一種基于無線傳感網的分布式光伏電站監控系統設計

孟莉莉

【摘 要】對分布式光伏電站的監控與維護是光伏發電系統設計的核心內容之一。通過對關鍵技術的梳理分析，本文設計了一種基于無線傳感網絡的分布式光伏電站監控系統，該方案環境適應性強，成本低，工程量少，不僅實現了實時監控，還提升了系統的可維護性。

【關鍵詞】分布式光伏電站； 無線傳感網；監控系統

中圖分類號： TM615 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0080-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.033

【Abstract】Monitoring and maintenance of a distributed photovoltaic plant is one of the core elements of the photovoltaic systems. Through the analysis of key technologies， this paper designs a distributed photovoltaic station monitoring system based on wireless network. This solution is adaptable， low cost and low engineering， it not only realizes real-time monitoring， but also improves the maintainability of the photovoltaic system.

【Key words】Distributed photovoltaic plant； Wireless sensor network； Monitoring system

0 引言

當前，對新能源的開發利用已受到全球主要國家普遍重視。我國地域遼闊，據統計，全年日照時數超過2000小時，太陽總輻射量高于5000MJ/m2的地區超過國土總面積的一半以上，資源優勢得天獨厚。根據國家“十三五”規劃綱要要求，到2020年，我國非化石能源的消耗比例要達到15%以上。光伏電站作為非化石能源的重要組成部分，在我國發展迅猛，據國家能源局的統計顯示：截至2015年底，我國光伏發電累計裝機容量為4318萬千瓦，成為全球光伏發電裝機容量最大的國家[1]。

由于分布式光伏系統分布范圍較廣，有的光伏電站還在邊遠地區，人工監控和維護成本高、難度大，隨著分布式光伏電站大規模的建設和投入運行，光伏電站的信息監控系統顯得越來越重要[2]。為實現對分布式光伏發電系統進行統一的實時監測和維護，實時了解光伏電站的發電性能，為光伏電站的運維及數據分析提供便利條件，本文研究和設計了一種基于ZigBee無線傳感網的光伏監控系統，有效解決了分布式光伏電站監控難的問題。

1 系統總體功能設計

造成分布式光伏電站監控維護困難的原因主要是：一方面，光伏電站分布廣泛，受地形、季節、天氣等因素影響較大，從而導致的總發電量波動更加復雜，另一方面，隨著光伏電站的大規模推廣應用，需要監控的逆變器數量數十倍的增加，加大了有效監控各個終端的難度。為更好解決分布式光伏發電系統的監控與維護問題，采用基于ZigBee的無線傳感網絡對光伏發電監控系統進行了優化設計，分布式光伏電站監控系統將采集到的電氣參數和氣象數據，通過無線網絡上傳到網絡服務器，用戶可以通過Web端或手機移動App查看電站數據，實時了解運行狀態，保證光伏電站的安全穩定運行。采用分層設計的思想，將系統分為設備采集層、數據傳輸層、數據服務層和應用顯示層。系統的總體功能邏輯架構如圖1所示。

圖1中，設備采集層使用傳感器等設備實時采集光伏組串、逆變器等光伏設備的電壓、電流和功率等電氣參數以及日照強度、溫度、濕度和風速等環境參數。數據傳輸層應用ZigBee技術實現傳感器節點的自組網，并將采集數據發送至網關，完成采集數據的遠程無線傳輸。數據服務層在接收到電站監控數據后，根據業務規則和要求對數據進行處理，并將數據存儲至實時數據庫中，同時接收客戶端請求，完成數據查詢、修改以及設備參數修改等功能。應用顯示層包括Web端和移動端，用戶通過網頁或者App實現數據的實時顯示、分析和設備管理等操作。

2 系統關鍵技術研究

2.1 無線傳感網絡技術

圖1中的數據傳輸層由ZigBee無線網絡和GPRS網絡組成，Zigbee實現傳感器節點的自組網，將采集數據發送至網關，網關由ZigBee協調器和GRPS模塊組成，完成采集數據的遠程無線傳輸。需要強調的是數據傳輸層的ZigBee節點與ZigBee協調器通信，在硬件設計時要選用低功耗器件[3]，具有休眠模式，方便的進行工作模式和休眠模式的轉換，網關中的ZigBee協調器在收到ZigBee節點的數據后，通過GPRS模塊將數據發送至服務器，有效利用了移動網絡的便捷和高效。

2.1.1 Zigbee網關

ZigBee網關具有ZigBee協調器和GPRS信號收發功能，由ZigBee射頻模塊和GPRS模塊組成。硬件設計上，網關選用四信F8114Modem，該模塊是物聯網無線傳輸終端，利用ZigBee網絡和GPRS網絡提供無線數據遠程傳輸功能，支持多數據中心備份傳輸及多數據中心同步傳輸，可適用快速或較大規模的信息傳輸[4]。軟件設計上，ZigBee協調器負責啟動和維護網絡中的ZigBee節點，完成網絡組網。ZigBee節點直接或者通過router和協調器通信，協調器在收到采集數據后，通過GPRS模塊將數據發送到遠程服務端，同時，GPRS模塊在收到參數調整消息后，通過ZigBee協調器，向ZigBee節點發送參數調整命令，從而實現光伏設備參數調整的功能。