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物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统设计

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资料介绍

从能源安全和能源战略角度来看,太阳能是一种理想的可再生绿色能源,太阳能发电是解决化石能源日趋紧缺和减少环境污染的重要途径.目前光伏发电系统总体上尚存在系统集成水平低、缺少有效监控措施等问题.针对此问题,开发设计了物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统.该监控系统由实时在线的检测与执行机构层、PLC现场监控层及传输层、远程网络监控层3层组成.光伏自跟踪发电监控实验系统的设计及运行验证了物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统可以实现3层之间数据的交互,实现远程决策、控制和监测.

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文章编号：1001—9944(2015)12-0006-05

物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统设计

王

欢1，徐小力1，一，赵文祥1

(1．北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；2．北京信息科技大学现代测控技术教育部重点

实验室，北京100192)

摘要：从能源安全和能源战略角度来看，太阳能是一种理想的可再生绿色能源，太阳能发电

是解决化石能源日趋紧缺和减少环境污染的重要途径。目前光伏发电系统总体上尚存在系

统集成水平低、缺少有效监控措施等问题。针对此问题．开发设计了物联网架构的光伏自跟

踪发电监控系统。该监控系统由实时在线的检测与执行机构层、PLc现场监控层及传输层、

远程网络监控层3层组成。光伏自跟踪发电监控实验系统的设计及运行验证了物联网架构

的光伏自跟踪发电监控系统可以实现3层之间数据的交互．实现远程决策、控制和监测。

关键词：太阳能；物联网；光伏发电；监控

中图分类号：TK514

文献标志码：A

of SoIar Photovoltaic

Power Generation

Desigll

SemtracHng

MoIlitoring System

on Internet of

Thillgs

WANG

Huanl，XU Xiao．1i1一，ZHAO Wen—xian91

Mechanical and Vehicle

Institute

10008

Lab0-

(1．School

Engineering，Beijing

Technolog)，，Beijing

1，Chim；2．Key

of Modem Me鹊urement&Control

100192，China)

Info皿ation Science aIld

Technol-

ratory

Technology，Minis时0f Education，Beijing

ogy

University，Beijing

the

and

AbstⅢt：From

solar

is an ideal renewable

energy green

energy sec面ty

is an

energy stmteg)r

view，the

point

to solve tIle

of fossil fuels aJld reduce the of

poUution

energ)r，solar

power genemtion

import觚t way

shortage

is low

the

ef．

level and tlle lack

enVironment．Currently，photoVoltaic power genera“on system

system

integmtion

fectiVe

me鹊ures．To solve these

conducted the research on

pmblems，we

monitoring

sol缸photovohaic semtracking

automatic

trackjng power monitoring

Intemet

power generation monjt谢ng system

b鹊ed on the

t11in铲卸d desi印photovoltajc

consists of real-time orIline filed

testing layer，PLC

and

system

data

plaⅡbⅡn． Monitoring system

moIlitoring

tr锄smission

intemet

system 1ayer，emote

verifies that the

layer．0peration

tracking power

monitoring

automatic

photovoltaic

photovoltaic power genemtion t阳cking

on IdT architecture c舳

monitoring system

realize data interactive

the t}lree

decision．

layers，remote

among

monitoring舳d

words：solar

Key

power；intemet

thingS(IdT)；photovoltaic power generation；monitoring

光伏电站一般建设在空旷的场地上、沙漠里、

海滨或者屋顶上，发电设备集中分布与离散分布并

存，同时光伏电站还要配套监测及控制设备，如光

伏电池板、跟踪装置等，因此大量的数据需要采集

和传送，包括设备运行状态数据、各执行机构的控

制数据等。为保证光伏电站安全可靠运行，必须安

装光伏电站监测系统，及时发现并解决光伏电站存

在的故障。

收稿日期：2015一07—03：修订日期：2015一08—11

基金项目：国家自然科学基金项目(51275052)；北京市自然科学基金重点资助项目(3131002)

