基于網絡的光伏電站監控系統探究

黃海波

（江西晶科電力設計有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

太陽能發電具有可持續、環保、清潔及經濟等特點，發展前景非常大。但是光伏發電也存在一定缺點，如控制困難、顯示采集數據分散、電站占地的面積過大等。因此，本文利用成熟技術，使用Modbus-RTU與Modbus-TCP協議通信，把多個太陽能發電站的電壓、電流信號顯示于中心控制屏，可顯示出實時的波形和數據，中心控制能夠實時讀取數據，并且根據數據能夠便于中心控制室進行控制。

1 系統監控設計的總體方案

系統監控主要由現場控制采集數據終端、網絡無線傳輸、管理電站主機3部分組成。控制采集數據終端的任務為：檢測電站環境的參數和電參數以及控制電站開關量。網絡無線傳輸主要是利用無線的網絡向中心控制室傳輸數據。管理電站的主機主要是進行數據的處理與分析，并實時將電站功率、電流、電壓等參數和電站運行狀態顯示在中心控制室，從而實現電站營運狀況的可視，方便運維工作人員了解電站工作狀況，利用網絡遠程對電站實施控制，從而確保太陽能電站正常、可靠的運營[1]。系統監控總體的方案如圖1所示。

圖1 電站系統監控總體框架

光伏發電站網絡系統監控預期功能如下：

（1）監控的功能：實時采集電站環境的參數與電參數并上傳主機；根據電站運行的情況與中心調度需求，確定出發電量；利用控制輸出的開關量達到控制光伏發電的退投以及離并網控制。

（2）網絡無線通信的功能：利用網絡無線通信技術將采集的數據進行傳輸，為電站維護與生產提供數據的支撐。

（3）存儲的功能：能夠將采集現場的電流、電壓參數以及環境的光照度、溫度參數存儲于數據庫。電流、電壓變化參數繪制成曲線便于直觀顯示，方便維運人員快速了解電站工作狀態，提高電站工作的效率和管理的水平[2]。

2 光伏發電站系統監控的設計

2.1 系統監控中通信協議的設計

系統通信的協議主要有3層。其中下位機選擇的通信為Modbus-RTU 485，液晶屏和服務器的數據庫之間的通信選擇Modbus-TCP/IP，電站和中心調度室使用網絡104連接傳輸。系統監控的基本結構如圖2所示。

圖2 系統監控的基本結構

系統監控使用485多路對各設備進行檢測及數據采集，并將采集得到的數據傳輸到組態MCGS上進行實時顯示，同時將數據傳輸到主機，主機對傳輸Modbus通信的協議進行分析后，再按相關協議TCP/IP報文，隨后利用光端機轉變成光信號，通過光纜傳輸，最后由遠端的光端機將傳輸的光信號轉變成電信號，由服務器數據庫進行接收。服務器Web具有對數據庫進行訪問的權限，并可以將數據通過104進行報文，這樣方便中心調度室進行相應通信傳輸。

下位機使用485端口進行通信，它支持Modbus協議，其特點具有信息傳輸的速度較快、通信的可靠性較強等。液晶屏MCGS使用協議Modbus-RTU，支持常用的功能，本文使用Modbus協議第3條指令，如表1所示。

表1 Modbus協議

服務器和液晶屏的通信是依靠以太網與光纖進行傳輸，其通信的協議為Modbus-TCP/IP，其優點是組網比較靈活、信息傳輸的距離長以及可靠性較高等。因為本協議好用、簡單，在自動化控制上得到廣泛支持和采納，已經成為自動控制的標配。組態MCGS軟件能夠進行采集數據以及分析存儲，而且還能進行發送控制命令，實施遠程的控制[3]。

中心調度室和電站的通信是通過104進行信息通信。104規約廣泛用于控制和監視，能夠兼容遠程的設備實現互相信息傳送。其中104規約是在101規約基礎上與TCP/IP結合而成，其確立了控制域和信息控制APCI。控制域保證了報文不能丟失與信息能夠反復進行傳送、傳輸報文啟動、傳輸報文停止以及連接傳輸監視等控制的指令信息，替換了原串口的通信。它具有支持進行網絡傳輸、方便信息量的擴大、數據流量較大、實時性能較好及可靠性較高等優點。因此，當前它已成為遠程電力通信的主要使用協議。

