基于无线传感器网络的分布式光伏并网发电系统监控网络构建.pdf
孟莉莉
【摘 要】对分布式光伏电站的监控与维护是光伏发电系统设计的核心内容之一。通过对关键技术的梳理分析，本文设计了一种基于无线传感网络的分布式光伏电站监控系统，该方案环境适应性强，成本低，工程量少，不仅实现了实时监控，还提升了系统的可维护性。
【关键词】分布式光伏电站； 无线传感网；监控系统
中图分类号： TM615 文献标识码： A 文章编号： 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
当前，对新能源的开发利用已受到全球主要国家普遍重视。我国地域辽阔，据统计，全年日照时数超过2000小时，太阳总辐射量高于5000MJ/m2的地区超过国土总面积的一半以上，资源优势得天独厚。根据国家“十三五”规划纲要要求，到2020年，我国非化石能源的消耗比例要达到15%以上。光伏电站作为非化石能源的重要组成部分，在我国发展迅猛，据国家能源局的统计显示：截至2015年底，我国光伏发电累计装机容量为4318万千瓦，成为全球光伏发电装机容量最大的国家[1]。
由于分布式光伏系统分布范围较广，有的光伏电站还在边远地区，人工监控和维护成本高、难度大，随着分布式光伏电站大规模的建设和投入运行，光伏电站的信息监控系统显得越来越重要[2]。为实现对分布式光伏发电系统进行统一的实时监测和维护，实时了解光伏电站的发电性能，为光伏电站的运维及数据分析提供便利条件，本文研究和设计了一种基于ZigBee无线传感网的光伏监控系统，有效解决了分布式光伏电站监控难的问题。
1 系统总体功能设计
造成分布式光伏电站监控维护困难的原因主要是：一方面，光伏电站分布广泛，受地形、季节、天气等因素影响较大，从而导致的总发电量波动更加复杂，另一方面，随着光伏电站的大规模推广应用，需要监控的逆变器数量数十倍的增加，加大了有效监控各个终端的难度。为更好解决分布式光伏发电系统的监控与维护问题，采用基于ZigBee的无线传感网络对光伏发电监控系统进行了优化设计，分布式光伏电站监控系统将采集到的电气参数和气象数据，通过无线网络上传到网络服务器，用户可以通过Web端或手机移动App查看电站数据，实时了解运行状态，保证光伏电站的安全稳定运行。采用分层设计的思想，将系统分为设备采集层、数据传输层、数据服务层和应用显示层。系统的总体功能逻辑架构如图1所示。
图1中，设备采集层使用传感器等设备实时采集光伏组串、逆变器等光伏设备的电压、电流和功率等電气参数以及日照强度、温度、湿度和风速等环境参数。数据传输层应用ZigBee技术实现传感器节点的自组网，并将采集数据发送至网关，完成采集数据的远程无线传输。数据服务层在接收到电站监控数据后，根据业务规则和要求对数据进行处理，并将数据存储至实时数据库中，同时接收客户端请求，完成数据查询、修改以及设备参数修改等功能。应用显示层包括Web端和移动端，用户通过网页或者App实现数据的实时显示、分析和设备管理等操作。
2 系统关键技术研究
2.1 无线传感网络技术
图1中的数据传输层由ZigBee无线网络和GPRS网络组成，Zigbee实现传感器节点的自组网，将采集数据发送至网关，网关由ZigBee协调器和GRPS模块组成，完成采集数据的远程无线传输。需要强调的是数据传输层的ZigBee节点与ZigBee协调器通信，在硬件设计时要选用低功耗器件[3]，具有休眠模式，方便的进行工作模式和休眠模式的转换，网关中的ZigBee协调器在收到ZigBee节点的数据后，通过GPRS模块将数据发送至服务器，有效利用了移动网络的便捷和高效。
2.1.1 Zigbee网关
ZigBee网关具有ZigBee协调器和GPRS信号收发功能，由ZigBee射频模块和GPRS模块组成。硬件设计上，网关选用四信F8114Modem，该模块是物联网无线传输终端，利用ZigBee网络和GPRS网络提供无线数据远程传输功能，支持多数据中心备份传输及多数据中心同步传输，可适用快速或较大规模的信息传输[4]。软件设计上，ZigBee协调器负责启动和维护网络中的ZigBee节点，完成网络组网。ZigBee节点直接或者通过router和协调器通信，协调器在收到采集数据后，通过GPRS模块将数据发送到远程服务端，同时，GPRS模块在收到参数调整消息后，通过ZigBee协调器，向ZigBee节点发送参数调整命令，从而实现光伏设备参数调整的功能。