作者简介：王欢(1976一)，女，在读博士研究生，研究方向为太阳能光伏控制系统。

■

万方数据

物联网是将一切事物数字化、网络化，在物品

之间、物品与人之间、人与现实环境之间实现高效

信息交互。物联网通过新的服务模式使各种信息技

术融人社会行为．使信息化应用达到更高境界。从

通信对象和过程来看。物联网的核心是物与物以及

人与物之间的信息交互。物联网的基本特征可概括

为全面感知、可靠传送和智能处理【1】。

境参数、监测每个发电单元的太阳能电池板发电状

态(适合小型电站)、跟踪太阳，控制太阳能电池板

的姿态并进行控制、监测逆变器工作状态、远程专

家系统分析、诊断与监控、系统冗余控制等功能。

在监控系统中，传感器与执行机构层为最底

层．直接测量各种状态信息并执行控制命令；PLC现

场监控层为中间层．负责现场的通信、检测与控制，

收集各种信息并作适当处理。并为远程网络监控层

提供信息：远程网络监控层为客户端收集各种信

息，并对系统存在的问题进行决策处理。

物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统定义

为利用各种传感器实时检测光伏发电系统运行状

态，提取相关参数；通过无线局域网、工控总线、

GPRS、互联网实现数据的现场收集及传输；建立光

伏发电系统相关信息数据存储中心。构建各种模

型。通过这些模型对光伏发电系统的状态进行监

控。该系统由实时在线的检测与执行机构层、PLC

现场监控层及传输层、远程网络监控层3层组成。

光伏自跟踪发电监控实验系统的设计及运行验证

了物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统实现了3

层之间数据的交互，实现了远程决策、控制和监测，

为光伏发电系统的运营管理提供了科学的依据。

通过ZigBee无线网络及Pr0胁us现场总线，监

控系统实现传感器与执行机构层和PLC现场监控

层信息互联；通过GPRS无线网络，监控系统实现

PLC现场监控层和远程网络监控层信息互联。系统

可以灵活组建．适应多种地理条件、天气条件及发

电规模的变化，实现对光伏并网发电站的现场及远

程监控，保证光伏发电系统安全运行。

2物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统

分层设计

物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统

2．1

实时在线的检测与执行机构层

2．1．1信号采集

总体设计

物联网架构的光伏发电监控系统由3层结构

组成：实时在线的检测与执行机构层；PLC现场监控

层及传输层；远程网络监控层。

光伏发电的检测功能是对光伏发电设备属性

(状态)进行标识，属性包括设备的静态属性和动态

属性【2】，静态属性可以直接存储在射频识别标签中，

动态属性则由相应传感器监测。

系统结构如图1所示。该监控系统具有监测环

光伏发电系统实时在线检测环境、光伏阵列及

客户端l

l客户端l

lwincc服务器(备用)

逆变器的相关信号。光伏发电系统的发电能力与自

然辐照环境有很大关系，实时检测相关环境参数可

以为光伏发电评价系统提供基础数据。环境信息采

集传感器包括温度传感器、风向风速传感器、照度

传感器及辐照强度传感器等，这些传感器被放置到

PRS无线传输模块

圈匦团

lMPI

从站l

从站2

l从站3

智能输入输出模块Il智能输人输出模块l

I输人模块l

距离PLC控制器较近的地方，传感器输出信号通过

zigBee：

r一面谣

zigBee：

艮阳能电池板j!