中心調度和通信設備的通信使用服務器/客戶機模式，也就是控制站就是中心調度，等同于客戶端。傳輸所使用的協議為TCP/IP，其端口為2404。

2.2 上位機開發界面

上位機實際就是PC電腦，和下位機能夠實時通信、讀取相關數據，而且在上位機上能夠顯示實時的數據，利用用戶的界面傳送控制的命令或者為下位機進行參數的配置，具體包括變頻器的參數設定、停止逆變器操作及啟動逆變器操作等。其中，參數設定有電壓輸入過低閾值、電壓輸入過高閾值、電壓輸出過高閾值及電壓輸出過低閾值等。

遠程網絡監控通過Visual接收各種數據，并且利用MYSQL數據庫將這些數據進行存儲，其他的PC利用以太網和服務器進行連接，利用瀏覽器IE查詢數據，最終實現電站沒人看守或者負責人、維修人員等異地就能進行數據查看的目的。此外，設置了網站登錄權限，不同人員能夠根據自己的權限登錄查看、分析電站營運狀況，還能實施遠程的控制，如設置參數和設備的啟停等。這些控制的指令能夠及時存儲進數據庫，方便今后查閱。

在系統運行過程中會產生大量的數據。針對大量的數據堆積問題，系統設計了相應軟件進行數據的優化，對數據進行統計、分類以及相應處理等。對于不同數據要用不同的處理，可防止因為數據量過大導致電腦死機、運算速度過慢現象[4]。

監控的遠程計算機服務器Web包括管理系統、管理設備、分析報表及運行的監測等，其結構如圖3所示。

當逆變器產生故障時，液晶屏不僅會報警（顯示、發生、發光），而且服務器Web監控的軟件能夠使用E-mail和短信自動將故障通報給維修人員，通知的內容分為有什么故障、故障產生的時間以及故障現象的描述。短信的接收方與E-mail在管理設計中，能夠設置許多短信的號碼與E-mail的地址，這樣能夠提醒眾多相關人員及時知道出現故障，減少、避免事故的損失。報警系統設置了報警閥值，如果數據超出一點閾值，雖然系統不會報警，但是服務器Web會向短信或者E-mail發送出預警信號，工作人員會根據情況進行及時處理，避免出現故障，從而達到預維護和評估故障的目的。

圖3 Web功能圖

此外，服務器Web監控的軟件還具備管理系統的功能，包括管理用戶與管理系統日志，考慮存在數據的安全。

2.3 選擇軟件的數據庫

本系統使用數據庫MySQL。MySQL是開放的源代碼數據庫，具有價格低、性能好、版本的更新快以及適合各種平臺等優點。監控的數據存儲在數據庫MySQL里，考慮數據會隨時間不斷增多，存儲的數據會越來越多，導致服務器在進行數據處理、統計時會出現速度變慢的現象。因此，系統使用MCGS軟件進行定時統計，加快了數據的統計速度。這種方法在服務器的訪問上，速度明顯變快，如果從數據庫統計數據，將會造成Web訪問變慢，嚴重時會出現死機現象[5]。

客戶向服務器Web發送請求的信號時，服務器Web同時向服務器數據庫發送數據的請求，這時服務器數據庫會從子站進行數據的調取，隨后將數據進行返回。

3 MCGS的設計

MCGS是一款具有實用性較強、功能強大的工業控制組態的軟件，能夠和其他硬件結合，利用現場采集數據、處理數據，通過輸出報表、控制流程、處理報警及動畫進行顯示等各種形式，為用戶提供便捷的操控系統。MCGS具有操作靈活、控制簡單、運行狀態可視的界面，既實用性很強，又性能優秀。

本系統所使用的MCGS軟件在操作界面的設計里，調用了MCGS軟件中報警的窗口、報表、數據、圖形、控件模塊。系統監控能夠使用多級界面進行相互切換，系統界面主要有設置參數界面、報表界面、報警界面、監測數據界面、顯示運行界面以及用戶登錄界面等[6]。圖4為MCGS頁面顯示。

圖4 MCGS頁面顯示

圖4中運行的界面是系統監控主控界面，可顯示電站系統的結構和相關運行數據，并且能夠隨時進行控制界面切換，達到系統監控實時顯示設備的運行情況與報警功能[7]。

4 結 論

隨著中國光伏發電行業的蓬勃發展，電站系統監控的作用也越發重要。本文所設計的光伏發電站系統監控可靠性較高、實用性較好，具備良好人機互動功能和附加多元化功能。系統使用組態MCGS軟件繪制界面，使數據表顯示的更清晰、更直觀。系統使用Visual軟件作為服務器Web，從而實現了功能多元化，使得服務器Web訪問的速度加快。此外，系統還具備診斷故障、檢測故障以及報警等功能，能夠更好地幫助工作人員處理問題、解決問題，減少發生事故概率，進而保證光伏發電站正常運行。