光伏电站监控系统方案分析

1、光伏电站监控系统分析摘要：综合论述了目前国内具有实际工程意义的大型光伏电站及分布式光伏系 统的几种监控系统方案。光伏监控系统采用的通讯手段主要包括：有线方式：工业RS48总线、PROFIBUS总线、工业以太网、CAN总线、Modern 线；无线方 式：ZIGBEE GPRS WIFI、BLUETEETHIRDA红外。文中对各种通讯方式的构成、 特点及应用作了简要阐述及比照。引言太阳能光伏发电工程随中国政府持续出台的支持光伏产业开展的政策不断 增多，截至2022年底，我国累计建设容量7.97 GW其中大型光伏电站4.19 GV， 分布式光伏系统3.78 GW 2。国家能源局发布的?太阳能发电开展

2、“十二五规 划?称，到2022年底，太阳能发电装机容量到达 2100万kW即21 GW以上， 年发电量到达250亿kWh随着大型光伏电站及分布式光伏系统的建设和投运， 业主及电网公司对设备的实时监控提出了更高的要求。光伏监控系统需实现的功能有：1汇流箱、逆变器、电池板、蓄电池组及 其控制器带储能功能的光伏系统、环境温度等底层设备实时数据及状态的采 集；2底层设备故障报警；3重要数据的历史存储；4远方及本地对电站设 备的必要操控。即集遥测、遥控、遥信、遥调功能为一体，且需具备高可靠性， 全年不间断工作。目前具有实际工程意义的监控系统从物理实现方式上可分为有 线及无线两种。有线方式主要包括：工业

3、RS485S线、PROFIBU现场总线、CAN 总线、Modem 线、工业以太网；无线方式主要包括：ZIGBEE GPRS WIFI、BLUETEETHIRDA红外。需根据实际工程要求及各种通讯方式的特点选择适合的 监控方案。1基于现场总线的光伏监控系统1.1兆瓦级及以上并网光伏电站监控系统兆瓦级及以上光伏电站占地面积广、 设备数量及种类庞大、建设集中。目前 最为广泛采用的是有线监控方式。整体架构包括：本地数据采集、数据传输、数 据存储与处理三局部，如图1所示。促Uh曲 痕皿込：Mt IRS NW® 旷fit和N+ 却漳抄M"城曲：壹 钳穩斗游pg期 昨;请十心也I仙本地数

4、据采集通过数据采集器与底层设备相连接，采集设备的实时数据，如汇流箱电流、 逆变器功率和发电量、环境监测仪温度和风向、安防装置视频数据、保护装置高 压开关状态、直流接地状态、计量装置电量/电压/电能质量等计量仪器数据。 物理层广泛采用造价低廉的工业 RS48总线，MODBUS、议作为总线协议。本地数据采集器与监控中心通讯网络间相距较远，一般为几千米至几十千 米，采用工业以太网TCP/IP，光纤连接。基于TCP/IP的以太网是标准开放式 网络，光纤组网可采用星形拓扑结构或环网拓扑结构。星形拓扑结构属于集中控制型网络，整个网络由中心节点执行集中式通讯控 制管理，各分节点均直接与中心节点连接，中心节点

5、与分节点之间直接进行数据 交互；假设某节点线缆出现故障，数据无法传输；总布线距离长。如图2所示，环网拓扑结构可利用它的自愈性能，将线路切换至备用线路上，从而保证信号的 实时畅通，实现高可靠性、多备份和信号迅速恢复的要求。 且环网的线缆利用率 高，线材的本钱会大大降低。数据存储与处理通过电站监控中心的上位机监控软件对数据进行存储及处理。上位机监控软件目前有两种实现方式：1基于VC C+ VB或DELHI等高级语言作为管理软 件开发平台开发的上位机软件，开发难度高、工作量庞大、开发周期长、开发完 成无需后续资金投入；2组态软件，基于 C/SClient/Server 客户机/效劳 器模式如组态王、

6、三维力控或基于 B/S结构Browser/Server浏览器/服 务器模式如研华科技的组态软件，支持多种通讯协议，无需底层程序开发， 只需进行画面、通讯点设置等二次开发后可直接使用，开发周期短、难度低、可 靠性高，但需按每个工程通讯点的数量收费购置。由于兆瓦级及以上并网光伏电站需由当地电网公司进行统一调度，因此，监控中心上位机还需按电网公司电力规约要求如电力102、103、104规约等，将电站数据上传，并下发电网公司操作指令。“金太阳示范工程需将数据上传至 金太阳中心和住建部。1.2带有储能装置的光伏监控系统CAN总线采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据，废除了站地址编码，代之以对通信

