无线智能光伏监测系统

Posted 2020-09-02 supersu668

目录

一、概述... 3

二、智能光伏监控前景... 3

三、WCTU技术... 3

3.1什么是WCTU?. 3

3.2 WCTU工作过程描述... 4

3.3 WCTU采集的优势... 4

3.4 WCTU硬件/软件特性... 5

四、WBee技术... 6

4.1 什么是WBee. 6

4.2 WBee的工作原理... 6

4.3 WBee的优势... 7

4.3.1网状网优势... 7

4.3.2抗干扰性能强... 7

4.3.3数据安全性... 8

4.4 WBee的硬件/软件特性... 8

五、项目设计... 9

5.1前端采集光能物理层设备... 9

5.2数据采集传输层... 9

5.3上位机软件应用控制层... 9

5.4 光伏系统监测图：... 10

六、系统功能... 10

七、设备清单... 11

八、结论... 11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

无线智能光伏监测系统

摘要：当今世界，煤炭、石油等化石能源频频告急，环境污染问题日益严峻。而太阳能作为最具潜力的可再生能源，因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性以及实用的经济性，越来越被人们所青睐。大力发展光伏产业、积极开发太阳能，在全球范围得到了空前重视，已成为各国可持续发展战略的重要组成部分。光伏产业也称太阳能电池产业，即利用太阳能级半导体电子器件吸收太阳光辐射能，并使之转换为电能的产业。

关键字： 智能光伏、WCTU、WBee、在线监测；

一、概述

据欧洲光伏产业协会EPIA最新发布的报告显示，2011年全球光伏并网系统装机量增至27.7GW，而2010年装机量为16.6GW，全球累计光伏装机量逾67.4GW。这意味着光伏已成为仅次于水电和风能的第三大可再生能源。随着太阳能光伏发电技术不断成熟与普及，太阳能光伏发电正在逐步由特殊应用转向民用、由辅助能源向基础能源过度，尤其是光伏并网系统的出现，使太阳能光伏发电的应用前景更加光明。

二、智能光伏监控前景

现有电站当地监控系统主要由逆变器厂商随设备提供，主要从本厂逆变器出发，对电站运行的一些参数进行监测，难以或不能直接控制逆变器的运行状态，也无法获取电站中的其它设备的信息及控制这些设备，更无法满足电网调度系统对电站的实时监控要求。另外，大型电站均会采用不同厂商的产品，这些不同厂商的产品彼此无法兼容，造成一个个“孤岛”系统，无法形成统一的监控体系。

  因此，迫切需要建设一套统一的远程监控系统，实现对下属多个光伏电站内不同厂商、不同类别、不同型号的逆变器、光伏电池组件、汇流箱、微机保护等设备进行管理，实现对下属多个光伏电站完整、统一的实时监测和运行管理。

三、WCTU技术

3.1什么是WCTU?

WCTU（the wireless control collect transmission unit )全称为无线控制采集传输单元，是专门用于将串口数据（232、485、422、TTL、AD接口）转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。利用WCTU的IO脚输入跟输出高低电平功能，对设备进行远程控制跟实时监测设备异常并对异常信息进行报警功能。是厦门为那通信科技有限公司最新自主研发的综合DTU,RTU,及短信收发功能为一体的高性能工业级无线数据采集传输设备。WCTU简单说是一种工业级别无线传输、采集设备,主要用在各种行业无线数据采集中。该设备把终端数据通过串口把数据通过运营商的无线网络传输到服务端。

WCTU无线采集：主要方式是通过运营商基站网络提供上网，也就是移动，电信，联通（国内目前就这三家）。在WCTU设备里面插一张SIM/UIM卡（手机卡）来实现无线传输跟控制的功能，其实也就是跟手机上网差不多一样的原理。

3.2 WCTU工作过程描述

WCTU登陆运营商网络，然后进行PPP拨号。拨号成功后，WCTU将获得一个由运营商随机分配的内部IP地址。也就是说，WCTU处于运营商内网中，而且其内网IP地址通常是不固定的，随着每次拨号而变化。我们可以理解为WCTU这时是一个运营商内部局域网内的设备，通过移动运营商网关来实现与外部Internet公网的通信。这与局域网内的电脑通过网关访问外部网络的方式相似。

