邸亮 王帥

【摘要】 本文在分析了現(xiàn)有光伏電站監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于4G LTE的光伏發(fā)電無線監(jiān)管系統(tǒng)，現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息通過CPE設(shè)備傳送至4G基站，再由基站通過電力專網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)警等功能，是一種高效率、高質(zhì)量的通信方式。

【關(guān)鍵詞】 光伏電站 4G CPE 無線監(jiān)控

引言

研究表明，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，足以供全球人類一年能量的消費(fèi)。我國76%的國土光照充沛，由其在內(nèi)蒙、甘肅、青海、西藏、新疆、四川等地的部分地區(qū)，電能稀缺，但太陽光年平均福照度大，若是將這些太陽能有效利用起來，那么這些地區(qū)用電就可自給自足，還可將多余電量輸送至其他地區(qū)，實(shí)現(xiàn)電能的自由調(diào)度。但這些偏遠(yuǎn)地區(qū)的工作環(huán)境比較惡劣，不適合派技術(shù)人員或者工作人員長期職守，所以太陽能光伏電站大部分要在無人職守的狀態(tài)下進(jìn)行；另外，同一地區(qū)光伏電站的站點(diǎn)分布不均勻，也迫切需要集中監(jiān)控和管理，所以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能光伏發(fā)電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有十分重要的意義[1]。

一、光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

目前，具有實(shí)際工程意義的光伏監(jiān)控系統(tǒng)采用的通訊手段包括有線方式和無線方式。

有線監(jiān)控方式主要包括：工業(yè)RS485總線、PROFIBUS現(xiàn)場總線、CAN總線等來實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與監(jiān)控上位機(jī)之間的通訊，優(yōu)點(diǎn)是可靠性和通訊實(shí)時(shí)性高，缺點(diǎn)是實(shí)施成本高；Modern電話線傳輸速率較慢、傳輸距離有限；工業(yè)以太網(wǎng)相對(duì)前兩種方法，適用范圍更廣、距離更長，但安裝成本較大。無線方式主要包括：ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH、IRDA 紅外[2]。它主要借助微波站或人造衛(wèi)星的中繼傳輸技術(shù)，如利用移動(dòng)通訊基站上專用的通訊信號(hào)頻段進(jìn)行傳輸。隨著3G技術(shù)的不斷成熟，無線遠(yuǎn)程監(jiān)控還可實(shí)現(xiàn)聲頻和視頻數(shù)據(jù)的傳輸，但其運(yùn)營成本較高且信號(hào)不穩(wěn)定。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，4G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，4G LTE通信技術(shù)最明顯的優(yōu)勢在于通話質(zhì)量和數(shù)據(jù)通信速度。如果說3G能為人們提供一個(gè)高速傳輸?shù)臒o線通信環(huán)境的話，那么4G LTE通信會(huì)是一種超高速無線網(wǎng)絡(luò)，一種不需要電纜的信息超級(jí)高速公路，這種新網(wǎng)絡(luò)可使用戶以無線及三維空間虛擬實(shí)境連線，因此我們選取4G LTE通信技術(shù)來解決光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控的通信難題，它的高實(shí)時(shí)性、方便快捷以及較快的傳輸速率，有效地滿足出現(xiàn)突發(fā)性、群體性和災(zāi)難性事件時(shí)的應(yīng)急指揮調(diào)度需要，使得它的應(yīng)用具有實(shí)際意義。

二、監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，本監(jiān)控系統(tǒng)整體方案為：在光伏電站關(guān)鍵位置設(shè)置數(shù)據(jù)采集器以及IP高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，以進(jìn)行圖像采集，同時(shí)將采集的傳感數(shù)字信號(hào)通過室外LTE無線路由設(shè)備CPE（Customer Premises Equipment）上傳到4G基站，再由基站傳回監(jiān)控指揮中心?；臼侵悄芄夥娬緦拵到y(tǒng)的接入設(shè)備，通過無線接口與終端通信，通過S1接口與核心交換設(shè)備通信?；九c監(jiān)控中心通訊網(wǎng)絡(luò)間相距較遠(yuǎn)，一般為幾千米至幾十千米，采用工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP），光纖連接。

對(duì)于電站的監(jiān)控點(diǎn)，4G無線網(wǎng)絡(luò)的中心設(shè)置在電站的至高點(diǎn)，各監(jiān)控點(diǎn)分別通過室外CPE和基站實(shí)現(xiàn)連接，前端攝像機(jī)通過RJ45 10/100M自適應(yīng)網(wǎng)口與前端無線CPE連接，然后再通過天線與后端4G基站連接，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行模梢酝ㄟ^PC機(jī)或大屏進(jìn)行集中監(jiān)控；對(duì)于非攝像頭監(jiān)控區(qū)域，監(jiān)控中心可以安排人員通過手持終端的方式進(jìn)行圖像采集；大規(guī)模覆蓋可以通過微波進(jìn)行4G基站之間的互連，實(shí)現(xiàn)大范圍的監(jiān)控。

2.1 4G與CPE

2.1.1 4G LTE技術(shù)