7、数据进行编码，使不同节点同时接收相同的数据， 使数据通 信的实时性增强，易构成冗余结构，提高了系统的可靠性和灵活性。通信距离最 远可达10 km速率低于5 kbps，速率可达1 Mbps通信距离小于40 m。带有 大容量储能装置的光伏系统，由于充电电流大，充电过程中充电控制器投入/切出充电频繁，对蓄电池冲击较大，易损坏蓄电池。因此，在对实时性、可靠性和 扩展灵活性均有较高要求的光伏储能系统，更适合用CAN总线构建系统，如图 3所示。RS-233 叫普理托卜1 -CAN总线构建系统CAN亥系统由上位机PC管理模块、n个充电模块组成。管理模块集显示、输入、数据存储、采样、通信为一体，与 PC机通过

8、RS232I连接，操作人员可通过 PC 机的上位机操作界面输入命令对系统进行操作。充电模块作为终端设备，包括电压及充电电流的采样单元，以及产生控制充电的PWI波形。充电模块根据管理模 块的指令产生PWM波形，并将自身的充电状态通过 CAN总线上报管理模块。其中 由管理模块下发给充电模块的调整 PWM&空比命令，在未到达充满电时，由管理 模块每1 s或秒级发送一次；当接近充满电时，每 10 ms或毫秒级调整一 个充电模块的充电PWM占空比5。1.3 PROFIBUS CAN工业以太网的比拟PROFIBU总线速度较快、组态配置灵活、可实现总线供电，可适应不同应用 对象和通讯速率要求，开放性

9、好。接通或断开时不会影响其他站点工作，因此维 修性好。PROFIBU现场总线由于在网络增删节点时需重构逻辑环，参数不易设 定，在对于光伏电站或分布式光伏系统这种后期随时可能扩展容量的应用上受到 限制。CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。多主方式工作，节 点分成不同优先级，报文采用短帧结构出错率低，节点在错误严重情况下可自动 关闭。但不能与In ternet互联，不能实现远程信息的共享，不易与上位机直 接接口，通信距离与传输速率无法与工业以太网相比5。工业以太网基于TCP/IP协议，为标准开放网络，兼容性和互操作性好，资源 共享能力强，数据传输距离远，传输速率高，易与In ter

10、net互联，本钱低，易组网，与电脑、效劳器的接口十分方便，技术支持广泛。但以太网实时性相对较 差，存在平安可靠性问题。超时重发机制，使单点故障可以造成整个网络瘫痪。抗干扰能力不强，无法实现总线供电。表 1为ROFIBUS®场总线、CAN!场总线 及工业以太网网络协议标准的比拟 。I衰1 PTtOnBUSx CAN及工业以太网网络协议标准的比較卩】类型PROFIBUS现场总线CAN现场囂袋工业.网物理层传输介质屛蔽双绞线 光纤双线电缆屏蔽双绞线 同轴电缆 光纤无线传输屛蔽双绞线 同轴电缆 光纤无线电传输編码同步XRZ曼彻斯特编码异步NRZ同步HRZ長翔斯牛翔码<1200 m102

11、00kiu£Lt供电肓无传输诬度1 M莎PROFIBUS总线传输速率快，开放性好，能适应不同应用对象，其基于工业以 太网通信的解决方案一一Profinet实现了办公室自动化和工业自动化的连接。 CAN总线通信网络连接简单，实时性与准确性高，开发相对简单，增删节点灵活， 但与工业以太网互联需通过特定网关。工业以太网应用于信息需求量大、对实时 性要求不高的上层企业管理网络和中间的过程监控网络。2基于无线通讯技术的光伏监控系统2.1基于ZIGBEE无线通讯技术的监控系统ZIGBEE技术有以下特点：1无线化，专为工业领域开发的无线通讯技术；2本钱低，ZIGBEE协议免收专利费，通讯不收取任何

12、费用；3低功耗，2节5号干电池可支持1个ZIGBEE终端设备工作624个月，甚至更长；4近距离，相 邻节点间传输范围在10m3km,增加发射功率和基站，距离可无限扩展；5高容量支持星型、树型、网型网络等多种网络拓扑结构，1个主节点可支持254个子 节点，最多组成65 000个节点的网络；6高平安，三级平安模式：无平安设定、 使用访问控制清单及采用高级加密标准的对称密码；7免执照频段，工业科学医疗ISM频段，915 MHz美国，868 MHz欧洲，2.4 GHz全球；8设备配置操作简单、易懂、集成化程度高、技术成熟、安装方便90 于ZIGBEE技术的光伏监控系统。图4为一种基申SdU:Zigbe

13、e该系统由分散于ZIGBEE通讯区域的假设干终端ZIGBEE设备组建的网状通讯 结构，每个终端设备通过 RS48总线连接1台光伏逆变器及汇流箱，ZIGBEE中心 节点位于监控站，收集 ZIGBEE通讯区域内所有终端设备采集的数据，并通过 RS485或 RS23与监控站内上位机进行数据交互。2.2基于GPRSC线通讯技术的监控系统当监控中心与中心节点距离较远时，终端数据通过 ZIGBEE无线网传输到中 心节点后，可再通过 GPRGe neral Packet Radio Service 网络传输到监控 中心，如图5所示。GPRS1移动通信技术和数据通信技术二者的结合体，具有如下几个特点：1永久在