{

ZigBee无线网络模块接人从站l。

逆变器

光伏阵列的检测信号主要包括阵列输出电压、

l圜：lL-——

回

----------—一

：

L--

}

-------

圆

---—-一‘-—

圆

-----------—一

●I--------------一

电流，通过对输出电压、电流的检测，可以对阵列中

光伏电池的工作状态进行判断。光伏电池板信息采

集传感器的数量和种类需要根据发电系统的规模

：回j：固i：圆圆：

i回：i回：i圆圆i

：圈j：圆i：圃圆：

和结构进行适当调整。对于采用了跟踪装置的光伏

电站，通常包括多个发电单元，每个发电单元有一

套光伏电池阵列和一套太阳跟踪装置．每个发电单

元要采集的信息包括光伏电池板的温度、直流输出

!一一二一一一；

!一一三一一一；i一一一一一一．-一一一一一j

图1 光伏发电监控系统总体结构

SOlar

Fig．1

photOVOItaic power generatiOn mOnitoring

and

diagnOsing syslem

自动化与仪表2015t12)

日

万方数据

电压、直流输出电流、PSD位置传感器信号等，这些

信息均由相应类型的数据传感器采集。同时。每个

发电单元还要接收太阳跟踪装置运动控制信号。每

端节点RFD，FFD节点担任网络协调器，负责建立、

初始化和设置网络．RFD节点作为网络终端节点连

接各类传感器，并将信息传递给FFD节点，RFD只

能与FFD节点进行通讯，RFD之间不能通讯。网络

选择一个FFD作为主协调FFD节点，由此节点通

过智能输入输出模块的总线接口发送到P越bus-

DP总线上，供其它设备调用。终端节点RFD主要负

责完成对并网光伏发电系统中的逆变器相关参数、

光伏电站工作环境相关参数以及光伏组件的工作

温度，工作电流、电压，开路电压，短路电流等信息

的采集、预处理和无线传输任务。设计过程中采用

CC2530和相应的传感器模块作为核心器件来实现

终端节点。协调器节点FFD负责无线传感器网络的

组建和数据的接收、校验及转发，协调器节点FFD

的核心器件也是CC2530。硬件设计方面协调器节

点相对于传感器节点缺少了数据采集功能模块．增

加了串口通信模块。终端节点功能模块示意如图3

所示。

个发电单元的输入输出信息都通过ZigBee网络接

人从站2(如果电站规模较大，则可建立多个从站2)。

逆变器是将太阳能电池板发出的直流电变换

成交流电的DC转AC装置，它连接着光伏电池板

及公共电网。经逆变器变换的电流电压应当满足公

共电网入网要求，才能并入公共电网。从逆变器采

集的数据包括逆变器输入端直流电压与电流、逆变

器输出端交流电压与电流、设备温度、单日发电量、

总发电量、功率因数、转换效率、电网电压与电流信

息等。逆变器的所有数据通过有线网络传输到从站

3中，进而接入到Pro仙us．DP现场总线中。

2．1．2

zigBee无线通讯传输

如上所述，应用于此层的无线通信技术是Zig-

Bee技术。它是基于网络底层802．15．4的短距离数

据通讯网络协议，是一种近距离、低复杂度、低功

耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术嗍。主要用

于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备

之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇

性数据和低反应时间数据传输的应用。

RF天线

电

源

模

在此层采用ZigBee技术建立树形短距离局域

网，其拓扑结构如图2所示。

块

CC2530

一一一～一一一一一一一

图3终端节点各功能模块示意

Schematic

the functionaI mOdule

Fig．3

diag陋m

Of te丌ninaI

paneI pOints

终端节点程序流程如图4所示。

开始

|进入任务轮训模j

p——一

完整功能设备

接到智能输入模块．

进而介入Pm助m总线

‰ ◇

‘Y

图2

ZigB∞网络拓朴结构

——T一

激活系统

l并采集数据

cIuster tree

Fig．2 ZigBee

topolOgy

=二]二

=二]二二

l无线发送程序

◇

迥兰多／

王!

