光伏电站监控系统分析

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光伏电站监控系统分析

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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ＲＳ４８５总线、ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线、工业以太网、ＣＡＮ总线、Ｍｏｄｅｍ电话线。无线方式：ＺＩＧ＇ＢＥＥ、ＧＰＰ，，Ｓ、ＷＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＥＥＴＨ、ＩＲ，ＤＡ红外。文中对各种通讯方式的构成、特点及应用进行了简要阐述及对比。

关键词：光伏；监控。现场总线；无线通讯

０引言

随中国政府持续出台的支持光伏产业发展的政策，太阳能光伏发电项目不断增多¨１，截至２０１２年底，我国累计建设容量７．９７ＧＷ，其中大型光伏电站４．１９ＧＷ，分布式光伏系统３．７８ＧＷ【２】。国家能源局发布的《太阳能发电发展“十二五”规划》称，到２０１５年底，太阳能发电装机容量达到２１ＧＷ以上，年发电量达到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ＲＳ４８５总线、ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线、ＣＡＮ总线、Ｍｏｄｅｍ电话线、工业以太网。无线方式主要包括：ＺＩＧＢＥＥ、ＧＰＲＳ、ＷＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＥＥＴＨ、ＩＲＤＡ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３部分，如图１所示。

数据俘储处理

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数据传输

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图１一种基于工业以太网技术的光伏监控系统

１．１．１本地数据采集

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）、

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ＳＯＬＡＲＥＮＥＲＧＹ０８『２０１４

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弩哆以智能技术奏响光伏发电新乐章

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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ＲＳ４８５总

线，ＭＯＤＢＵＳ协议作为总线协议。１．１．２数据传输

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，中心节点与分节点之间直接进行数据交互；若某节点线缆出现故障，将导致数据无法传输；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，线材的成本会大幅降低。

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数据采集器

数据采集器

图２星型拓扑结构和环网拓扑结构

１．１＿３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／Ｓ（Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ）客户机／服务器模式（如组态王、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，

ＳＯＬＡＲＥＮＥＲＧＹ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买。

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１０ｋｍ（速率低于５ｋｂｐｓ），速率可达１Ｍｂｐｓ（通信距离小于４０ｍ）。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，对实时陛、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总线构建系统口ｌ，如图３所示。

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总线

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图３一种基于ＣＡＮ总线技术的光伏监控系统【３１

该系统由上位机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ＲＳ２３２相连接，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

０８／２０１４

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控制充电的ＰＷＭ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占空比命令，未充满电时，由管理模块每ｌＳ（或秒级）发送一次；当接近充满电时，每１０ｍｓ（或毫秒级）调整一个充电模块的充电ＰＷＭ占空比一１。

１．３

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太网相比。

ＥＮＥＲＧＹ

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瞪】。但不能与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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

工业以太网基于ＴＣＰ／ＩＰ协议，为标准开放网

ＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＣＡＮ、工业以太网的比较ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线速度较快、组态配置灵活、

络，兼容性和互操作眭好，资源共享能力强，数据

传输距离远，传输速率高，易与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ互联，成本低，易组网，与计算机、服务器的接口十分方便，

可实现总线供电，可适应不同应用对象和通讯速率要求，开放性好。接通或断开时不会影响其他站点工作，因此维修性好。ＰＲＯＦＩＢＵＳ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一Ｊ。

ＣＡＮ总线数据通信具有突出的可靠性、实

表１

技术支持广泛。但以太网实时｜生相对较差，存在安

全可靠性问题。超时重发机制，使单点故障可造成整个网络瘫痪。抗干扰能力不强，无法实现总线供电。表１为ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线、ＣＡＮ现场总线及工业以太网网络协议规范的比较［６－７］。

ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线传输速率快，开放性好，能

ＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＣＡＮ及工业以太网网络协议规范的比较‘８

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传输介质物理层

编码传输距离总线供电传输速度

屏蔽双绞线／光纤／舣线电缆同步ＮＲＺ／曼彻斯特编码

＜１２００ｍ

屏敞双绞线／同轴电缆／光纤／无线传输屏蔽双绞线／同轴电缆／光纤／无线电传输

异步ＮＲＺ

１０ｋｍ以Ｉ：

同步ＨＲＺ／曼彻斯特编码

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９．６ｋｂｐｓ～１２Ｍｂｐｓ

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５ｋｂｐｓ～ｌＭｂｐｓ

１０～１００Ｍ

终端设备工作６～２４个月，甚至更长；４）近距离，相邻节点间传输范围在１０

ｍ～３

ｋｍ，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６５０００个节点的网络；６）高安全，三级安全模式：无安全设定、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，９１５Ｍｎｚ（美国），８６８ＭＨｚ（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【９】。图４为一种基于ＺＩＧＢＥＥ技术的光伏监控系统。

该系统由分散于ＺＩＧＢＥＥ通讯区域的若干终端ＺＩＧＢＥＥ设备组建的网状通讯结构，每个

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登陆互联网；５）覆盖面广，ＧＰＲＳ信号已基本覆盖所有ＧＳＭ网络，包括很多偏远地区；６）组网方便、迅速、灵活，ＧＰＲＳ可通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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】。

中心节点通过ＧＰＲＳ网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ＡＰＮ（Ａｃｃｅｓｓ

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ＧＰＲＳ网络。该方式实时性、安全性和稳定性较高，但成本高；适合于

安全性、实时陛要求高，数据点多的应用环境。

２）采用ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ

ＤｉｇｉｔａｌＳｕｂｓｃｒｉｂｅｒ

Ｌｉｎｅ）等Ｉｎｔｅｒｎｅｔ公网连接，公网动态ＩＰ＋ＤＮＳ解析服务。该方式稳定性受制于ＤＮＳ服务器的稳定，费用低，适合小规模光伏电站应用。

３）控制中心采用ＡＤＳＬ等Ｉｎｔｅｒｎｅｔ公网连接，采用公网固定ＩＰ服务。先向Ｉｎｔｅｍｅｔ运营商申请ＡＤＳＬ等宽带业务，中心有公网固定ＩＰ，ＩＰＭＯＤＥＭ直接向中心发起连接。该方式费用较低，运行可靠稳定。

２．３基于ｗＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ、ＩＲＤＡ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，几乎所有智能手机、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９５ｍ，因此一个家

庭或一栋大楼内部的监控通讯方式均可用ＷｌＦＩ

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

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图６基干ＷＩＦＩ的无线监控

０８／２０１４

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以智能技术奏响光伏发电新乐章

的客户端软件以便接收设备的通讯数据。

ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ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，可以无线连接手机、便携式计算机等多种设备，传输距离一般为Ｏ．１～１０

ｍ，

增大功率最大可达１００ｎｌ。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、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ通讯产品，已有较多成功应用案例。

ＩＲＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ

Ｄａｔａ

Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）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…】。因其体积小、功耗低、连接方便、简单易用、安全性高（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

ＺｌＣ４韭Ｅ、ＧＰＲＳ、ＷＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ、ＩＲＤＡ比较表２对ＺＩＧＢＥＥ、ＧＰＲＳ、ＷＩＨ、ＢＬＵＥＩＯＯＩＨ、

ＩＲＤＡ几种无线通讯方式方法的特点做了对比。

表２

ＺＩＧＢＥＥ、ＧＰＲＳ、ＷＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ、ＩＲＤＡ的比较

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功耗极低

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极高

较低

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速率／ｂｐｓ２５０ｋ１Ｍ５４Ｍ１１４ｋ

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传输距离／ｍ

７５１０９５不限，

节点容量

６５０００

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不限

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低同

较高

协议

简单复杂复杂

复杂简单

３实例

３．１宁夏中卫２０ＭＷ。光伏并网电站监控系统

该工程位于宁夏中卫，装机容量２０ＭＷ。，采用分块发电、集中并网，将电站分成４个５Ｍｗ并网发电系统，４个发电分系统输出３５ｋＷ。电压，经汇流接人３５ｋＶ配电室送至电网。每１ＭＷ。建１座逆变器室，数据采集器及对应的环网交换机位于逆变室内，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

