基于組件信息測量的光伏電站無線監控系統

■ 張先勇謝瑞曾君（.廣東技術師范學院自動化學院 .華南理工大學電力學院）

基于組件信息測量的光伏電站無線監控系統

■ 張先勇1*謝瑞1曾君2
（1.廣東技術師范學院自動化學院 2.華南理工大學電力學院）

針對目前分布式光伏電站缺乏精細化管理的現狀，本文采用射頻無線通訊技術及網絡技術，構建了基于組件信息測量的光伏陣列無線監控系統。該監控系統網絡拓撲由感知層、網絡層及應用層組成，在分析功能要求的基礎上進行了智能無線終端、中繼器及上位機的軟硬件詳細設計，實現了光伏組件電壓、電流、功率及溫度的實時遠程在線監測與數據存儲，還實現了分布式光伏電站運行狀態和組件狀態的實時監控，為分布式光伏電站的智能運行、管理及維護提供了有效的手段。

光伏；組件；無線監控；射頻；網絡

0　引言

分布式光伏發電目前在國內外得到了高度重視和迅猛發展。大型分布式光伏電站設備通常安裝在室外，無人值守、所處環境非常惡劣、運行時間長，對地域上廣泛分布的光伏電站及組件進行及時的運行控制和維護十分必要，需要大量的人力、物力和財力。光伏組件一方面存在物理特性差異；另一方面，由于安裝位置不同，天氣變化引起太陽輻照變化、烏云落葉等遮蔽情況的不同，每塊組件的實時運行狀態都不同。分布式光伏電站通常采用集中逆變的模式并網，光伏組件通常需要進行串并聯提供直流高壓和大功率，因此每塊光伏組件對系統運行，特別是對其所處的串聯支路的運行狀態有著重要影響[1]。大型分布式光伏電站的組件數量通常達到成千上萬塊，因此分布式光伏發電電站必須配備自動運行且功能完善的數據采集與運行監控系統，用于監控分布式光伏發電運行狀態和設備狀態信息，便于用戶管理，對提高電站的運行效率及運行安全起著重要作用[2]。

現今分布式光伏電站的監控主要還是基于逆變器的監控，即以單片機和RS485總線為主，對逆變器的運行數據進行實時采集，上位機通常以組態軟件為主，存在著通信手段單一、網絡管理落后、缺乏明確規范、整合程度低、難以擴展等缺點[3,4]。采用無線數字傳輸技術，無需通訊電纜便可采集光伏電站的運行數據是當前的應用趨勢。國內已有文獻報道了采用無線射頻、GPRS、ZigBee無線網絡等通訊技術的光伏電站監控系統，但還未見采用無線射頻和網絡技術實現對光伏組件的實時監控、基于光伏組件信息的分布式發電系統的智能診斷和智能管理的研究[5-8]。

1　總體設計方案

該監控系統基于組件信息測量，實現組件與上位機的雙向通訊，從而實現組件狀態與光伏電站運行狀態的實時監控，監控系統網絡拓撲結構如圖1所示。整個網絡拓撲由3層組成，分別為感知層、網絡層與應用層。

圖1　監控系統總體設計方案

1)感知層為智能無線測量終端設備，主要實現兩個功能，一是實現對光伏組件狀態信息，如電壓、電流、功率及溫度的在線實時測量；二是實現與中繼站的雙向通訊。

2)網絡層主要包括中繼器與局域網交換機，采用無線通訊技術組建無線網絡，感知層設備通過無線模塊與中繼器的無線模塊通信，在局域網上連接TCP轉無線模塊，實現感知層設備無線接入局域網。

3)應用層主要由服務器組成。數據庫服務器主要進行光伏組件測量信息的存儲及統計，應用服務器開發相關的分布式光伏電站運行狀態監控與故障診斷等程序；展示終端主要對外展示應用與技術。

2　智能無線終端硬件設計

如圖2所示，智能無線終端主要由控制器、DC/DC隔離電源模塊、電壓采樣電路、電流采樣電路、無線收發模塊、熱敏電阻傳感器等幾部分組成。

1)控制器：采用單片機ATmega168作為控制器芯片，采用TQFP封裝，主頻為1 MHz，Flash為16 K，有8路10位ADC，具有可編程的串行USART接口和SPI串行接口，以及面向字節的兩線串行接口，其豐富的資源能滿足項目需求。

