CN103197613B - 一种基于工业无线网络的光伏电站监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术，具体地说明了一种基于WIA工业无线网络的对光伏电站的运转进行实时监测和控制的通信系统。本发明包括上位机，布局于监控室中，为用户提供监控系统的人机交互界面，与通过以太网与无线网关连接，用于对光伏设备的监控；无线网关设备，完成与无线节点设备之间的数据和控制命令交换，为上位机提供查询和控制接口；无线节点设备，分散布局于每个被监控的太阳能电池组跟踪支架和光伏汇流箱处，采集太阳能电池组和光伏汇流箱的数据。本发明能完全取代现有的有线连接系统，完成对设备的数据采集，太阳能电池组的追日控制，电站的日常管理等功能。降低光伏电站的建设和维护成本，提高整体布局的灵活性，方便用户的管理。

Description

一种基于工业无线网络的光伏电站监控系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体地说明了一种基于WIA工业无线网络的对光伏电站的运转进行实时监测和控制的通信系统。

背景技术

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能，目前光伏电站的主要组成部分包括：太阳能电池组，汇流箱，逆变器，变压器等设备。该系统需要监测的主要数据有太阳能电池组的实时角度，汇流箱输入输出的直流电流电压值，逆变器的电流、电压、功率、发电量、开关量、告警量等参数。由于带有跟踪系统的太阳能电池组会比固定安装的太阳能电池组提高10％到30％的发电量，因此原有光伏电站的跟踪系统还需要使用PLC模块对太阳能电池组的角度进行控制。

对于这些需要采集和控制的数据，目前主要采用有线连接方式。无论使用RS485接口还是以太网，都需要针对每一个太阳能电池组、汇流箱、跟踪支架等设备进行有线连接，直至连接到控制室的上位机。由于光伏电站的场地面积较大，如果按照现有方式采取有线方式监控，则系统的布线复杂，还需要额外增加PLC等控制设备，且对PLC无法做到实时监控，设备的布局都将受到限制，不仅增加建设和维护的成本，且可扩展性较差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，降低光伏电站的建设和维护成本，提高整体布局的灵活性，方便用户的管理，本发明的目的在于为光伏电站提供一种基于WIA工业无线网络的监控系统，该系统能完全取代现有的有线连接系统，完成对设备的数据采集，太阳能电池组的追日控制，电站的日常管理等功能。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于工业无线网络的光伏电站监控系统，包括

上位机，布局于监控室中，为用户提供监控系统的人机交互界面，与通过以太网与无线网关连接，用于对光伏设备的监控；

无线网关设备，完成与无线节点设备之间的数据和控制命令交换，为上位机提供查询和控制接口；

无线节点设备，分散布局于每个被监控的的太阳能电池组跟踪支架和光伏汇流箱处，采集太阳能电池组和光伏汇流箱的数据。

所述上位机通过以太网与无线网关设备连接，使用MODBUSTCP协议进行通信。

所述无线节点设备与无线网关设备采用基于WIA工业无线网络进行通信。

所述无线节点设备与太阳能电池组跟踪支架的电机相连，依据内置太阳跟踪算法，实时改变电池组的角度，实时将太阳能电池组的当前角度，通过无线网关上报到上位机中。

所述无线节点设备与光伏汇流箱通过RS485接口连接，使用MODBUSRTU协议进行通信，完成数据采集。

所述无线节点设备采用光伏汇流箱内部提供的电源，无线节点设备的天线置于光伏汇流箱内。

所述无线节点设备采集太阳能电池组和光伏汇流箱的数据的方式包括自动模式、手动模式和紧急模式，可随时进行采集方式的切换。

所述自动模式为：无线节点设备将从无线网关获取每天的日出日落时间等信息，实时计算某一个时刻太阳能电池组的最佳受日照角度，控制跟踪支架分时段、分季节不间断的自动跟踪控制，以达到提高发电效率的目的。

所述手动模式为：太阳能电池组跟踪支架按照上位机的控制命令进行动作。

所述紧急模式为：在用户获得恶劣气象报警的特殊情况下，通过管理员对上位机的操作，控制全部太阳能电池组调整到安全的角度位置。

本发明提出的基于WIA工业无线网络的光伏电站监控系统，是在充分考虑光伏电站结构特点的前提下提出的，具有布局简单，维护方便，实时性好等优点，具体表现在：

1.整个光伏电站监控系统采用WIA工业无线网络布局，提高了系统的灵活性，降低了管理和维护的难度，无线节点安装完毕后，即可自动入网，接受网关的统一管理，无需人为干预，这极大的提高了监控系统的可扩展性；

2.以无线节点取代PLC，完成对太阳能电池组跟踪系统的监控，可省去复杂的控制连线，降低实施难度，节约成本。另外，无线网关可统一管理每个无线节点，从而减低管理难度，提高控制系统的工作效率；