ＳＯＬＡＲＥＮＥＲＧＹ专题报道Ｅ蛋圃

ＳＯＬＡＲ

ＥＮＥＲＧＹ

构，２０台数据采集器接人对应环网交换机，经光纤环网将数据上传至监控中心上位机。３．２基于ＺＩＧＢＥＥ的光伏路灯照明监控系统‘１２１

环网交换机２ｌ卜———————～

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环网交换机Ｉ

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环网交换机２

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图７２０ＭＷ电站光伏监控系统

该系统由光伏发电系统、无线通信系统和监控计算机３部分组成，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。监控计算机在与光伏发电系统相隔２００ｍ外另一建筑中，中间间隔一个水池，布线成本高且施工复杂，因

此，采用基于ＺＩＧＢＥＥ的无线通讯方式对太阳能系统的充放电及路灯进行监测及控制。系统框图如图８所示。

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图８ＺＩＧＢＥＥ光伏路灯照明监控系统

（转第３８贝）

０８／２０１４

益率远超过财务基准收益率（项目资本金税后指标）８％；项目盈利能力较强，能承受较宽泛建设投资及发电量变化水平。Ⅱ类地区项目资本金内部收益率基本满足财务基准收益率（项目资本金税后指标）８％的要求，具备投资价值，但需要严格控制建设投资，充分考虑限电风险。Ⅲ类地区收益水平较低，满足不了基准收益率的要求。

纳地区投资新建地面光伏电站；ＩＩＩ类地区尚不具备开发价值，在此类地区投资地面光伏电站，投资者应争取地方政府电价补贴或固定资产投资补贴，或选择有已建接人管理站地区建设光伏电站。

参考文献

［１］芮光雨，王彤，蒋滇生，等．项目决策分析与评价［Ｍ］．北京：中

国计划出版社，２叭ｌ：１８５一１８６．

［２】杨庆蔚，王晓涛，罗国三，等．建设项目经济评价方法与参数

３结论

在现行政策及造价水平下，Ｉ类、ＩＩ类地区具有较好的投资开发价值，投资者应选择太阳能资源好、接入方便、地价低、所发电量周边能消

（接第２ｌ页）

【Ｍ】．北京：中国计划出版社，２００６，６—１０．

［３】任官堂，胡成．提高光伏电站发电水平的研究与实践［Ｊ］．太

阳能，２０１２，２ｌ：２１—２５．

【４】潘捷，任浩翰，戴成鸿，等．上海崇明前卫太阳能光伏电站的运行实践和成果【Ａ】，第八届长三角能源论坛文集［Ｃ１．２０１２，ｌ：

１３８—１３９．衄

监控计算机与ＺＩＧＢＥＥ中心节点（网络协调器）之间通过ＲＳ４８５相连接，负责光伏数据采集和系统管理，光伏充电机及各路灯作为ＺＩＧＢＥＥ终端节点，与本ＺＩＧＢＥＥ节点通过ＲＳ４８５或ＲＳ２３２相连接，监控计算机通过中心节点发送命令给终点节点，实现对充电机电源开关的切换和对各路灯节点状态的传输及开关控制，来实现路灯的单独、分段或景观效果控制碑】。在实际应用时，由于ＺＩＧＢＥＥ低功耗的特点，节点间通信距离一般为７０ｍ，需选用带有ＰＡ（ＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）功率放大的ＺＩＧＢＥＥ模块，或采用增加路由器节点来扩大覆盖范围。

网络特点等可采用ＺＩＧＢＥＥ、ＺＩＧＢＥＥ＋ＧＰＲＳ、ＷＩＦＩ或ＢＬＵＥＴＥＥＴＨ等方式。有线及无线两种方式各列举了１个工程应用实例。

参考文献

［１】国家能源局．太阳能发电发展“十二五”规划［ＥＢ／ＯＬ］．

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｃｃｈｉｎａ．ｇｏｖ．ｃｎ／ＷｅｂＳｉｔｅ／ＣＣＣｈｉｎａ／ＵｐＦｉｌｅｉＦｉｌｅｌ２９３．ｐｄｆ．