J对数据打包整理

ZigBee无线传感网络由大量密集分布的传感

器网络节点组成，每个节点都具有有限的计算处

理、存储和无线通信能力，可以近距离感知周围的

环境。节点之间通过无线电通信，并以自组织的方

式构成网络，相互传递数据并发布给观察者。

调用数据

二二[二二

系统休眠

图4终端节点程序流程

网络节点设备类型包括协调器节点FFD和终

flOw chart 0f the sensOr

Fig．4 PrOgram

paneI point

万方数据

不同类型的透传模块。如果系统采集的信息量巨

大，则采用单一数据传输功能GPRS．D，ITU模块(例

如JWOD2．DTU)，如果系统采集信息量少则可采用

具备模拟量与数字量数据采集功能的GPRS。RTU

模块。

为了保证PLC控制系统的可靠性．PLC中央处

理器采取硬件冗余的控制方法。当主处理器单元失

攀遣

爹_晶一

效时，备用处理器单元自动投入运行，接管控制。除

了成对的使用处理器外，还配有专用的热备模块．热

备模块负责检测处理器，一旦发现主处理器失效，

马上将系统控制权交给备用处理器。硬件冗余均采

用光纤通讯，通讯速度快、系统稳定、切换时间短。

2．3远程网络监控层

土兰

转发至上位机

图5协调节点程序流程

系统第三层为远程网络监控层．负责为客户端

收集信息并对系统存在的问题进行决策处理。在正

fJOw chart of the c∞rdjnator

Fjg．5 Prog旧m

paneJ pojnts

2．2 PLC现场监控层及传输层

常工作模式下第二层的GPRS无线透传模块将现场

的数据通过移动通信分组网络传递给数据管理服

务器(上位机)，用于太阳能发电系统的状态监控。

该层服务器采用西门子组态软件WinCC，可以通

过工业以太网与管理级客户端等联网控制，实现太

阳能发电系统的优化控制、故障诊断、监测和自动

控制。

系统第二层为PLC现场监控层。该层具有承上

启下的作用，负责收集各类信息并控制执行机构动

作，它包括各从站接入模块、PLC控制器、操作屏及

GPRS无线传输模块。PLC与系统第一层组成Pro胁us．

DP现场总线控制网络进行实时高速通讯．完成光

伏发电系统的多个太阳跟踪装置的操作控制。

用于通信控制的Pro砧us—DP现场总线既是新

型自动化系统，又是低带宽的底层控制网络，它可

以和现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设

备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信

设备间的信息共享：另一方面又将现场运行的各种

信息传送到远离现场的控制室，实现与操作终端、

上层控制管理网络的连接和信息共享。Pr0肺us．DP

现场总线采用了总线通信方式．使控制系统不再采

用一对一的设备连线模式，这样控制功能可不依赖

控制室计算机直接在现场完成，从而实现系统的分

组态控制计算机通过组态与编程对光伏电站

控制系统进行自动化设计与配置；通过数据采集、

参数调节以及各类信号报警完成对光伏电站运行

状态的监视和控制；通过人机界面反应全面的过程

信息，完成实时的动态数据处理。组态控制服务器

采用冗余设计。冗余系统采用2台连接到一起的服

务器协同工作，运行期间，2台服务器相互监控，可

以及时地发现对方是否进入故障状态．如果一台服

务器发生故障．则所有的客户端自动切换到仍然正

常的服务器．从而保证所有客户端总可以进行对自

动化系统的监视和操作。在一台发生故障期间，正

常的服务器继续完成系统内的信息、过程数据归档

和记录：当故障服务器正常投入后．故障期间的归

档记录会自动复制到恢复后的服务器，从而保证了

服务器数据的完整和连续。

散控制。

光伏发电监控系统采用Pro砧us．DP主从传输

方式，主站PLC对总线具有控制权，能够主动发送

信息。支持Pro砧us．DP的智能输入输出模块(含DP

接口CP5611)及GPRS透传模块作为从站。Pr0砧us—

kb／s～12

DP的传输速率为9．6

Mb，s，最大传输距

远程网络监控层的评价及决策专家系统主要

由动力学模型、实测数据统计分析趋势预示模型

构成。

离1000 m．可以使用中继器延长至10 km，其传输

介质是RS一485双绞线或光缆，最多可挂接126个

站点。

2．3．1动力学模型

GPRS透传模块可以根据系统不同要求采用

在控制系统中，动力学模型包括：光伏发电系

自动化与仪表2015t12)

■

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