立一个应用程序。上位机一方面将无线终端数据存放到access数据库中，同时可以进行显示和后续处理；另一方面可以向无线终端发送控制指令，完成控制操作。图8为分布式光伏电站在线监测诊断系统界面，可进行相关的应用程序的二次开发。

图8　分布式光伏电站在线监测诊断系统

本文构建了3块组件为例的无线监测系统，并进行了监测系统的实际运行测试。图9为数据库中保存的原始数据，图10为3块组件的实时功率曲线图。从图10中可看出，组件功率曲线各异，1号组件功率从45 W上升至48 W，上升缓慢；2号组件功率从54 W上升到70 W，上升较快；3号组件功率从58W上升到70W，2号与3号组件特性较为一致。因此，基于组件信息测量可以实现对组件状态的精确判断，并可判断集中型逆变器应用中光伏阵列串并联连接的合理性，为实现太阳能最大功率利用提供科学的技术手段和判定依据。

图9　数据库记录

图10　组件功率曲线图

5　结论

针对目前分布式光伏电站仅仅通过读取逆变器信息获取电站运行状态的现状，本文构建了基于光伏组件信息测量的分布式光伏电站监控系统，该系统主要由无线终端、中继站及上位机组成，在详细的硬件设计及软件设计基础上，开发了一套完整的无线监控系统，并进行了实际的运行测试。运行结果表明，该监控系统稳定可靠，能够满足分布式光伏电站对光伏组件监控的需要，后续研究工作将在完善该监控系统的基础上，基于该监控系统获取的数据进行光伏组件故障诊断及分布式光伏阵列优化运行的研究。

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2015-12-11

张先勇(1977—)，男，副研究员，主要从事太阳能发电及微电网技术方面的研究。308190732@qq.com