【２］国际能源战略智库峰会．能源：光伏［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．

ｃｈｉｎａｌｍｓ．ｃｏｍ．

【３】刘新德，卢晓东，冯仁剑．基于ＣＡＮ总线的模块化独立光

伏发电控制系统［Ｊ］．低压电器，２０１２，（７）：２３—２６．

［４］谢昊飞，李勇，王平，等．网络控制技术［Ｍ］．北京：机械工

业出版社，２００９．

圈阳贤惠．观场总线技术及应用嗍．北京：清华大学出版社，１９９９．

［６］吴爱国，梁瑾，金文．工业以太网的发展现状［Ｊ］．信息与控

制，２００３，（５）：４５９—４６１．

［７］熊育悦，赵哲身．工业以太网在自动控制系统控制的应用

４结语

本文论述了目前具有实际工程意义的几种光伏监控系统，包括工业以太网、ＣＡＮ总线、ＺＩＧＢＥＥ、ＧＰＲＳ、ＷＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＥＥＴＨ等。对于兆瓦级及以上的大型光伏电站，具有集中大面积分布特点，一般采用ＲＳ４８５转工业以太网的形式，将底层设备的运行数据上传至电站监控中心；对于带有储能装置的光伏系统，由于高实时性及后期扩展要求，适用于ＣＡＮ总线通讯；对于分布式光伏系统，根据各工程实际情况及当时

前景【Ｊ】自动化仪表，２００２，（９）：１—５．

［８】姜勇刚，冯震．ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线、ＣＡＮ总线及工业以太网的应用探讨［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｎｐ：／／ｗｅｎｋｕ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ／ｌｉｎｋ？ｕｒｌ＝ＬＧＴＢ０９ｕ

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【９】张辉．基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的太阳能电站监控系统［Ｄ］．安徽：

安徽理工大学，２０１１．

『ｉ０］王成福，唐晓强．基于ＧＰＲＳ的路灯监控系统的设计与实现Ⅲ．监控与监测，２００８，２９（１９０）：１８—２１．

［１１］蒋伟民，毕红军．五种主流近距离无线技术比较［Ｊ】．科技

创新导报，２００６，（２）：２．

［１２】田裕康，马双宝．基于ＺＩＧＢＥＥ的光伏照明控制系统设计

［Ｊ】．单片机与嵌入式系统应用，２０１０，（７）：５２—５５．衄

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光伏电站监控系统分析

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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ＲＳ４８５总线、ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线、工业以太网、ＣＡＮ总线、Ｍｏｄｅｍ电话线。无线方式：ＺＩＧ＇ＢＥＥ、ＧＰＰ，，Ｓ、ＷＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＥＥＴＨ、ＩＲ，ＤＡ红外。文中对各种通讯方式的构成、特点及应用进行了简要阐述及对比。

关键词：光伏；监控。现场总线；无线通讯

０引言

随中国政府持续出台的支持光伏产业发展的政策，太阳能光伏发电项目不断增多¨１，截至２０１２年底，我国累计建设容量７．９７ＧＷ，其中大型光伏电站４．１９ＧＷ，分布式光伏系统３．７８ＧＷ【２】。国家能源局发布的《太阳能发电发展“十二五”规划》称，到２０１５年底，太阳能发电装机容量达到２１ＧＷ以上，年发电量达到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ＲＳ４８５总线、ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线、ＣＡＮ总线、Ｍｏｄｅｍ电话线、工业以太网。无线方式主要包括：ＺＩＧＢＥＥ、ＧＰＲＳ、ＷＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＥＥＴＨ、ＩＲＤＡ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３部分，如图１所示。

数据俘储处理

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数据传输

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图１一种基于工业以太网技术的光伏监控系统

１．１．１本地数据采集

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）、

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据）。物理层广泛采用造价低廉的工业ＲＳ４８５总

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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，中心节点与分节点之间直接进行数据交互；若某节点线缆出现故障，将导致数据无法传输；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，线材的成本会大幅降低。

Ｉ乜站监控中一Ｃ

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数据采集器

数据采集器

图２星型拓扑结构和环网拓扑结构

１．１＿３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／Ｓ（Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ）客户机／服务器模式（如组态王、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，

ＳＯＬＡＲＥＮＥＲＧＹ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买。

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１０ｋｍ（速率低于５ｋｂｐｓ），速率可达１Ｍｂｐｓ（通信距离小于４０ｍ）。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，对实时陛、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总线构建系统口ｌ，如图３所示。

