國內(nèi)光伏電站監(jiān)控技術(shù)研究進(jìn)展綜述

上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司 ■ 馮相賽

國內(nèi)光伏電站監(jiān)控技術(shù)研究進(jìn)展綜述

上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司 ■ 馮相賽

綜述了我國光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了不同技術(shù)在光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)，并闡明了光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展趨勢，為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員在光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控方面的研究提供一定的借鑒和參考。

光伏電站；監(jiān)控；趨勢

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，全球環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，煤炭、石油、天然氣等化石能源在利用過程中所產(chǎn)生的“廢水、廢渣、廢氣”在給環(huán)境帶來一定破壞的同時(shí)，也在一定程度上造成全球氣候變暖、海平面的上升，嚴(yán)重影響著人類的日常行為活動(dòng)。面對日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，新能源的研究和利用迫在眉睫。太陽能作為一種可再生能源，因其取之不盡、用之不竭的特性而備受關(guān)注。雖然每年只有約百萬分之二的太陽輻射到達(dá)地球，但太陽每年給地球帶來的能量超過1×1018kWh，這些能量是全球所需能源的1000倍之多[1]，如何有效合理地利用太陽到達(dá)地球表面的能量是全球所面臨的問題。

我國地域面積遼闊，太陽能資源豐富，全國各地太陽能的年輻射量約為3340～8400 MJ/m2，年均輻射量為5852 MJ/m2，其中全年日照時(shí)數(shù)超過2000 h，太陽總輻射量高于5012 MJ/m2的地區(qū)超過國土總面積的一半以上[2-6]，具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢。

近年來，我國政府大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，中西部以地面光伏電站為主，東部地區(qū)以與建筑相結(jié)合的分布式光伏電站為主。據(jù)國家能源局的信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：截至2015年底，我國光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為4318萬kW，成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國家。根據(jù)國家“十三五”規(guī)劃綱要的要求，到2020年，我國非化石能源的消耗比例要達(dá)到15%以上，而光伏電站作為非化石能源的重要組成部分，勢必會得到大力發(fā)展。

光伏電站的運(yùn)營維護(hù)離不開遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，在大力發(fā)展光伏電站的同時(shí)，必須考慮光伏電站的信息監(jiān)控問題[7,8]，以便實(shí)時(shí)了解光伏電站的發(fā)電性能，為光伏電站的運(yùn)維及數(shù)據(jù)分析提供便利條件。

近年來，我國在光伏電站監(jiān)控方面的研究應(yīng)用取得了一定的進(jìn)展和成效，本文從光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用角度綜述了國內(nèi)光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展利用狀況，為光伏電站相關(guān)方面的研究及應(yīng)用人員提供一定的參考。

1 光伏遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)生活的需要，監(jiān)控系統(tǒng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在工業(yè)領(lǐng)域，監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用大幅提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了企業(yè)的資金投入，為企業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)分析提供了便利條件。

光伏電站的建設(shè)運(yùn)行同樣也離不開監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，這是因?yàn)楣夥娬疽话愣冀ㄔO(shè)在人員稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)，不便于進(jìn)行運(yùn)營維護(hù)，如果派人長期值守記錄光伏電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從人工投入、資金投入、基礎(chǔ)設(shè)施保障等方面來說都是難以實(shí)現(xiàn)的[2,3,9-13]；另一方面，光伏電站的使用者通過監(jiān)控系統(tǒng)才能全面掌握其運(yùn)行情況。監(jiān)控系統(tǒng)在光伏電站的研究與應(yīng)用能夠?yàn)楣夥娬镜谋O(jiān)控及后期運(yùn)營維護(hù)提供技術(shù)支持和服務(wù)保障[7,14]。

與常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)類似，光伏電站的監(jiān)控系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、下位機(jī)[15]。不同的光伏監(jiān)控系統(tǒng)由于其采用的軟、硬件系統(tǒng)的不同而不同；另外，需根據(jù)光伏電站是否有儲能要求的具體情況來決定是否需要對光伏電站增設(shè)與蓄電池相關(guān)的數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊。

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)原理

隨著監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的類型經(jīng)歷了從人工數(shù)據(jù)記錄、近距離的有線監(jiān)控、遠(yuǎn)程無線監(jiān)控，到基于互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。不同的監(jiān)控系統(tǒng)依據(jù)其用途及應(yīng)用場所的不同，包含的軟、硬件系統(tǒng)各不相同。但一般的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)工作原理簡圖如圖1所示，由單片機(jī)將光伏電站所采集的數(shù)據(jù)整合之后，通過電話線、移動(dòng)基站等不同的數(shù)據(jù)傳輸方式將光伏電站的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)，然后經(jīng)數(shù)據(jù)中心處理后，發(fā)送給有需求的用戶。

