国内光伏电站监控技术研究进展综述

上海太阳能工程技术研究中心有限公司 ■ 冯相赛

国内光伏电站监控技术研究进展综述

上海太阳能工程技术研究中心有限公司 ■ 冯相赛

综述了我国光伏电站远程监控技术的发展历程，分析了不同技术在光伏电站远程监控中的应用及其优缺点，并阐明了光伏电站远程监控技术的发展趋势，为相关领域的研究人员在光伏电站远程监控方面的研究提供一定的借鉴和参考。

光伏电站；监控；趋势

0 引言

随着工业的发展，全球环境问题日益严峻，煤炭、石油、天然气等化石能源在利用过程中所产生的“废水、废渣、废气”在给环境带来一定破坏的同时，也在一定程度上造成全球气候变暖、海平面的上升，严重影响着人类的日常行为活动。面对日益严重的环境问题，新能源的研究和利用迫在眉睫。太阳能作为一种可再生能源，因其取之不尽、用之不竭的特性而备受关注。虽然每年只有约百万分之二的太阳辐射到达地球，但太阳每年给地球带来的能量超过1×1018kWh，这些能量是全球所需能源的1000倍之多[1]，如何有效合理地利用太阳到达地球表面的能量是全球所面临的问题。

我国地域面积辽阔，太阳能资源丰富，全国各地太阳能的年辐射量约为3340～8400 MJ/m2，年均辐射量为5852 MJ/m2，其中全年日照时数超过2000 h，太阳总辐射量高于5012 MJ/m2的地区超过国土总面积的一半以上[2-6]，具有得天独厚的资源优势。

近年来，我国政府大力发展光伏产业，中西部以地面光伏电站为主，东部地区以与建筑相结合的分布式光伏电站为主。据国家能源局的信息统计数据显示：截至2015年底，我国光伏发电累计装机容量为4318万kW，成为全球光伏发电装机容量最大的国家。根据国家“十三五”规划纲要的要求，到2020年，我国非化石能源的消耗比例要达到15%以上，而光伏电站作为非化石能源的重要组成部分，势必会得到大力发展。

光伏电站的运营维护离不开远程监控系统的建设，在大力发展光伏电站的同时，必须考虑光伏电站的信息监控问题[7,8]，以便实时了解光伏电站的发电性能，为光伏电站的运维及数据分析提供便利条件。

近年来，我国在光伏电站监控方面的研究应用取得了一定的进展和成效，本文从光伏电站监控系统的研究和应用角度综述了国内光伏电站监控系统的发展利用状况，为光伏电站相关方面的研究及应用人员提供一定的参考。

1 光伏远程监控系统

随着电力电子技术的发展及生产生活的需要，监控系统在各行各业得到广泛应用。在工业领域，监控系统的应用大幅提高了生产效率，节省了企业的资金投入，为企业的相关数据分析提供了便利条件。

光伏电站的建设运行同样也离不开监控系统的应用，这是因为光伏电站一般都建设在人员稀少的偏远地区，不便于进行运营维护，如果派人长期值守记录光伏电站的实时数据，从人工投入、资金投入、基础设施保障等方面来说都是难以实现的[2,3,9-13]；另一方面，光伏电站的使用者通过监控系统才能全面掌握其运行情况。监控系统在光伏电站的研究与应用能够为光伏电站的监控及后期运营维护提供技术支持和服务保障[7,14]。

与常规的监控系统类似，光伏电站的监控系统主要包括上位机、下位机[15]。不同的光伏监控系统由于其采用的软、硬件系统的不同而不同；另外，需根据光伏电站是否有储能要求的具体情况来决定是否需要对光伏电站增设与蓄电池相关的数据监控模块。

1.1 监控系统原理

随着监控技术的发展，光伏电站监控系统的类型经历了从人工数据记录、近距离的有线监控、远程无线监控，到基于互联网的实时监控[2]。不同的监控系统依据其用途及应用场所的不同，包含的软、硬件系统各不相同。但一般的光伏电站监控系统工作原理简图如图1所示，由单片机将光伏电站所采集的数据整合之后，通过电话线、移动基站等不同的数据传输方式将光伏电站的监控数据上传至网络，然后经数据中心处理后，发送给有需求的用户。

图1 光伏电站监控系统工作原理简图

通常的光伏监控系统有以下4种数据传输方式：通过Modem拨号的通信方式、基于Internet的TCP/IP协议的通信方式、基于ASP.NET和ADO.NET的通信方式，以及基于嵌入式Internet和GPRS无线数据传输的通信方式[2,4,6,9,16]。

1.2 硬件系统

光伏电站远程监控系统的研究人员普遍将PC机作为上位机，而用作下位机的单片机有：W77E58单片机[2]、89C51单片机[3,17]、MSP430单片机[11]、80C31单片机[15]、89C52单片机[16]、Atmega8单片机[18]、TMS320系列单片机[19]、Atmega16单片机[20]等。通信方面，采用配置MAX3082、MAX3221[11]、MAX488/489[15]的RS485总线、CAN总线串行接口作为通信数据传输方式，之后通过Internet[2,9]、数传电台、电话线[11]等方式实现更远距离的实时电站数据监控。在传输电路中采用光电隔离技术，以避免上位机与下位机及传输电路之间受其他信号的干扰[15,17]。一些监测功能简单的光伏电站监控系统采用含有主控芯片的智能电表[18,21]作为光伏电站测控系统的芯片，通过单片机收集和汇总光伏电站系统的交直流信号将所采集信息发送至用户端。

GPRS无线模块同样被广泛应用到光伏电站监控系统的数据传输领域，可以通过Internet网络覆盖有移动信号的地区，适合中小型用户便利接入[6,10,12,13,22-30]。在没有网络、没有电话信号的地区，可以采用无线数传模块将光伏电站的监控数据传送至有电话网络或互联网的地区。