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总线

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图３一种基于ＣＡＮ总线技术的光伏监控系统【３１

该系统由上位机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ＲＳ２３２相连接，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

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控制充电的ＰＷＭ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占空比命令，未充满电时，由管理模块每ｌＳ（或秒级）发送一次；当接近充满电时，每１０ｍｓ（或毫秒级）调整一个充电模块的充电ＰＷＭ占空比一１。

１．３

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太网相比。

ＥＮＥＲＧＹ

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瞪】。但不能与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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

工业以太网基于ＴＣＰ／ＩＰ协议，为标准开放网

ＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＣＡＮ、工业以太网的比较ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线速度较快、组态配置灵活、

络，兼容性和互操作眭好，资源共享能力强，数据

传输距离远，传输速率高，易与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ互联，成本低，易组网，与计算机、服务器的接口十分方便，

可实现总线供电，可适应不同应用对象和通讯速率要求，开放性好。接通或断开时不会影响其他站点工作，因此维修性好。ＰＲＯＦＩＢＵＳ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一Ｊ。

ＣＡＮ总线数据通信具有突出的可靠性、实

表１

技术支持广泛。但以太网实时｜生相对较差，存在安

全可靠性问题。超时重发机制，使单点故障可造成整个网络瘫痪。抗干扰能力不强，无法实现总线供电。表１为ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线、ＣＡＮ现场总线及工业以太网网络协议规范的比较［６－７］。

ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线传输速率快，开放性好，能

ＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＣＡＮ及工业以太网网络协议规范的比较‘８

＿＿＿＿＿叠！，ｌ懿国４Ｒ！■一■０删■ｌＨ■Ｒ■呈【慢勇曩嘲日

传输介质物理层

编码传输距离总线供电传输速度

屏蔽双绞线／光纤／舣线电缆同步ＮＲＺ／曼彻斯特编码

＜１２００ｍ

屏敞双绞线／同轴电缆／光纤／无线传输屏蔽双绞线／同轴电缆／光纤／无线电传输

异步ＮＲＺ

１０ｋｍ以Ｉ：

同步ＨＲＺ／曼彻斯特编码

２００

ｋｉｎ以ｌ：无

｛ｆ

９．６ｋｂｐｓ～１２Ｍｂｐｓ

有

５ｋｂｐｓ～ｌＭｂｐｓ

１０～１００Ｍ

终端设备工作６～２４个月，甚至更长；４）近距离，相邻节点间传输范围在１０

ｍ～３

ｋｍ，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６５０００个节点的网络；６）高安全，三级安全模式：无安全设定、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，９１５Ｍｎｚ（美国），８６８ＭＨｚ（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【９】。图４为一种基于ＺＩＧＢＥＥ技术的光伏监控系统。

该系统由分散于ＺＩＧＢＥＥ通讯区域的若干终端ＺＩＧＢＥＥ设备组建的网状通讯结构，每个

ＳＯＬＡＲ

ＥＮＥＲＧＹ０８／２０１４

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弋。以智能技术奏响光伏发电新乐章

登陆互联网；５）覆盖面广，ＧＰＲＳ信号已基本覆盖所有ＧＳＭ网络，包括很多偏远地区；６）组网方便、迅速、灵活，ＧＰＲＳ可通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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】。

中心节点通过ＧＰＲＳ网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ＡＰＮ（Ａｃｃｅｓｓ

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ＧＰＲＳ网络。该方式实时性、安全性和稳定性较高，但成本高；适合于

安全性、实时陛要求高，数据点多的应用环境。

２）采用ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ

ＤｉｇｉｔａｌＳｕｂｓｃｒｉｂｅｒ

Ｌｉｎｅ）等Ｉｎｔｅｒｎｅｔ公网连接，公网动态ＩＰ＋ＤＮＳ解析服务。该方式稳定性受制于ＤＮＳ服务器的稳定，费用低，适合小规模光伏电站应用。

３）控制中心采用ＡＤＳＬ等Ｉｎｔｅｒｎｅｔ公网连接，采用公网固定ＩＰ服务。先向Ｉｎｔｅｍｅｔ运营商申请ＡＤＳＬ等宽带业务，中心有公网固定ＩＰ，ＩＰＭＯＤＥＭ直接向中心发起连接。该方式费用较低，运行可靠稳定。