14、线，无需为每次数据的访问建立呼叫连接；2按流量计费，按数据流量而非时间计费；3高速传输，10倍于GSM可达171.2 kbps，可稳定传送大容 量音频与视频文件；4接入时间短，13 s即可激活，登陆互联网；5覆盖 面广，GPRS言号已根本覆盖所有GSM网络，包括很多偏远地区；6组网方便、 迅速、灵活，GPR刖通过In ternet网络随时随地构建覆盖全中国的虚拟移动数 据通信专用网络10。ZIGBEE中心节点通过GPR删络将数据传送到监控中心，中心网络有 3种网络接 入方式：1采用APNAccess Point Name专线，所有终端都采用内网固定IP，客 户中心通过一条APN专线接入移动公司

15、GPR删络。该方式实时性、平安性和稳 定性较高，但本钱高，适合于平安性、实时性要求高，数据点多的应用环境。2采用 ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line 等 In ternet 公网 连接，公网动态IP+DNS解析效劳。该方式稳定性受制于 DNS!艮务器的稳定，费 用低，适合小规模光伏电站应用。3控制中心采用ADSL等 In ternet公网连接，采用公网固定IP效劳。先向 In ternet运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP，IP MODEMS接向 中心发起连接。该方式费用较低，运行可靠稳定。2.3基于 WIFI、BLUETOOTHIRD

16、A等无线通讯技术的监控系统WiFi已经成为当今使用最广的一种无线网络传输技术，几乎所有智能、平板电脑和笔记本电脑都支持 WiFi上网，只需使用无线路由器供相应设备接收 即可，且无需流量费用，非常容易实现。WiFi接收半径约95 m,因此一个家庭或一栋大楼内部的监控通讯方式均可用 WiFi实现，只要在无线信号范围内，可 随时随地查看设备运行情况。另外，需在监控设备上安装相应的客户端软件以便 接收设备的通讯数据。辿空器WiFiiPadiPhoneArWiFiBluetooth无线技术是在两个设备间进行无线短距离通信最简单、最便捷的 方法。它广泛应用于世界各地，可以无线连接、便携式电脑等多种设备，传

17、输距离一般为0.110 m增大功率最大可达100 m家用小型光伏系统可应用蓝 牙通讯方式。目前，国外许多小型光伏逆变器均有配套的WIFI、BLUETOOTB讯产品，已有较多成功应用案例。IRDA Infrared丨红外技术采用红外波段内的近红外线，波长短，对障碍物 衍射能力差，更适合短距离无线点对点的应用11。因其体积小、功耗低、连接方 便、简单易用、平安性高发射角度小得到广泛应用。可作为光伏设备与监控 站之间可视短距离的无线通讯方式，如厂区内的光伏实验站等。2.4 ZIGBEE、GPRS WIFI、BLUETOOTHRDA比拟表2对ZIGBEE GPRS WIFI、BLUETOOTHRDA几

18、种无线通讯方式的特点做了 比照。表2 ZIGBEE. GPRS、UTFh BLUETOOTH、IRDA的比ZIGBEE 蓝牙 WEF1 GPRS 红外至届中诋蛊较高册 同甲§功耗低(bps)250 k1M54 XI114k-1X1高751095不限5节直65 000S254不隈1高中高较高协议简单复杂宾杂复杂简单3实例3.1宁夏中卫20 MW光伏并网电站监控系统该工程位于宁夏中卫，装机容量20 MW,采用分块发电、集中并网，将电站 分成4个5 MW并网发电系统，4个发电分系统输出35 kWP电压，经汇流接入35 kV 配电室送至电网。每1 M沁1座逆变器室，数据采集器及对应的环网交换

19、机位于 逆变室内，每台数据采集器采集2台逆变器、1台直流柜、16个汇流箱数据，采用 光纤环网结构，20台数据采集器接入对应环网交换机，经光纤环网将数据上传至 监控中心上位机。毘艮：礼集赵I血沱粗1空溢H TT L 幻IH基于ZIGBEEF光伏路灯照明监控系统12该系统由光伏发电系统、无线通信系统和监控电脑 3局部组成，其中光伏发 电系统由图书馆顶部的太阳电池板、 蓄电池组和光伏充电机构成。太阳电池板为 系统输入电源，白天将光能转换为电能，经光伏充电机对蓄电池组充电，夜晚经 光伏充电机切换输出到路灯负载。监控电脑在与光伏发电系统相隔200 m外另一建筑中，中间隔了一个水池，布线本钱高且施工复杂，因此，采用基于ZIGB