3.无线节点可以和汇流箱设备实现一体化设计，省去汇流箱额外的控制设备和连线，既方便了用户对汇流箱各输入输出参数的监测，又提高了汇流箱布局的灵活性；

4.WIA工业无线网络的单跳通讯距离可达一公里以上，加之无线节点都具备转发功能，整个无线系统的覆盖面积可以不受场地的限制，这非常适合于光伏电站的场地面积大的特点；

5.无线网关和节点都支持MODBUS协议，可以方便的与汇流箱、逆变器、上位机实现连接及通信功能。

附图说明

图1为原有光伏电站结构的示意图；

图2为应用了WIA工业无线网的光伏电站结构示意图；

图3为太阳能电池组跟踪控制流程图；

图4为光伏汇流箱监测流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

光伏电站是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。并网光伏电站是指将光伏系统连接到国家电网成为电网的补充，并向电网输送光伏电力的太阳能发电系统。具体见图1。

WIA工业无线网络技术是由中国科学院沈阳自动化研究所推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的智能多跳无线传感器网络技术，该技术提供一种自组织、自治愈的智能Mesh网络路由机制，能够针对应用条件和环境的动态变化，保持网络性能的高可靠性和强稳定性。

光伏电站监控系统是将光伏电站的逆变器、汇流箱、电池组等设备通过数据线连接起来，用光伏电站数据采集器对这些设备进行数据采集，并上传到网络服务器或本地电脑，使用户可以实时查看相关数据，方便电站管理人员和用户对光伏电站的运行数据查看和管理的监控系统。

本发明所设计的基于工业无线网的光伏电站监控系统的结构如图2。本发明中涉及到的物理设备如下：

上位机：上位机是用户、管理者与工业无线网络交互的平台。

无线网关：提供上位机和工业无线网络的接口，提供工业无线网络与其它网络的接口，也可提供其它网络与工业无线网络的接口设备。

无线节点：是将传感器或执行器接入工业无线网络的设备。

本发明的具体实施方式是：

1、无线节点对太阳能电池组的监控：

据统计，充分利用太阳能跟踪系统，可使太阳能电池的输出功率提高10-30％，甚至能够达到42％左右。本发明以单轴跟踪系统为例进行说明，单轴跟踪系统即为自东向西跟踪太阳。无线节点与每组太阳能电池组的跟踪支架控制电机部分相连接。无线节点内置跟踪控制软件具备多种运行模式：自动模式、手动模式、紧急模式。模式的切换由管理员通过上位机组态软件发送命令，经过无线网关下发到无线节点设备。

自动模式：控制算法由无线节点内置的软件实现：为获得最大的发电效率，根据光伏电站所在地的经纬度和每天的日出日落时间等参数，实时计算电池组接受太阳光照的最佳角度，控制电机驱动电池组转动到该角度，并实时将该太阳能电池组的角度等参数上报给无线网关设备。系统中每个跟踪支架都与一个无线节点相连，无线节点上电后即对电池组角度进行自动调零，随后进入自动模式，控制跟踪支架的伸缩，进而控制太阳能电池组的角度。同时，无线节点开始自动加入无线网络。入网后，实时上报电池组当前角度。无线节点支持不同模式的切换，并执行相应的角度调节和上报告警信息。

手动模式：太阳能电池组跟踪支架可以按照控制室上位机软件的控制命令进行动作，特别适用于对故障支架的维修调试及太阳能电池组表面的清洁。

紧急模式：在用户获得恶劣气象报警的特殊情况下，比如大风、大雪、冰雹等情况下，控制室能够通过管理员对上位机软件的操作，控制全部太阳能电池组调整到最安全的角度位置，以减轻恶劣气侯给系统带来的损害。

在每个模式下，无线节点都会实时的将太阳能电池组的当前角度，通过无线网关上报到控制室上位机组态软件，使管理员及时掌握电池组的运行姿态。对于新增的电池组安装无线节点，上电后无线节点可自动入网，接收网关及控制室上位机软件的监控，无需人为的干预。

该类型无线节点的功能描述如下：

时间设定和维护功能：接收网关的时间和日期设置命令，校准本地时间，周期更新本地时间。保存无线节点设备本次启动的结束时间，作为该设备下次启动的开始时间。

参数设置功能：接收网关下发的每天日出日落时间参数的设置命令，并保存参数。保存最新的日出日落时间参数值，作为该设备下次启动的初始参数值。

模式选择功能：接收网关的选择模式命令，并将模式参量修改为更新后的模式。保存最新的控制模式，作为网关下次启动的初始模式。

自动控制功能：通过跟踪控制算法，实时计算跟踪支架长度，控制电机转动，是电池电池组到达最佳受日照角度。

手动控制功能：根据网关下发的手动控制指令指示的电机位置，修改电机位置参量。

执行控制功能：根据计算或手动控制得到的电机位置和电机当前所在位置，计算出电机的转动方向和转数，控制电机启动和方向。接收电机返回的中位、上限位、下限位、脉冲输入，记录电机转动的圈数，判断电机的停止。