圖1 光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)工作原理簡圖

通常的光伏監(jiān)控系統(tǒng)有以下4種數(shù)據(jù)傳輸方式：通過Modem撥號的通信方式、基于Internet的TCP/IP協(xié)議的通信方式、基于ASP.NET和ADO.NET的通信方式，以及基于嵌入式Internet和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞絒2,4,6,9,16]。

1.2 硬件系統(tǒng)

光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究人員普遍將PC機(jī)作為上位機(jī)，而用作下位機(jī)的單片機(jī)有：W77E58單片機(jī)[2]、89C51單片機(jī)[3,17]、MSP430單片機(jī)[11]、80C31單片機(jī)[15]、89C52單片機(jī)[16]、Atmega8單片機(jī)[18]、TMS320系列單片機(jī)[19]、Atmega16單片機(jī)[20]等。通信方面，采用配置MAX3082、MAX3221[11]、MAX488/489[15]的RS485總線、CAN總線串行接口作為通信數(shù)據(jù)傳輸方式，之后通過Internet[2,9]、數(shù)傳電臺、電話線[11]等方式實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)電站數(shù)據(jù)監(jiān)控。在傳輸電路中采用光電隔離技術(shù)，以避免上位機(jī)與下位機(jī)及傳輸電路之間受其他信號的干擾[15,17]。一些監(jiān)測功能簡單的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)采用含有主控芯片的智能電表[18,21]作為光伏電站測控系統(tǒng)的芯片，通過單片機(jī)收集和匯總光伏電站系統(tǒng)的交直流信號將所采集信息發(fā)送至用戶端。

GPRS無線模塊同樣被廣泛應(yīng)用到光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)覆蓋有移動(dòng)信號的地區(qū)，適合中小型用戶便利接入[6,10,12,13,22-30]。在沒有網(wǎng)絡(luò)、沒有電話信號的地區(qū)，可以采用無線數(shù)傳模塊將光伏電站的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送至有電話網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)的地區(qū)。

隨著無線傳感技術(shù)的發(fā)展，Xbee[18]、Zigbee[31,32]等無線傳輸模塊也逐漸應(yīng)用到光伏電站的數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，無線傳輸技術(shù)將應(yīng)用到大規(guī)模光伏電站中的數(shù)據(jù)采集當(dāng)中。

除了以上光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所需的主要硬件設(shè)備之外，光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)輔助的硬件設(shè)

備還包括：電流電壓采樣設(shè)備、風(fēng)速采樣設(shè)備、環(huán)境溫度采樣設(shè)備，以及可選擇的蓄電池電壓、電流、溫度等物理量的采樣設(shè)備。風(fēng)速傳感器多采用穩(wěn)定性較好的三風(fēng)杯風(fēng)速傳感器[16]，溫度傳感器多采用紅外線傳感器[17]，電流電壓的采樣設(shè)備通常選用霍爾傳感器[32]。

1.3 軟件系統(tǒng)

光伏電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成，上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的查看、處理、分析等；下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)控制各傳感器的數(shù)據(jù)采集與傳輸。下位機(jī)的監(jiān)控軟件可以用單片機(jī)的匯編語言進(jìn)行相關(guān)模塊的編譯[2,17]，上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)常用Visual C++[3,10,13,28]、Visual Basic[5,15,24]、Visual Studio[16]等語言編程軟件。

Visual Basic和Visual C++中包含的MSComm模塊被開發(fā)人員廣泛采用[3,15]，該模塊的優(yōu)勢在于只需對MSComm的屬性和事件進(jìn)行設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)串行異步通信。MSComm模塊的應(yīng)用，可以避開復(fù)雜的API函數(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的通信命令接口，方便技術(shù)開發(fā)人員的快速使用。

除了常規(guī)的語言編譯軟件開發(fā)以外，還可以采用客戶端專用的開發(fā)工具Delphi6.0[9]，以及包含有DataSocket網(wǎng)絡(luò)軟件技術(shù)的LabVIEW[8,18]等軟件來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件的編譯。

隨著Web技術(shù)的發(fā)展，JSP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)[7]、C#程序的物聯(lián)網(wǎng)平臺[6,21]，以及利用建立在.NET Common Language Runtime 上的ASP. NET技術(shù)[33,34]也被一些相關(guān)的光伏監(jiān)控技術(shù)人員所采用。

通過以上開發(fā)工具所編寫的電站客戶端軟件可以方便地實(shí)現(xiàn)光伏電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、電站數(shù)據(jù)庫管理等功能，并可以根據(jù)客戶的實(shí)際需要調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔，同時(shí)能夠?qū)⒐夥娬镜碾娏?、電壓、功率、溫度、發(fā)電量等信息描繪成相應(yīng)的曲線。

