通用型光伏電站監控系統的研制＊

黃海宏 朱晶晶 梁 平

（合肥工業大學，安徽 合肥 230009）

0 引言

在微波通信和廣播電視領域中，太陽能電源系統正逐步取代一些傳統的電源設備，得到越來越廣泛的應用。例如在高山建設微波中繼站，電源是一個難以解決的問題。一般高山地區附近沒有電網，如果從數十公里以外將電網拉到山上，投資十分巨大，而且電網容易引入雷電，損壞各種設備，甚至造成人員傷亡。如果利用發電機發電，不僅費用高，而且維護困難。然而高山地區太陽能資源十分豐富，用太陽能系統為微波通訊供電具有擴大微波通信覆蓋范圍、節省輸電線路建設投資、提高微波通信聯系可靠性、建設時間短、無污染、運行費用低、系統維護簡單和可以無人職守等許多優點。同樣在無電和缺電的地區，太陽能光伏并網電站還可作為獨立電源或中心電站，解決當地居民的生活用電和中小型工業用電問題，因此光伏電站具有廣闊的應用前景。

1 光伏電站監控系統的功能要求

傳統的電力變電站和移動通訊基站早已實現了綜合自動化，通過主站的計算機就可以實現對變電站和通訊基站設備的監測與管理。光伏電站的運行模式有別于傳統的變電站和通訊基站。由于光伏電站的用途不同，也造成各種光伏電站的設備差異很大，需監控的對象也有差異。

作為微波通信供電的光伏電站與光伏并網電站運行模式既有相同點，也有不同之處。為微波通信供電的光伏電站，太陽能電池陣列在太陽光照射下輸出電能，經過防反充二極管向蓄電池組充電并向直流負載供電;同時太陽能電池陣列的輸出經過控制器接入逆變器的直流輸入端，由逆變器經配電盤向交流負載供電。在太陽能電池陣列功率輸出不能滿足正常負載供電時，由蓄電池組通過逆變器向負載供電。作為這種類型的光伏電站的監控系統，太陽能電池陣列、光伏控制器（含逆變器）、蓄電池組的運行狀況都屬于要監測的范圍。甚至為了盡量延長蓄電池組的使用壽命，識別落后電池，單體蓄電池電壓和溫度也都屬于監控系統的監測對象。而對于大型的光伏并網電站，有多臺并網逆變器運行在MPPT模式，系統容量大，運行較為復雜，監測太陽能電池陣列、并網逆變器運行狀況，實時采集電網電壓、逆變器輸出電流、太陽能電池陣列輸出電壓和電流，并實現群控功能，是該類光伏電站監控系統的基本功能。

雖然光伏電站種類的不同對其監控系統的要求各異，但根據實際需要，各種光伏電站監控系統均應具備以下功能:

1）數據采集:實時采集太陽能電池陣列輸出電壓、電流，環境溫度，逆變器輸出電壓、電流以及配電開關狀態等，若配置有蓄電池組，還應采集電池組電壓、充放電電流、單體電池電壓，單體電池溫度等。

2）故障監測:實時監測光伏電站設備運行狀態，當設備發生故障時，應立即發出聲光及遠程告警信號，通知維修人員及時處理。

3）數據存儲:將光伏電站的運行數據存儲在存儲器中，以便當系統發生故障時進行故障分析和定位。

4）遠程監控:具有遠方通訊接口，以保證遠方監控中心對光伏電站工作狀態的了解及遠程控制，即具有遙測、遙控、遙信、遙調功能[1]。

2 通用型光伏電站監控系統的設計

為實現遠程監控，光伏電站監控系統設置站內監控系統和主站監控后臺。為能夠通用于光伏微波通信電站和光伏并網電站，站內監控系統采用分布式結構。在光伏電站現場安裝現場監控計算機和各種類型的分布式模塊。現場監控計算機配置RS232轉RS485轉換模塊，通過RS485總線，按不同召喚命令和通訊站號對逆變器等光伏控制設備和各分布式模塊進行分時召喚;通過網口召喚氣象站監測設備，獲得實時數據，對數據進行分析和處理;并響應主站監控計算機的召喚命令，將實時數據上傳給主站計算機;接收主站計算機和現場的控制要求，將控制命令下發給對應裝置。各分布式模塊響應不同的召喚命令，若配置多個同一類型的模塊，則可通過設置不同的通訊站號進行區分。通用型變伏電站監控系統結構如圖1所示。