２．３基于ｗＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ、ＩＲＤＡ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，几乎所有智能手机、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９５ｍ，因此一个家

庭或一栋大楼内部的监控通讯方式均可用ＷｌＦＩ

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

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图６基干ＷＩＦＩ的无线监控

０８／２０１４

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以智能技术奏响光伏发电新乐章

的客户端软件以便接收设备的通讯数据。

ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ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，可以无线连接手机、便携式计算机等多种设备，传输距离一般为Ｏ．１～１０

ｍ，

增大功率最大可达１００ｎｌ。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、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ通讯产品，已有较多成功应用案例。

ＩＲＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ

Ｄａｔａ

Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）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…】。因其体积小、功耗低、连接方便、简单易用、安全性高（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

ＺｌＣ４韭Ｅ、ＧＰＲＳ、ＷＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ、ＩＲＤＡ比较表２对ＺＩＧＢＥＥ、ＧＰＲＳ、ＷＩＨ、ＢＬＵＥＩＯＯＩＨ、

ＩＲＤＡ几种无线通讯方式方法的特点做了对比。

表２

ＺＩＧＢＥＥ、ＧＰＲＳ、ＷＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ、ＩＲＤＡ的比较

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功耗极低

局

极高

较低

低

速率／ｂｐｓ２５０ｋ１Ｍ５４Ｍ１１４ｋ

４Ｍ

传输距离／ｍ

７５１０９５不限，

节点容量

６５０００

８

２５４

不限

ｌ

安全同

凼

低同

较高

协议

简单复杂复杂

复杂简单

３实例

３．１宁夏中卫２０ＭＷ。光伏并网电站监控系统

该工程位于宁夏中卫，装机容量２０ＭＷ。，采用分块发电、集中并网，将电站分成４个５Ｍｗ并网发电系统，４个发电分系统输出３５ｋＷ。电压，经汇流接人３５ｋＶ配电室送至电网。每１ＭＷ。建１座逆变器室，数据采集器及对应的环网交换机位于逆变室内，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

ＳＯＬＡＲＥＮＥＲＧＹ专题报道Ｅ蛋圃

ＳＯＬＡＲ

ＥＮＥＲＧＹ

构，２０台数据采集器接人对应环网交换机，经光纤环网将数据上传至监控中心上位机。３．２基于ＺＩＧＢＥＥ的光伏路灯照明监控系统‘１２１

环网交换机２ｌ卜———————～

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环网交换机２

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图７２０ＭＷ电站光伏监控系统

该系统由光伏发电系统、无线通信系统和监控计算机３部分组成，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。监控计算机在与光伏发电系统相隔２００ｍ外另一建筑中，中间间隔一个水池，布线成本高且施工复杂，因

此，采用基于ＺＩＧＢＥＥ的无线通讯方式对太阳能系统的充放电及路灯进行监测及控制。系统框图如图８所示。

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图８ＺＩＧＢＥＥ光伏路灯照明监控系统

（转第３８贝）

０８／２０１４

益率远超过财务基准收益率（项目资本金税后指标）８％；项目盈利能力较强，能承受较宽泛建设投资及发电量变化水平。Ⅱ类地区项目资本金内部收益率基本满足财务基准收益率（项目资本金税后指标）８％的要求，具备投资价值，但需要严格控制建设投资，充分考虑限电风险。Ⅲ类地区收益水平较低，满足不了基准收益率的要求。

纳地区投资新建地面光伏电站；ＩＩＩ类地区尚不具备开发价值，在此类地区投资地面光伏电站，投资者应争取地方政府电价补贴或固定资产投资补贴，或选择有已建接人管理站地区建设光伏电站。