WCTU主动发起与数据中心的通信连接，并保持通信连接一直存在。由于WCTU处于移动内网，而且IP地址不固定。因此，只能由WCTU主动连接数据中心，而不能由数据中心主动连接WCTU。这就要求数据中心具备固定的公网IP地址或固定的域名。数据中心的公网IP地址或固定的域名作为参数存储在WCTU内，以便WCTU一旦上电拨号成功，就可以主动连接到数据中心。

具体地讲，WCTU通过数据中心的IP地址（如果是采用中心域名的话，先通过中心域名解析出中心IP地址）以及端口号等参数，向数据中心发起TCP或UDP通信请求。在得到中心的响应后，WCTU即认为与中心握手成功，然后就保持这个通信连接一直存在，如果通信连接中断，WCTU将立即重新与中心握手。

由于TCP/UDP通信连接已经建立，就可以进行数据双向通信了。对于WCTU来说，只要建立了与数据中心的双向通信，完成用户串口（IO）数据与网络数据包的转换就相对简单了。一旦接收到用户的串口数据，WCTU就立即把串口（IO）数据封装在一个TCP/UDP包里，发送给数据中心。反之，当WCTU收到数据中心发来的TCP/UDP包时，从中取出数据内容，立即通过串口（IO）发送给用户设备。

WCTU还提供了IO短信报警功能跟短信修改WCTU的IO高低电平变化的功能。当WCTU的IO脚为输入报警状态时，当设备产生一个高低电平变化触发WCTU的IO，然后根据WCTU里面预设置的报警电话，把里面预设置好的报警内容发送到指定的手机上面，进行设备故障报警。当WCTU的IO脚为输出功能时，就是利用WCTU里面设置好的控制手机号码，然后通过指定的手机号码发送控制指令，对WCTU的IO脚进行高低电平的变化，以达到控制下位机设备的目的，短信修改IO高低电平也是跟短信报警同种原理。

3.3 WCTU采集的优势

WCTU通信方式更适合于野外与移动数据采集业务，目前还存在很多监测站与各采集点采用电话线传送数据或手工抄录，实时性差，费用也不便宜。WCTU无线传输数据有以下优势：

1．WCTU用户可随意分布和移动自己的网络点，无须担心线路的维护或有线在移机时导致的通讯中断。建设新的营业点无需进行拉线，埋线等工作。较光纤，或专线系统投资较少，设备安装方便。

2．安装价格比较低，与拉线埋线相比较WCTU其终端价格便宜很多。

3．仪器设备双向传输功能：在WCTU通过无线跟数据中心进行连接成功后，WCTU跟数采中心就可以进行双向传输。

4．WCTU能最好地支持频繁的、少量突发型数据业务，通信质量稳定可靠，永久在线。

5. 支持IO报警功能，当下位设备出现异常情况时，WCTU产生报警信息，及时联系相关人员处理，减少损失。

6. 支持短信控制、配置功能，相关管理人员可以实时的控制设备跟修改WCTU配置

7. 支持多种安全加密协议，WCTU支持AES、3DES、DES等加密方式，防止用户信息泄露。

8. 支持数据灯查看设备运行状态，不用电脑连接串口就可以一目了然的看到设备的运行状态

9. 支持远程在线升级，不用在担心由于设备需要升级而跑到现场操作，浪费人力物力，减少企业开支。

10. 支持双串口，在进行通信的时候还可以进行配置，不影响串口数据的传输，方便了设备的调试跟使用

11. 优化了485的通信功能，485同时收发串口数据不会出现数据乱码的现象。

3.4 WCTU硬件/软件特性

软件	网络功能	唤醒休眠	支持短信、电话、串口数据、IO、定时等方式触发，业内种类方式最多。
		无缝隙管理	支持通信时，可通过网络、短信、串口方式对设备进行配置和管理。
		协议转换	支持Modbus RTU/TCP 协议转换，透明传输； 支持主流组态软件如：亚控、力控、紫金桥等。
	安全可靠	数据加密	支持3种加密协议：AES、DES、3DES, 防止数据传输中被窃取或监听，提高数据安全性。
		通信协议	采用完善的、灵活的传输协议，保证传输更可靠，稳定； 采用短信报警机制，保证外部异常和硬件异常能即时通报。
	管理与维护	短信配置	支持短信命令修改配置，可随时修改配置参数，或控制IO输入、输出
		网络配置	支持网络方式远程修改配置，不用去现场就能完成对现场设备的操控。
		远程升级	可以通过网络对现场设备进行远程升级，保护原有配置信息，不影响升级后正常通信。