其中模擬量測量模塊分為交流量采集模塊和直流量采集模塊，均采用Philips公司的低價高性能微處理器P89LPC938作為MCU，其內置8k的Flash和768字節的RAM，自帶8路10位AD，可采用片內RC振蕩器產生系統時鐘，同時選擇內部上電復位方式，可減少元件的數目、電路板面積。模擬量測量模塊原理框圖如圖2所示。

圖1 通用型光伏電站監控系統結構

圖2 模擬量測量模塊原理框圖

交流測量單元通過電壓和電流互感器，配合精密整流電路測量被測交流量的有效值。如圖3所示，互感器均采用電流輸出模式，通過R1將電流信號轉化為電壓信號，由于該電壓值偏小，通過R3、R5和運放D1∶D組成的同向放大器將該信號放大，（R5+R3）/R3即為放大倍數。由于R8的阻值為R6的兩倍，則通過運放D1∶C可將交流信號再負向放大兩倍，通過二極管V1和V2可去除正半周波信號，則在D1的6腳將兩倍的負半周波信號與未放大的完整周波疊加，效果即為將正周波翻至負周波;再經過運放D1∶B即可獲得兩個連續的正向周波，整個電路效果如同將交流周波的負半周對稱的翻至正半周;再經過RC濾波，即獲得較平滑的直流信號，可連接到單片機的內置AD進行測量[2]。

圖3 精密整流電路

為解決蓄電池放電電流等負值直流電量檢測問題，在直流量采集模塊中采用提升電路將被測信號進行電壓提升和濾波后再進入單片機的AD。

每個開關量檢測和控制模塊可檢測12路開關量，并通過繼電器輸出4路無源節點，完成系統要求的控制操作。

對于微波通信供電的光伏電站，需配置蓄電池組作為儲能元件。需要注意的是，電池間不可避免地存在不一致性。電池的不一致性是指同一型號規格的電池的電壓、內阻、容量等參數存在差異。電池間的不一致性會使電池組中容量低的電池更容易過充電和過放電，在循環充放電過程中，若不對電池系統加以管理，電池的不一致性會不斷擴大，從而產生落后電池，電池組使用壽命以及系統的可靠性均會受到影響[3]。為避免電池間不一致性不斷加大，產生落后電池進而影響整組電池使用壽命，監控系統設計了蓄電池測量模塊檢測單體蓄電池的單體電池和溫度。目前應用于光伏電站的主流蓄電池是閥控式密封鉛酸蓄電池，主要有12V和2V兩種類型。故蓄電池測量模塊也區分為12V電池測量單元和2V電池測量單元。考慮到12V蓄電池組成的蓄電池組中電池數量不多，采用每節蓄電池配置一塊測量單元的方案。而2V蓄電池組成的蓄電池組中電池數量較多，為節省成本，采用4節2V蓄電池配置一塊測量單元的方案。蓄電池測量單元的單片機經光耦隔離電路將數據輸出到RS485總線，可完成單體電池的端電壓和殼體溫度采集任務。

圖4 現場計算機監控軟件參數設置界面

采用VB編制了現場監控計算機監控軟件，可在參數設置界面中對光伏電站名、通信站號（用于響應主站監控計算機的召喚命令）和各分布式模塊的數量及對應的各項參數設置。

圖4中“合肥工業大學逸夫科技樓”光伏電站為并網發電站，無蓄電池組，則蓄電池測量單元數設置為0。

VB的串行口通信設計采用MSComm控件，該控件擁有完善的串口數據接收和發送功能，屏蔽了通信過程中的底層操作，只需設置并監視控件的屬性和事件就可完成對串口的初始化和數據的發送與接收[4]，定義MSComm控件的屬性Inputlen、RThreshold和SThreshold均為1，編程中采用事件驅動方式來進行通訊響應，接