参考文献

［１］芮光雨，王彤，蒋滇生，等．项目决策分析与评价［Ｍ］．北京：中

国计划出版社，２叭ｌ：１８５一１８６．

［２】杨庆蔚，王晓涛，罗国三，等．建设项目经济评价方法与参数

３结论

在现行政策及造价水平下，Ｉ类、ＩＩ类地区具有较好的投资开发价值，投资者应选择太阳能资源好、接入方便、地价低、所发电量周边能消

（接第２ｌ页）

【Ｍ】．北京：中国计划出版社，２００６，６—１０．

［３】任官堂，胡成．提高光伏电站发电水平的研究与实践［Ｊ］．太

阳能，２０１２，２ｌ：２１—２５．

【４】潘捷，任浩翰，戴成鸿，等．上海崇明前卫太阳能光伏电站的运行实践和成果【Ａ】，第八届长三角能源论坛文集［Ｃ１．２０１２，ｌ：

１３８—１３９．衄

监控计算机与ＺＩＧＢＥＥ中心节点（网络协调器）之间通过ＲＳ４８５相连接，负责光伏数据采集和系统管理，光伏充电机及各路灯作为ＺＩＧＢＥＥ终端节点，与本ＺＩＧＢＥＥ节点通过ＲＳ４８５或ＲＳ２３２相连接，监控计算机通过中心节点发送命令给终点节点，实现对充电机电源开关的切换和对各路灯节点状态的传输及开关控制，来实现路灯的单独、分段或景观效果控制碑】。在实际应用时，由于ＺＩＧＢＥＥ低功耗的特点，节点间通信距离一般为７０ｍ，需选用带有ＰＡ（ＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）功率放大的ＺＩＧＢＥＥ模块，或采用增加路由器节点来扩大覆盖范围。

网络特点等可采用ＺＩＧＢＥＥ、ＺＩＧＢＥＥ＋ＧＰＲＳ、ＷＩＦＩ或ＢＬＵＥＴＥＥＴＨ等方式。有线及无线两种方式各列举了１个工程应用实例。

参考文献

［１】国家能源局．太阳能发电发展“十二五”规划［ＥＢ／ＯＬ］．

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｃｃｈｉｎａ．ｇｏｖ．ｃｎ／ＷｅｂＳｉｔｅ／ＣＣＣｈｉｎａ／ＵｐＦｉｌｅｉＦｉｌｅｌ２９３．ｐｄｆ．

【２］国际能源战略智库峰会．能源：光伏［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．

ｃｈｉｎａｌｍｓ．ｃｏｍ．

【３】刘新德，卢晓东，冯仁剑．基于ＣＡＮ总线的模块化独立光

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［４］谢昊飞，李勇，王平，等．网络控制技术［Ｍ］．北京：机械工

业出版社，２００９．

圈阳贤惠．观场总线技术及应用嗍．北京：清华大学出版社，１９９９．

［６］吴爱国，梁瑾，金文．工业以太网的发展现状［Ｊ］．信息与控

制，２００３，（５）：４５９—４６１．

［７］熊育悦，赵哲身．工业以太网在自动控制系统控制的应用

４结语

本文论述了目前具有实际工程意义的几种光伏监控系统，包括工业以太网、ＣＡＮ总线、ＺＩＧＢＥＥ、ＧＰＲＳ、ＷＩＦＩ、ＢＬＵＥＴＥＥＴＨ等。对于兆瓦级及以上的大型光伏电站，具有集中大面积分布特点，一般采用ＲＳ４８５转工业以太网的形式，将底层设备的运行数据上传至电站监控中心；对于带有储能装置的光伏系统，由于高实时性及后期扩展要求，适用于ＣＡＮ总线通讯；对于分布式光伏系统，根据各工程实际情况及当时

前景【Ｊ】自动化仪表，２００２，（９）：１—５．

［８】姜勇刚，冯震．ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线、ＣＡＮ总线及工业以太网的应用探讨［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｎｐ：／／ｗｅｎｋｕ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ／ｌｉｎｋ？ｕｒｌ＝ＬＧＴＢ０９ｕ

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【９】张辉．基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的太阳能电站监控系统［Ｄ］．安徽：

安徽理工大学，２０１１．

『ｉ０］王成福，唐晓强．基于ＧＰＲＳ的路灯监控系统的设计与实现Ⅲ．监控与监测，２００８，２９（１９０）：１８—２１．

［１１］蒋伟民，毕红军．五种主流近距离无线技术比较［Ｊ】．科技

创新导报，２００６，（２）：２．

［１２】田裕康，马双宝．基于ＺＩＧＢＥＥ的光伏照明控制系统设计

［Ｊ】．单片机与嵌入式系统应用，２０１０，（７）：５２—５５．衄

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