2 存在問題

光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)從最初的人工抄表、通過電話線進(jìn)行一定距離的數(shù)據(jù)傳輸、通過軟件客戶端進(jìn)行光伏電站的數(shù)據(jù)監(jiān)控，再到現(xiàn)在常用的通過瀏覽器的方式進(jìn)行光伏電站的數(shù)據(jù)監(jiān)控，每一種監(jiān)控方式均存在其特有的優(yōu)缺點(diǎn)。

1)人工現(xiàn)場抄表：這種方式所獲得的數(shù)據(jù)不能夠及時(shí)有效地反饋給遠(yuǎn)距離的工程技術(shù)人員，且人工抄表所獲得的數(shù)據(jù)在抄表和傳遞數(shù)據(jù)時(shí)會產(chǎn)生一定的人為誤差，影響工程技術(shù)人員對光伏電站現(xiàn)場工作情況的判斷及相應(yīng)的處理。

2)采用電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：光伏電站信號與電話信號采用相同的傳輸線路，兩者的信號容易互相干擾，影響信號傳輸質(zhì)量；另一方面，雖然與人工抄表相比，采用電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞皆谝欢ǔ潭壬瞎?jié)省了人力物力，擴(kuò)展了電站數(shù)據(jù)的傳輸距離，但是這種方式不便于讓工程技術(shù)人員實(shí)時(shí)了解光伏電站的運(yùn)行狀況，且只適用于有電話線布置的區(qū)域。

3)通過移動(dòng)基站信號發(fā)送光伏電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)：可以獨(dú)立使用信號通道對電站數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，但是該傳輸模式需有穩(wěn)定的移動(dòng)信號支持，移動(dòng)信號的不穩(wěn)定可能造成光伏電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嗷蛉笔?，不能及時(shí)給電站工程技術(shù)人員反饋光伏電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，影響光伏電站的后期監(jiān)控及維護(hù)。

4)采用Internet基于瀏覽器的數(shù)據(jù)傳輸模式：該方式能夠讓工程技術(shù)人員通過互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地、更方便地實(shí)時(shí)了解光伏電站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，使光伏電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)所傳送的距離可擴(kuò)展到任何一個(gè)有互聯(lián)網(wǎng)的地方。但該方式的弊端與采用電話線及移動(dòng)信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞筋愃?，只能?yīng)用在有互聯(lián)網(wǎng)的地區(qū)。

5)采用Internet與通信衛(wèi)星相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方式：該方式可以最大范圍進(jìn)行光伏電站的數(shù)據(jù)采集與傳輸，但目前國內(nèi)通信衛(wèi)星尚沒有

大范圍對公眾進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)作，通信衛(wèi)星頻段的申請需要對應(yīng)的政策支持，這使國內(nèi)利用通信衛(wèi)星進(jìn)行電站數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及應(yīng)用尚處于起步階段。

3 未來發(fā)展趨勢

隨著移動(dòng)通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，光伏電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將朝更便捷、更智能化的方向發(fā)展。未來的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更多移動(dòng)終端的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使用戶更方便地掌握電站的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，具體可從以下幾個(gè)方面入手：

1)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件方面：從檢測設(shè)備的角度，研究可靠性更高的檢測設(shè)備，將檢測設(shè)備直接與光伏組件有效地結(jié)合在一起，使光伏電站的監(jiān)控更加便利，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控每個(gè)光伏組件的發(fā)電情況。

2)在數(shù)據(jù)傳輸方面：更精確、更長距離的無線傳輸技術(shù)將是另一個(gè)重要的發(fā)展方向，無線傳輸技術(shù)的發(fā)展能夠進(jìn)一步減少通信電纜的使用量，減少數(shù)據(jù)在有線傳輸過程中的能量消耗與信號衰減。

3)在軟件方面：常規(guī)的電站監(jiān)控系統(tǒng)與電站自修復(fù)系統(tǒng)相結(jié)合也是未來發(fā)展的方向之一，自修復(fù)系統(tǒng)的引入可以擴(kuò)展光伏電站的監(jiān)控功能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電站自我檢測與修復(fù)功能。

4 結(jié)論

本文通過對國內(nèi)光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用情況的總結(jié)，從光伏電站的監(jiān)控系統(tǒng)分類、監(jiān)控系統(tǒng)硬件、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、各種監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，以及光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行了闡述，對光伏電站相關(guān)的工程技術(shù)人員及光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究人員具有一定的參考意義。

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2016-06-29

馮相賽(1985—)，博士，主要從事光伏應(yīng)用技術(shù)研發(fā)。fengxiangsai@solarcell.net.cn