收事件程序如下所示。

計算機串行口每接收到一個字節，就發生一次MSComm1_OnComm事件，程序將接收到的數據放到rec_buffer數組內，在CallRx_preprocess函數中對接收到的數據進行判斷和處理。

圖5 偏遠地區光伏電站通訊方式

圖6 主站監控軟件實時數據畫面

現場監控軟件在VB程序中使用Winsock控件與電站氣象采集系統和主站監控計算機實現通信。Windows Sockets是Windows系統下的網絡編程接口，Winsock控件支持TCP和UDP兩種協議。設計中采用TCP協議，工作在客戶端，設置遠程主機或IP地址RemoteHost、遠程計算機的端口號RemotePort，然后通過Connect連接到服務器，連接成功后，就可以傳輸數據了，Winsock控件初始化程序如下所示。

與電力系統的變電站和移動通信用通訊基站相比，光伏電站還屬于新生事物，其在監控自動化和通信方面的發展也不成熟，某些偏遠地區或高山類的光伏電站受制于地理位置，在傳統電力變電站和移動通訊基站應用成熟的基于光纖的有線通信網絡難以廣泛適用。對于這類光伏電站，無線通訊應是其首選的通訊手段。

目前無線通訊手段主要為GPRS和無線數傳電臺。考慮到GPRS受公網業務開通狀況及信號覆蓋范圍的影響較大，而且其按流量記費，運行費用預測性不強，且實時性不強。故本設計采用無線數傳電臺作為無線通訊的工具。

無線數傳電臺是數字式無線數據傳輸電臺的簡稱，是指借助DSP技術和無線電技術實現的高性能專業數據傳輸電臺。其適用于各類點對點、一點對多點的無線遙控遙測系統，但其信號傳輸距離有限，通常為50公里，故需在距離該光伏電站一定距離內的鄉鎮設置中繼站進行信號轉接，其通訊方式如圖5所示。

數傳電臺通過串行RS232口分別與光伏電站現場監控計算機和中繼站計算機相連接。中繼站計算機再通過Internet與主站監控計算機實現數據通訊。

3 主站監控計算機監控軟件設計

主站監控計算機通過Internet分站號對各個光伏電站進行召喚，實現遙測和遙信，并對獲得的數據進行顯示和分析處理。主站監控軟件還具備告警管理和發電量數據統計功能。用戶可查詢各光伏電站的歷史告警記錄和每日發電量，提供發電量柱狀圖，方便用戶比較每天的光伏發電情況。圖6為光伏電站實時數據顯示畫面。通過主站監控軟件，用戶還可經密碼驗證后對各個光伏電站的可控設備下發控制命令，實現遙控和遙調。

4 結語

太陽能具有無污染、取之不盡、用之不竭等優點，與傳統能源相比，太陽能發電在眾多應用領域已經成為更經濟、技術上更有吸引力的替代能源。但光伏電站一般建在偏遠地區，地理環境、自然條件較惡劣，不能按照以往的傳統方式進行分散維護和人工監控。因此建立光伏電站智能監控系統，實現對光伏電站的有效監控和安全可靠運行，具有十分重要的現實意義。

[1]李立偉等.光伏電站智能監控系統的研制 [J].電源技術，2007，131（1）:76～79

[2]王海欣等.智能系統的交流測量方法 [J].微計算機信息，2004，20（10）:83～84

[3]黃海宏等.電動汽車分布式電池充放電管理的研究 [J].電子測量與儀器學報，2009，23（6）:68 ～73

[4]劉福才等.基于VC和無線數傳模塊的光伏電站遠程監控系統的設計[J]. 工業控制計算機，2006，19（5）:11 ～12，14

[5]樊偉等.基于WinSock的遠程數據傳輸 [J].重慶科技學院學報，2008，10（6）:121 ～ 123