无线节点对太阳能电池组的监控工作流程如图3所示。

2、无线节点对汇流箱的监测：

在光伏发电系统中，数量庞大的光伏电池组件进行串并组合达到需要的电压电流值，以使发电效率达到最佳。汇流箱的主要作用就是对光伏电池阵列的输入进行一级汇流，用于减少光电池阵列接入到逆变器的连线，优化系统结构，提高可靠性和可维护性。

为了实时掌握汇流箱各路输入的电流电压等参数，了解汇流箱的工作状态，作为监控系统的一部分，无线节点通过RS485接口，与光伏汇流箱进行连接，无线节点内置软件支持MODBUSRTU协议，通过该通用协议与汇流箱进行通信，读取汇流箱内部的寄存器，从而获取各输入的电流值，并将参数上报至无线网关。

无线节点对汇流箱的监测流程如图4所示；

3、无线网关的功能实现：

无线网络的管理和维护：管理在网节点和新加入的节点，与各节点进行数据和命令的交换。

时间的设定和维护功能模块：接收上位机的时间和日期设置命令，校准本地时间，并通过无线网络校准在网无线节点设备。周期更新本地时间，保存网关本次启动的结束时间，作为该网关下次启动的开始时间。

参数计算和设置功能：计算当天的日出日落时间，并保存参数，并通过无线网络设置在网节点设备。保存最新的日出日落时间参数值，作为网关下次启动的初始参数值。

模式选择功能：接收上位机的选择模式命令，记录更新后的模式，并通过无线网络设置在网节点设备的控制模式。保存最新的控制模式，作为网关下次启动的初始模式。

手动控制指令传输功能：接收控制台的手动控制指令，判断当前网络是否为手动控制模式，若当前网络为自动控制模式，则返回错误；若当前为手动控制模式，则通过无线网络将控制指令发送到手动控制的指定节点。

4、无线网关和上位机的通信：

上位机使用组态软件编写监控系统用户界面，为管理人员提供太阳能电池组的运行模式，运行状态，汇流箱的参数，逆变器参数、变压器参数、电站发电量、运行时间等参数；上位机使用WIA控制台软件对无线网关和无线节点进行配置。上位机通过监控组态软件和无线网关进行实时数据的交换。

上位机和无线网关使用以太网进行物理连接，组态软件与无线网关通过MODBUSTCP协议实现通信，由组态软件发送查询和控制命令，完成对无线网关的数据采集，以及对无线节点设备的控制。

Claims (5)

1.一种基于工业无线网络的光伏电站监控系统，其特征在于，包括：

上位机，布局于监控室中，为用户提供监控系统的人机交互界面，与通过以太网与无线网关连接，用于对光伏设备的监控；

无线网关设备，完成与无线节点设备之间的数据和控制命令交换，为上位机提供查询和控制接口；

无线节点设备，分散布局于每个被监控的的太阳能电池组跟踪支架和光伏汇流箱处，采集太阳能电池组和光伏汇流箱的数据；所述无线节点设备采集太阳能电池组和光伏汇流箱的数据的方式包括自动模式、手动模式和紧急模式，可随时进行采集方式的切换；所述自动模式为：无线节点设备将从无线网关获取每天的日出日落时间信息，实时计算某一个时刻太阳能电池组的最佳受日照角度，控制跟踪支架分时段、分季节不间断的自动跟踪控制，以达到提高发电效率的目的；

所述上位机通过以太网与无线网关设备连接，使用MODBUSTCP协议进行通信；

所述无线节点设备与光伏汇流箱通过RS485接口连接，使用MODBUSRTU协议进行通信，完成数据采集；

所述无线节点设备与太阳能电池组跟踪支架的电机相连，依据内置太阳跟踪算法，实时改变电池组的角度，实时将太阳能电池组的当前角度，通过无线网关上报到上位机中。

2.根据权利要求1所述的一种基于工业无线网络的光伏电站监控系统，其特征在于，所述无线节点设备与无线网关设备采用基于WIA工业无线网络进行通信。

3.根据权利要求1所述的一种基于工业无线网络的光伏电站监控系统，其特征在于，所述无线节点设备采用光伏汇流箱内部提供的电源，无线节点设备的天线置于光伏汇流箱内。

4.根据权利要求1所述的一种基于工业无线网络的光伏电站监控系统，其特征在于，所述手动模式为：太阳能电池组跟踪支架按照上位机的控制命令进行动作。

5.根据权利要求1所述的一种基于工业无线网络的光伏电站监控系统，其特征在于，所述紧急模式为：在用户获得恶劣气象报警的特殊情况下，通过管理员对上位机的操作，控制全部太阳能电池组调整到安全的角度位置。