簡介：4G LTE（Fourth-generation Long Term Evolution）即是3G主導(dǎo)的通用移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)的長期演進(jìn)，是時(shí)分雙工（TD-LTE）和頻分雙工（FDD-LTE）的統(tǒng)稱，4G LTE一般特指TD-LTE。

優(yōu)勢：

1、速度快：4G通信系統(tǒng)傳輸速度可達(dá)10～20Mbps，甚至100Mbps，相當(dāng)于09年最新手機(jī)傳輸速度的1萬倍。這一顯著性優(yōu)勢可支持光伏電站監(jiān)控中的雙向視頻傳輸功能，為電站的長期穩(wěn)定運(yùn)營提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2、頻譜寬：要想使4G通信速度更高，就應(yīng)在3G的蜂窩系統(tǒng)基礎(chǔ)上拓寬帶寬。預(yù)計(jì)每個(gè)4G信道會(huì)占有100MHz的頻譜，這相當(dāng)于W-CDMA 3G網(wǎng)路的20倍。

3、通信靈活：未來4G通信不僅可以隨時(shí)隨地通信，更可以雙向下載傳遞資料、圖畫、影像，更可網(wǎng)上定位，據(jù)此，光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)中的對(duì)巡檢人員以及故障的位置的實(shí)時(shí)跟蹤功能，可完美實(shí)現(xiàn)。

4、兼容性能更平滑：未來4G通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備全球漫游、接口開放、與多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端多樣化以及能從第二代平穩(wěn)過渡等特點(diǎn)，可使應(yīng)用更便捷，能隨意增加移動(dòng)終端，完善電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5、高質(zhì)量通信：4G通信更多的是應(yīng)多媒體的傳輸需求，提升通信質(zhì)量。即必須可以容納市場龐大的用戶量、改善現(xiàn)有通信品質(zhì)不良的狀況，以及達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

6、頻率使用效率更高：由于利用了幾項(xiàng)不同的技術(shù)，無線頻率的使用更加有效。這種有效性可讓更多人使用與以前相同數(shù)量的無線頻譜做更多事，且速度較快。據(jù)相關(guān)人員介紹，下載速率有望達(dá)到5～10Mbps，這對(duì)于光伏電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控是一個(gè)最有價(jià)值的技術(shù)支持。

7、費(fèi)用更便宜：由于4G通信引入較多尖端通信技術(shù)，使得系統(tǒng)操作方式靈活性較高，所以更加容易部署。同時(shí)通信營運(yùn)商會(huì)考慮在3G基礎(chǔ)上采用逐步引入的方法，以降低運(yùn)行者和用戶的費(fèi)用[3]。因此在考慮經(jīng)濟(jì)因素的條件下，4G技術(shù)同樣滿足我們光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。

綜上所述，目前4G LTE無論在技術(shù)上還是運(yùn)營成本上都要比其他布網(wǎng)方式有優(yōu)勢，同樣的成本卻能獲得更快的通信速度、更高的通訊質(zhì)量和更準(zhǔn)確的定位，那么相比于其他方面的劣勢，我們秉持寬容，并在發(fā)展中不斷改進(jìn)。

2.1.2無線CPE

無線CPE是一種接收WIFI信號(hào)的新型的無線終端接入設(shè)備，可接收無線路由器、無線AP、無線基站等的無線信號(hào)。同時(shí)，它也是一種將高速4G信號(hào)轉(zhuǎn)換成WIFI信號(hào)的設(shè)備，距無線覆蓋基站的距離可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)WIFI客戶端的4倍。終端數(shù)量較多，可大量應(yīng)用于生產(chǎn)生活區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)接入，能節(jié)省鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用。

但在實(shí)際應(yīng)用中，難以找到視距無遮擋的環(huán)境，通過無線傳播模型的測算和經(jīng)驗(yàn)表明，采用CPE的客戶端與基站的傳輸距離可以達(dá)到1～5Km[4]。因此，在多個(gè)位置放置CPE設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)WIFI對(duì)光伏電站全覆蓋，這對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)提供了有效途徑。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖2所示，系統(tǒng)由平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層和終端層組成，終端層主要負(fù)責(zé)信息的采集和編碼，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸，平臺(tái)層負(fù)責(zé)控制、調(diào)度、顯示設(shè)備組成，整個(gè)平臺(tái)完成了信息的采集、編碼、傳輸、顯示和控制功能。

網(wǎng)絡(luò)層是光伏電站前端設(shè)備與后端平臺(tái)的橋梁。網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)了前端設(shè)備與后端平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。大大提高了光伏電站的自動(dòng)化程度，提高了電站的安全等級(jí)，降低了人員開支等運(yùn)營成本。

三、系統(tǒng)功能

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池組、逆變器和監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，監(jiān)控系統(tǒng)軟件又由上位機(jī)程序和下位機(jī)程序組成，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)光伏系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。本系統(tǒng)所具有的功能如下：