圖2　智能無線終端原理圖

2) DC/DC隔離電源模塊：由于光伏組件通過串并聯方式連接，光伏組件兩端共模電壓可高達數百甚至上千伏，而單片機等常用電子元器件的特性參數只適于低壓應用，而且無線終端的供電希望由光伏組件就地供給，為了適于光伏組件的電壓范圍及終端電路工作安全，必須采用寬電壓輸入的高低壓隔離電源模塊。本系統中選用的隔離電源模塊型號為PWB4805ZP-3WR2，輸入電壓為18～72 V，輸出為5 V/600 mA，隔離電壓1500 VDC，工作溫度為-40～85 ℃。

3)電壓采樣電路：采用線性光耦及運放LM358實現陣列電壓電阻隔離采樣，實現功率電路與測量電路的分離，有效提高電壓測量精度和抗干擾能力。根據不同的光伏陣列參數可以調整電阻的取值以滿足單片機輸入電壓的要求。

4)電流采樣電路：采用閉環霍爾電流傳感器實現非接觸的電流采樣，型號為HCS-LSP3-06A，電流測量范圍為-12～12 A，額定輸出電壓為1.65±0.625 V。

5)無線收發模塊：由Silicon Labs的Si4432芯片及晶振、電容、電感等外圍電路構成，可應用于遠程控制、遙感監測、無線數據記錄等領域。Si4432是分時雙工的無線收發器，具備關斷、發送、接收、空閑4種工作模式，發送模式和接收模式之間的切換經空閑模式過渡，切換時間為1 ms。Si4432通過SPI總線與單片機進行通信，工作電壓為3.3 VDC，工作頻段為240～960 MHz，傳輸距離大于1000 m。Si4432可提供對數據包處理、數據緩沖FIFO、接收信號強度指示(RSSI)、空閑信道評估(CCA)、喚醒定時器、低電壓檢測、溫度傳感器、8位AD轉換器和通用輸入/輸出口等功能，數據傳輸率為0.123～256 kbps；有4字節的楨頭可用，在接收端使用幀頭過濾器，可以設置按地址接收。

6)本系統中溫度采樣采用熱敏電阻。

根據上述描述設計無線終端樣機如圖3所示。

圖3　無線終端樣機

3　中繼器硬件設計

如圖4所示，中繼器主要由AVR單片機、DC/DC電源電路、時鐘芯片、EEPROM芯片、無線射頻收發模塊、以太網接口模塊、SDCARD等幾部分組成。

DC/DC電源電路采用LM2576-5 V降壓芯片和ASM1117-3.3 V穩壓芯片。以太網接口模塊選用型號為USR-TCP232-T的10/100 M自適應以太網接口，實現TCP或UDP網絡數據包與AVR單片機串行接口數據之間的透明傳輸，工作方式可選TCP Server、TCP Client、UDP、UDP Server，可跨越網關、交換機、路由器，可工作在局域網、互聯網。根據上述原理設計的中繼器樣機如圖5所示。

圖5　中繼器樣機

4　軟件設計

本系統中軟件設計主要分為兩部分，一部分是無線終端和中繼器的軟件設計，一部分是應用層上位機的軟件設計。無線終端和中繼器的軟件開發利用ICCAVR集成工作環境進行程序編寫。ICCAVR是一種符合ANSI標準的、簡單易用的AVR單片機開發工具，功能合適、使用方便、技術支持好。

圖6　無線終端主程序流程圖

無線終端程序設計主要實現電壓、電流和溫度采樣，以及與中繼器通信。中繼器作為主機，無線終端作為從機，每一個無線終端設置獨一的地址，并初始化為接收模式，等待中繼器發送尋址指令。圖6為無線終端的主程序流程圖，無線終端接收中繼器的尋址指令，并與自身地址寄存器進行比較，當地址匹配成功，通信握手成功；當Si4432接收到數據包或CRC校驗失敗時產生中斷，管腳IRQ置0，若因CRC校驗錯誤引起的中斷，則復位接收緩存區，若因有效數據包接收引起的中斷，則進行接收數據處理；最后把終端地址信息及光伏組件的測量數據回送給中繼器，為發送模式，為接收模式。