 

硬件	外壳	材质	采用特殊金属材质专利设计抗氧化、抗腐蚀、抗干扰、耐高温、延长使用寿命。
	接口	串口类型	支持RS232、RS485、TTL、RS422等，支持多路IO 输入输出或是多路A/D 采集接口共用，可自定义设置任意单路或是多路接口定义，灵活多变，互不干扰。
		接口保护	RS232/RS485/RS422接口采用内置15KV ESD保护，防止静电损坏 RS485/RS422接口采用内置4KV防雷保护 SIM/UIM卡接口采用内置15KV ESD保护，防止静电损坏 电源接口采用内置反接保护和过压保护 GPIO、A/D口内置短路及过压保护
		调试串口	独立的RS232调试接口，数据通信和设备维护的串口分离，保证通信时可配置和查看调试信息
	指示灯	信号灯 状态灯	采用多个多色彩LED灯显示设备的信号、状态等信息，便于维护人员直观了解设备的当前状况。

 

 

四、WBee技术

4.1 什么是WBee

WBee这一名称来源于蜜蜂（Bee）用八字舞与同伴传递花粉所在方位信息的方式。WBee是一款近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，带采集和控制功能的无线自组网采集控制终端。WBee发射功率达到业界最高值21db，接收灵敏度达到-126dbm，收发可视直线距离可以达到4000米，解决了一些短距离传输设备传输距离不足的问题。WBee网络中的设备可分为协调节点 (Coordinator)、路由节点(Router)、终端节点(EndDevice)等三种角色。

4.2 WBee的工作原理

WBee是一种跟蓝牙类似的无线通讯技术，不过它的速度比蓝牙慢，但是传输距离更大一些（一般可以达到4KM）。了解无线通讯的人都知道，所谓各种无线通讯技术，就是将数据转换成频率段不同的波，然后发射出去，在接收端将波再解析成相应的数据。WBee也不例外，它在国际通用的工作频段是433 MHz频段来进行无线通讯，WBee的通信技术所采用的蜂窝式自组织网通信的方式。

WBee通信是怎么回事？简单的举一个例子就可以说明这个问题。比如汽车防盗问题，在车上安装一个WBee 网络模块终端，当开启报警系统后，车子跟报警器只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的WBee网络。只要汽车有一些违规操作，比如开门、插钥匙等触发报警然后通过WBee把报警信息传输到报警器上，并产生报警信号。由于汽车是移动的，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新，这就是自组织网。

 

                            WBee 自组网示意图

4.3 WBee的优势

WBee的自组网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、短距离、支持大量节点、支持中继、支持加密、速度快等。因此WBee作为一种短距离无线通信技术，由于其网络搭建的便捷性，在短距离传输领域具有非常强的可应用性。

4.3.1网状网优势

1、 网络结构具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来进行通信

2、 是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护， 具备自组织、自愈功能。

3、 网络机构还可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模

4.3.2抗干扰性能强   

1、WBee 在低信噪比的环境下WBee具有很强的抗干扰性能；   

2、WBee 技术在相同的环境中，WBee抗干扰性能远远好于蓝牙和WIFI。   

3、WBee的抗干扰性能是蓝牙、WIFI和FSK的1000倍。

4.3.3数据安全性

      WBee支持完善通信协议，在数据通信中支持多种加密方式，包括AES、3DES、DES等的加密，就算您数据在传输中被截取或者修改都可以对数据完整性和正确性进行分析

4.4 WBee的硬件/软件特性

软件	网络功能	无缝隙管理配置	支持通信时，可通过网络、串口方式对设备进行配置和管理。
		自组网	自动组建、自动路由、自动恢复、灵活多变、方便接入
		网络制式	采用434MHZ（国际标准免授权频段），传输更稳定，距离更远
		协议机制	支持IPV6，无限制节点数量
	安全可靠	数据加密	支持3种加密协议：AES、DES、3DES，防止数据传输中被窃取、监听，保证数据安全可靠。
		通信协议	采用自主开发，完善灵活的传输协议，保证数据传输可靠性。
	管理维护	功率可调	可自配置射频频率以及发射功率等级
		调试升级	支持远程升级、远程配置、方便管理

 