随着无线传感技术的发展，Xbee[18]、Zigbee[31,32]等无线传输模块也逐渐应用到光伏电站的数据传输领域，无线传输技术将应用到大规模光伏电站中的数据采集当中。

除了以上光伏电站远程监控系统所需的主要硬件设备之外，光伏电站监控系统辅助的硬件设

备还包括：电流电压采样设备、风速采样设备、环境温度采样设备，以及可选择的蓄电池电压、电流、温度等物理量的采样设备。风速传感器多采用稳定性较好的三风杯风速传感器[16]，温度传感器多采用红外线传感器[17]，电流电压的采样设备通常选用霍尔传感器[32]。

1.3 软件系统

光伏电站的远程监控系统软件由上位机软件和下位机软件组成，上位机软件主要负责远程数据的查看、处理、分析等；下位机软件主要负责控制各传感器的数据采集与传输。下位机的监控软件可以用单片机的汇编语言进行相关模块的编译[2,17]，上位机的监控系统常用Visual C++[3,10,13,28]、Visual Basic[5,15,24]、Visual Studio[16]等语言编程软件。

Visual Basic和Visual C++中包含的MSComm模块被开发人员广泛采用[3,15]，该模块的优势在于只需对MSComm的属性和事件进行设置，即可实现串行异步通信。MSComm模块的应用，可以避开复杂的API函数，采用标准化的通信命令接口，方便技术开发人员的快速使用。

除了常规的语言编译软件开发以外，还可以采用客户端专用的开发工具Delphi6.0[9]，以及包含有DataSocket网络软件技术的LabVIEW[8,18]等软件来实现上位机软件的编译。

随着Web技术的发展，JSP动态网页开发技术[7]、C#程序的物联网平台[6,21]，以及利用建立在.NET Common Language Runtime 上的ASP. NET技术[33,34]也被一些相关的光伏监控技术人员所采用。

通过以上开发工具所编写的电站客户端软件可以方便地实现光伏电站的实时数据监控、电站数据库管理等功能，并可以根据客户的实际需要调节数据采集的时间间隔，同时能够将光伏电站的电流、电压、功率、温度、发电量等信息描绘成相应的曲线。

2 存在问题

光伏电站监控系统从最初的人工抄表、通过电话线进行一定距离的数据传输、通过软件客户端进行光伏电站的数据监控，再到现在常用的通过浏览器的方式进行光伏电站的数据监控，每一种监控方式均存在其特有的优缺点。

1)人工现场抄表：这种方式所获得的数据不能够及时有效地反馈给远距离的工程技术人员，且人工抄表所获得的数据在抄表和传递数据时会产生一定的人为误差，影响工程技术人员对光伏电站现场工作情况的判断及相应的处理。

2)采用电话线进行数据传输：光伏电站信号与电话信号采用相同的传输线路，两者的信号容易互相干扰，影响信号传输质量；另一方面，虽然与人工抄表相比，采用电话线进行数据传输的方式在一定程度上节省了人力物力，扩展了电站数据的传输距离，但是这种方式不便于让工程技术人员实时了解光伏电站的运行状况，且只适用于有电话线布置的区域。

3)通过移动基站信号发送光伏电站的运行数据：可以独立使用信号通道对电站数据进行实时传输，但是该传输模式需有稳定的移动信号支持，移动信号的不稳定可能造成光伏电站数据传输的中断或缺失，不能及时给电站工程技术人员反馈光伏电站的实时数据信息，影响光伏电站的后期监控及维护。

4)采用Internet基于浏览器的数据传输模式：该方式能够让工程技术人员通过互联网随时随地、更方便地实时了解光伏电站的监测数据，使光伏电站的运行数据所传送的距离可扩展到任何一个有互联网的地方。但该方式的弊端与采用电话线及移动信号进行数据传输的方式类似，只能应用在有互联网的地区。

5)采用Internet与通信卫星相结合的数据传输方式：该方式可以最大范围进行光伏电站的数据采集与传输，但目前国内通信卫星尚没有

大范围对公众进行商业化运作，通信卫星频段的申请需要对应的政策支持，这使国内利用通信卫星进行电站数据传输技术及应用尚处于起步阶段。

3 未来发展趋势

随着移动通信技术和电子技术的发展，光伏电站的远程监控系统将朝更便捷、更智能化的方向发展。未来的光伏电站监控系统可实现更多移动终端的实时监控，使用户更方便地掌握电站的实时运行情况，具体可从以下几个方面入手：

1)监控系统的硬件方面：从检测设备的角度，研究可靠性更高的检测设备，将检测设备直接与光伏组件有效地结合在一起，使光伏电站的监控更加便利，同时能够实时监控每个光伏组件的发电情况。

2)在数据传输方面：更精确、更长距离的无线传输技术将是另一个重要的发展方向，无线传输技术的发展能够进一步减少通信电缆的使用量，减少数据在有线传输过程中的能量消耗与信号衰减。

3)在软件方面：常规的电站监控系统与电站自修复系统相结合也是未来发展的方向之一，自修复系统的引入可以扩展光伏电站的监控功能，同时能够实现光伏电站自我检测与修复功能。

4 结论

本文通过对国内光伏电站监控系统的研究与应用情况的总结，从光伏电站的监控系统分类、监控系统硬件、监控系统软件、各种监控系统存在的问题，以及光伏电站监控系统的未来发展趋势等方面进行了阐述，对光伏电站相关的工程技术人员及光伏电站监控系统的研究人员具有一定的参考意义。

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2016-06-29

冯相赛(1985—)，博士，主要从事光伏应用技术研发。fengxiangsai@solarcell.net.cn