1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由無線傳感器來采集，如匯流箱電流、逆變器功率和發(fā)電量、環(huán)境監(jiān)測儀溫度和風(fēng)向、安防裝置視頻數(shù)據(jù)、光伏陣列位置角度、高壓開關(guān)狀態(tài)、直流接地狀態(tài)、計(jì)量裝置（電量/電壓/電能質(zhì)量等計(jì)量儀器數(shù)據(jù)）[5]等，并上傳至由磁盤陣列組成的數(shù)據(jù)庫，用于專家對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的改善及升級(jí)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱時(shí)，可將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地緩存，待網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較強(qiáng)時(shí)再上傳。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主機(jī)內(nèi)存中，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于磁盤陣列。

磁盤陣列作為獨(dú)立系統(tǒng)在主機(jī)外直連或通過網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)相連。它為數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器工作。

2）視頻監(jiān)控：分為定點(diǎn)視頻監(jiān)控和動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)控，定點(diǎn)視頻監(jiān)控通過安裝固定攝像頭，實(shí)時(shí)調(diào)取各監(jiān)控區(qū)域作業(yè)情況；動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)控通過4G手持終端、實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域動(dòng)態(tài)的視頻回傳。

3）故障報(bào)警：可以實(shí)時(shí)顯示底層設(shè)備報(bào)警及故障信息數(shù)據(jù)，具有聲光報(bào)警功能，由監(jiān)控中心人員發(fā)現(xiàn)報(bào)警并通過相應(yīng)措施消除報(bào)警，如安排檢修人員現(xiàn)場排除故障。系統(tǒng)具備任意時(shí)段的歷史報(bào)警的篩選查詢功能；針對(duì)電站運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)信息設(shè)置閥值預(yù)警機(jī)制，并通過預(yù)警監(jiān)視畫面實(shí)時(shí)展示預(yù)警信息，提前預(yù)知設(shè)備的使用情況、合理安排檢修計(jì)劃，最大程度的減少經(jīng)濟(jì)損失。

4）視頻、語音通話：監(jiān)控中心與調(diào)度系統(tǒng)之間或各終端之間可實(shí)現(xiàn)語音、視頻通話，這是4G網(wǎng)絡(luò)最鮮明的特征。系統(tǒng)可以隨時(shí)向巡檢人員發(fā)送文字、圖片、視頻等信息，進(jìn)行雙向的高清720p音視頻通信，起到通知、指令下達(dá)、行動(dòng)指引等作用；巡檢人員具有GPS定位功能，其位置可以實(shí)時(shí)顯示在地圖上，指揮人員可以隨時(shí)看到他們的位置，可以實(shí)時(shí)確定其行進(jìn)路線，進(jìn)行實(shí)時(shí)指揮。

5）報(bào)表管理：采用自動(dòng)生成與手工填報(bào)結(jié)合方式，對(duì)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫信息對(duì)報(bào)表進(jìn)行自動(dòng)填報(bào)，對(duì)需用語言描述的進(jìn)行手工填報(bào)，最大限度保證填報(bào)數(shù)據(jù)的可靠性，且報(bào)表功能采用指標(biāo)填報(bào)方式，各個(gè)報(bào)表中指標(biāo)數(shù)據(jù)唯一、準(zhǔn)確。

6）系統(tǒng)管理：可對(duì)通訊調(diào)度管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的配置進(jìn)行維護(hù)域修改，添加、刪除、更改訪問權(quán)限等，以方便用戶的使用。

四、結(jié)論

本文總結(jié)了現(xiàn)有的光伏電站無線監(jiān)控技術(shù)，分析了各個(gè)技術(shù)的利弊以及應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上提出了基于4G LTE的網(wǎng)絡(luò)傳輸方案。整個(gè)光伏電站通過CPE設(shè)備，將基站的4G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成WIFI以對(duì)光伏電站進(jìn)行全覆蓋，監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的工作狀況，實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場狀況，較高的通話質(zhì)量和更快的通信速度，更加便于專家進(jìn)行決策并下發(fā)命令，保證在出現(xiàn)故障后的最短時(shí)間內(nèi)讓系統(tǒng)恢復(fù)工作，最大程度上減少經(jīng)濟(jì)損失，提升發(fā)電效率，解決更多地區(qū)的用電問題。此外，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的記錄功能，為電站評(píng)估和設(shè)備質(zhì)保問題提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)，可有效的利用歷史數(shù)據(jù)來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定期升級(jí)。4G的誕生，實(shí)現(xiàn)了光伏電站的智能化、規(guī)范化、科學(xué)化、信息化，為無線監(jiān)管系統(tǒng)開辟了一個(gè)新的篇章。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]S.V.Natarajan，S.C.Subramanian，S.Darb-ha and K.R.Rajagopal.A model of the relay valve used in an air brake system[J].Nonlnear Snalysis：Hybrid Systems.2007，12（5）：430-442.

[2]張巍，彭良平，杜毅，張黎，曾捷.光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)分析[J].太陽能.2014.8.

[3]4G LTE，搜狗百科.http：//baike.sogou.com/v69841168.htm.

[4]無線CPE，百度百科.http：//baike.baidu.com/subview/6094834/6173915.htm.

[5]張巍，彭良平，杜毅，張黎，曾捷. 光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)分析[J]. 太陽能，2014，08：17-21+38.