硬件	外壳	材质	采用特殊金属材质专利设计抗氧化、抗腐蚀、抗干扰、耐高温，延长使用寿命。
	收发器	性能	采用高性能高灵敏度的收发器，实测直线距离4KM
	接口	串口类型	支持RS232，RS485，TTL，RS422等； 支持多路IO 输入输出和多路A/D 采集接口共用，可自定义设置任意单路或是多路接口定义，灵活多变，互不干扰。
		接口保护	RS232/RS485/RS422接口采用内置15KV ESD保护，防止静电损坏 RS485/RS422接口采用内置4KV防雷保护 电源接口采用内置反接保护和过压保护 GPIO、A/D口内置短路及过压保护
		调试串口	独立的RS232调试接口，数据通信和设备维护的串口分离，保证通信时可配置和查看调试信息
	指示灯	信号灯 状态灯	采用多个多色彩LED灯显示设备的信号、状态等信息，便于维护人员直观了解设备的当前状况。

 

五、项目设计

 5.1前端采集光能物理层设备

    为实现设备的动态扩展接入，系统通过WBee的自组网方式即能完成新增监控设备的接入。设备数据接入后进行分级存储，分类汇总统计，利用监测数据和事件信息，可以实现电站设备的集中远程监控，也可以为故障诊断提供技术手段和数据支持，也为电站管理提供全面的统计数据和各类报表。

 

 

 5.2数据采集传输层

光伏变电站远程监控系统采用了跨平台及模块化设计，部署方便、操作简便，通过WCTU基于GPRS无线通信网络技术可以实现所辖变电站的统一管理，可根据电力行业自身管理需求和监控现状进行定制。统一集控平台系统接入所有的光伏电站在线监控设备和系统：包括汇流系统、逆变系统、环境系统、电能及电能质量设备等；接入的数据非常全面：包括设备状态数据、设备运行数据、警报数据、事件数据等；系统所提供的应用服务面广，服务的人员包含了电站的各类人员，包括运行人员、检修人员、管理人员等。

 

5.3上位机软件应用控制层

系统支持B/S和C/S应用架构，软件遵循分层开放式体系结构，各服务间各自独立，分层部署，完全松耦合，各服务可独立升级和维护，不影响其他功能的应用。已经在电力系统多个地区调度、集控中心以及变电站/电厂投入实际运行。

JTPV-RMS光伏变电站远程监控系统作为电力系统生产管理的重要辅助手段，集成化、高清化、智能化的系统给光伏变电站安全运行提供了可靠的保障。

 

 

  5.4 光伏系统监测图：

 

 

六、系统功能

光伏发电监控系统可对太阳能光伏电站里的电池阵列、汇流箱、逆变器、交直流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备进行实时监控和控制，通过各种样式的图表及数据快速掌握电站的运行情况，其友好的用户界面、强大的分析功能、完善的故障报警确保了太阳能光伏发电系统的完全可靠和稳定运行。 

　  ●实时监测太阳能电池板的电压、电流及其运行状况
　　●防雷器状态、断路器状态采集与显示
　　●实时监控逆变器工作状态，监测其故障信息
　　●系统详细运行参数显示
　　●故障记录及报警
　　●具有电量累计、系统分析、历史记录功能
　　●简单易用的参数设置功能
　　●系统输出电流、电压，瞬时发电功率、累计发电量，CO2、SO2减排量

七、设备清单

所需设备清单：

1，  汇流箱

2，  直流箱

3，  逆变器

4，  WBee

5，  WCTU

6，  光伏阵列

  

八、结论

本文结合无线通信网络GPRS网络，远程监控技术的实施方案，针对国内外光伏（电站）系统的特点，开发了适用于光伏系统的远程监控应用系统，对太阳能光伏电站系统实施远程监控具有普适性。

今后，太阳能光伏发电技术的发展必将向光伏建筑一体化、家用并网电阻系统方向发展，这种趋势为我们提出了新的技术难题：如何对并网型、独立型及其它分散的光伏电站系统运行状况进行实时监控，并及时对光伏系统可能出现的故障作出应急处理；如何实现分散式能源系统的集中调度管理与智能监控。太阳能光伏系统工程远程监控技术正处于发展与应用的初期，远程监控技术能实现将分散式的能源系统进行集中调度管理与智能监控。因此，将远程监控技术应用于具有广阔发展前景的太阳能光伏发电系统，构建一个安全的、智能化的、绿色能源调度管理系统具有十分重要的意义。