圖7為中繼器的主程序流程圖。中繼器程序設計主要實現與無線終端和上位機的通信，與上位機的通信是通過UART方式，中繼器采用輪詢方式對無線終端進行尋址。在主函數中，接收到上位機發送過來的數據，對數據進行判斷，判斷完后發送相應指令給對應地址的終端設備，然后等待終端設備返回數據。在中繼器等待終端數據返回的過程中使用定時器計時，若5 s后無數據返回，說明無線終端響應超時，則進行相應的故障處理。中繼器的數據接收處理與上述無線終端的數據接收處理類似，無線終端地址、電壓、電流、溫度等數據經過處理后通過以太網接口模塊傳輸至上位機。

圖7　中繼器主程序流程圖

上位機程序設計使用Visual Basic軟件開發。VB擁有圖形用戶界面GUI和快速應用程序開發系統，可以輕易地使用DAO、RDO、ADO連接數據庫，輕松的使用軟件自身提供的組件快速建立一個應用程序。上位機一方面將無線終端數據存放到access數據庫中，同時可以進行顯示和后續處理；另一方面可以向無線終端發送控制指令，完成控制操作。圖8為分布式光伏電站在線監測診斷系統界面，可進行相關的應用程序的二次開發。

圖8　分布式光伏電站在線監測診斷系統

本文構建了3塊組件為例的無線監測系統，并進行了監測系統的實際運行測試。圖9為數據庫中保存的原始數據，圖10為3塊組件的實時功率曲線圖。從圖10中可看出，組件功率曲線各異，1號組件功率從45 W上升至48 W，上升緩慢；2號組件功率從54 W上升到70 W，上升較快；3號組件功率從58W上升到70W，2號與3號組件特性較為一致。因此，基于組件信息測量可以實現對組件狀態的精確判斷，并可判斷集中型逆變器應用中光伏陣列串并聯連接的合理性，為實現太陽能最大功率利用提供科學的技術手段和判定依據。

圖9　數據庫記錄

圖10　組件功率曲線圖

5　結論

針對目前分布式光伏電站僅僅通過讀取逆變器信息獲取電站運行狀態的現狀，本文構建了基于光伏組件信息測量的分布式光伏電站監控系統，該系統主要由無線終端、中繼站及上位機組成，在詳細的硬件設計及軟件設計基礎上，開發了一套完整的無線監控系統，并進行了實際的運行測試。運行結果表明，該監控系統穩定可靠，能夠滿足分布式光伏電站對光伏組件監控的需要，后續研究工作將在完善該監控系統的基礎上，基于該監控系統獲取的數據進行光伏組件故障診斷及分布式光伏陣列優化運行的研究。

[1]丁明, 陳中. 遮陰影響下的光伏陣列結構研究[J]. 電力自動化設備, 2011, 31(10): 1-5.

[2]壽挺, 張思建. 小型并網光伏電站智能監控系統的研究[J].中國電力, 2012, 45(9): 60-63.

[3]李喬木, 傅質馨, 袁越, 等. 基于可靠性分析的光伏發電系統監控網絡拓撲結構設計[J]. 可再生能源, 2014, 32(9): 1255-1261.

[4]宋福霞, 徐小力, 喬道鄂, 等. 基于Web的光伏電站遠程無線監控系統[J]. 儀表技術與傳感器, 2011, (5): 43-45.

[5]左云波, 王歡, 徐小力, 等. 太陽能光伏發電無線監控系統[J]. 太陽能, 2011, (1): 29-32.

[6]彭繼慎, 李文帥, 李秋香. 太陽能光伏發電無線遠程監控系統的研究與設計[J]. 計算機測量與控制, 2012, 20(12): 3228-3231.

[7]傅質馨, 劉振, 袁越, 等. 基于無線傳感器網絡的分布式光伏并網發電系統監控網絡構建[J]. 電力自動化設備, 2014, 34(8): 36-41.

[8]Fateh B, Govindarasu M, Ajjarapu V. Wireless network design for transmission line monitoring in smart grid[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2013, 4(2): 1076-1086.

2015-12-11

張先勇(1977—)，男，副研究員，主要從事太陽能發電及微電網技術方面的研究。308190732@qq.com