高寒地區(qū)獨(dú)立光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

袁興建 周國民

（西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

西藏地廣人稀，造成電網(wǎng)輸電成本過高，電力供應(yīng)穩(wěn)定性得不到保證，如何保證偏遠(yuǎn)地區(qū)群眾的生產(chǎn)生活用電，西藏豐富的太陽能資源使得獨(dú)立光伏電站成為偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村電力保障的必然選擇。但獨(dú)立光伏電站存在建設(shè)過于分散，所在地區(qū)電站運(yùn)維人員極少，電站檢測(cè)設(shè)備極少等問題。電站出現(xiàn)故障需要維修，只能依靠電站運(yùn)維人員先到電站查明原因，然后，返回購買故障部件，再到電站進(jìn)行維修，部分故障需要往返好幾次，才能完成維修，造成運(yùn)維成本過高，供電的穩(wěn)定性得不到保證。構(gòu)建獨(dú)立光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過電站運(yùn)行數(shù)據(jù)建立實(shí)時(shí)分析控制系統(tǒng)，使電站運(yùn)維人員實(shí)時(shí)掌握電站情況，電站運(yùn)行數(shù)據(jù)不斷收集為電站升級(jí)改造提供數(shù)據(jù)支撐。文章基于北斗衛(wèi)星通信研制一套適應(yīng)高寒地區(qū)氣候特性獨(dú)立光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，獲取光伏電站所在地的太陽總輻射量、環(huán)境溫度，光伏電站直流匯流箱、蓄電池、逆變器等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)［1］，并通過運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，對(duì)電站實(shí)施實(shí)時(shí)控制，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫，便于查詢，為高寒地區(qū)光伏電站升級(jí)改造提供數(shù)據(jù)支持。文章試點(diǎn)電站為那曲地區(qū)嘉黎縣林堤鄉(xiāng)獨(dú)立光伏電站，電站容量15kW，僅對(duì)當(dāng)?shù)夭糠謫挝还╇娛褂?，同時(shí)電站建成時(shí)間較早，不具備在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。

1 技術(shù)原理和組成

北斗指揮機(jī)接收電站通過北斗用戶終端傳回來的數(shù)據(jù)包，根據(jù)特定的協(xié)議進(jìn)行解包，還原成可用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫。同時(shí)通過專業(yè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，并將電站運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在數(shù)據(jù)中心的顯示屏上，及時(shí)將故障信息通過郵件或短信通知電站運(yùn)維人員。

1.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)獨(dú)立光伏電站的組成，采集光伏電站的直流匯流箱、蓄電池、逆變器等設(shè)備的電性能參數(shù)和電站所在地的環(huán)境溫度、太陽總輻射等環(huán)境參數(shù)，其原理如圖1所示：

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)采集端原理圖

監(jiān)控系統(tǒng)采集端通過電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器和總輻射表等傳感器采集光伏電站的光伏陣列參量、蓄電池參量、逆變器參量及電站環(huán)境參量，將這些參量傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀按照ModBus協(xié)議［2］，并通過RS485將數(shù)據(jù)傳給控制器。文章所選電站在海拔4700米的高寒地區(qū)，必須考慮到高寒地區(qū)大氣壓低引起的設(shè)備散熱慢，絕緣強(qiáng)度降低；紫外線強(qiáng)和天氣變化無常引起戶外設(shè)備易老化，環(huán)境溫度過低等問題。在設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)采集端時(shí)，均要求設(shè)備滿足電站所在地區(qū)氣候特性要求，提高傳感及設(shè)備的散熱、絕緣、抗老化及抗低溫性能［3］。

1.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸原理圖

數(shù)據(jù)傳輸原理是傳感器直接將電信號(hào)傳入數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀將信號(hào)按照ModBus協(xié)議傳給控制器，連接使用RS485串口；控制器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包和解析，按照ModBus協(xié)議封裝為符合北斗專用協(xié)議［4］的數(shù)據(jù)包，通過RS485發(fā)送到北斗終端；北斗終端將控制機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包通過北斗衛(wèi)星發(fā)送到監(jiān)控中心的北斗指揮機(jī)，通信協(xié)議為北斗專用協(xié)議；北斗指揮機(jī)使用北斗專用協(xié)議將數(shù)據(jù)通過專用接頭和RS485串口傳給接收機(jī)，由接收機(jī)負(fù)責(zé)解包為原有的ModBus協(xié)議，再次解析并輸入數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。

1.3 后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理原理如圖3所示

圖3 后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)原理是數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和集中儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫用于電站運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并完成自動(dòng)報(bào)警功能。集中儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫用于數(shù)據(jù)查詢分析和為電站的研究提供支持；通過Web服務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)端、移動(dòng)端查詢和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析；通過推送服務(wù)提供短信、郵件等方式的故障信息推送服務(wù)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)基本功能

2.1 電站實(shí)時(shí)顯示功能

電站運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控中心（如表1），以便實(shí)時(shí)了解電站實(shí)時(shí)狀況，同時(shí)根據(jù)設(shè)定閥值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示表

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析整理功能

根據(jù)電站運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算電站發(fā)電量和用電量（如圖4），計(jì)算電站各部分效率；分析電站運(yùn)行數(shù)據(jù)，掌握電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)排除隱患。

圖4 2017年5月8日電站日發(fā)電量和用電量

根據(jù)發(fā)電和用電曲線計(jì)算，該光伏電站日發(fā)電量23kWh，日用電量34kWh。

3 結(jié)語

西藏偏遠(yuǎn)地區(qū)存在網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)信號(hào)微弱、信號(hào)穩(wěn)定性差等問題，選擇技術(shù)成熟、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性好的北斗衛(wèi)星通信技術(shù)，為西藏獨(dú)立光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供技術(shù)支持，實(shí)時(shí)傳輸電站各項(xiàng)參數(shù)、監(jiān)控電站運(yùn)行情況，及時(shí)了解故障產(chǎn)生原因并做出處置。監(jiān)控系統(tǒng)的搭建將為偏遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立光伏電站的監(jiān)控管理，提供一種數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠、低成本的監(jiān)控方案。同時(shí)將西藏光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，組成光伏電站數(shù)據(jù)云，為西藏光伏產(chǎn)業(yè)的高速健康發(fā)展提供有力支撐。