黃海波

（江西晶科電力設(shè)計有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

太陽能發(fā)電具有可持續(xù)、環(huán)保、清潔及經(jīng)濟等特點，發(fā)展前景非常大。但是光伏發(fā)電也存在一定缺點，如控制困難、顯示采集數(shù)據(jù)分散、電站占地的面積過大等。因此，本文利用成熟技術(shù)，使用Modbus-RTU與Modbus-TCP協(xié)議通信，把多個太陽能發(fā)電站的電壓、電流信號顯示于中心控制屏，可顯示出實時的波形和數(shù)據(jù)，中心控制能夠?qū)崟r讀取數(shù)據(jù)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)能夠便于中心控制室進行控制。

1 系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計的總體方案

系統(tǒng)監(jiān)控主要由現(xiàn)場控制采集數(shù)據(jù)終端、網(wǎng)絡(luò)無線傳輸、管理電站主機3部分組成?？刂撇杉瘮?shù)據(jù)終端的任務(wù)為：檢測電站環(huán)境的參數(shù)和電參數(shù)以及控制電站開關(guān)量。網(wǎng)絡(luò)無線傳輸主要是利用無線的網(wǎng)絡(luò)向中心控制室傳輸數(shù)據(jù)。管理電站的主機主要是進行數(shù)據(jù)的處理與分析，并實時將電站功率、電流、電壓等參數(shù)和電站運行狀態(tài)顯示在中心控制室，從而實現(xiàn)電站營運狀況的可視，方便運維工作人員了解電站工作狀況，利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程對電站實施控制，從而確保太陽能電站正常、可靠的運營[1]。系統(tǒng)監(jiān)控總體的方案如圖1所示。

圖1 電站系統(tǒng)監(jiān)控總體框架

光伏發(fā)電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)控預(yù)期功能如下：

（1）監(jiān)控的功能：實時采集電站環(huán)境的參數(shù)與電參數(shù)并上傳主機；根據(jù)電站運行的情況與中心調(diào)度需求，確定出發(fā)電量；利用控制輸出的開關(guān)量達到控制光伏發(fā)電的退投以及離并網(wǎng)控制。

（2）網(wǎng)絡(luò)無線通信的功能：利用網(wǎng)絡(luò)無線通信技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)進行傳輸，為電站維護與生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)的支撐。

（3）存儲的功能：能夠?qū)⒉杉F(xiàn)場的電流、電壓參數(shù)以及環(huán)境的光照度、溫度參數(shù)存儲于數(shù)據(jù)庫。電流、電壓變化參數(shù)繪制成曲線便于直觀顯示，方便維運人員快速了解電站工作狀態(tài)，提高電站工作的效率和管理的水平[2]。

2 光伏發(fā)電站系統(tǒng)監(jiān)控的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)監(jiān)控中通信協(xié)議的設(shè)計

系統(tǒng)通信的協(xié)議主要有3層。其中下位機選擇的通信為Modbus-RTU 485，液晶屏和服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫之間的通信選擇Modbus-TCP/IP，電站和中心調(diào)度室使用網(wǎng)絡(luò)104連接傳輸。系統(tǒng)監(jiān)控的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控的基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)監(jiān)控使用485多路對各設(shè)備進行檢測及數(shù)據(jù)采集，并將采集得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇M態(tài)MCGS上進行實時顯示，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C，主機對傳輸Modbus通信的協(xié)議進行分析后，再按相關(guān)協(xié)議TCP/IP報文，隨后利用光端機轉(zhuǎn)變成光信號，通過光纜傳輸，最后由遠(yuǎn)端的光端機將傳輸?shù)墓庑盘栟D(zhuǎn)變成電信號，由服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進行接收。服務(wù)器Web具有對數(shù)據(jù)庫進行訪問的權(quán)限，并可以將數(shù)據(jù)通過104進行報文，這樣方便中心調(diào)度室進行相應(yīng)通信傳輸。

下位機使用485端口進行通信，它支持Modbus協(xié)議，其特點具有信息傳輸?shù)乃俣容^快、通信的可靠性較強等。液晶屏MCGS使用協(xié)議Modbus-RTU，支持常用的功能，本文使用Modbus協(xié)議第3條指令，如表1所示。

表1 Modbus協(xié)議

服務(wù)器和液晶屏的通信是依靠以太網(wǎng)與光纖進行傳輸，其通信的協(xié)議為Modbus-TCP/IP，其優(yōu)點是組網(wǎng)比較靈活、信息傳輸?shù)木嚯x長以及可靠性較高等。因為本協(xié)議好用、簡單，在自動化控制上得到廣泛支持和采納，已經(jīng)成為自動控制的標(biāo)配。組態(tài)MCGS軟件能夠進行采集數(shù)據(jù)以及分析存儲，而且還能進行發(fā)送控制命令，實施遠(yuǎn)程的控制[3]。

中心調(diào)度室和電站的通信是通過104進行信息通信。104規(guī)約廣泛用于控制和監(jiān)視，能夠兼容遠(yuǎn)程的設(shè)備實現(xiàn)互相信息傳送。其中104規(guī)約是在101規(guī)約基礎(chǔ)上與TCP/IP結(jié)合而成，其確立了控制域和信息控制APCI?？刂朴虮ＷC了報文不能丟失與信息能夠反復(fù)進行傳送、傳輸報文啟動、傳輸報文停止以及連接傳輸監(jiān)視等控制的指令信息，替換了原串口的通信。它具有支持進行網(wǎng)絡(luò)傳輸、方便信息量的擴大、數(shù)據(jù)流量較大、實時性能較好及可靠性較高等優(yōu)點。因此，當(dāng)前它已成為遠(yuǎn)程電力通信的主要使用協(xié)議。

中心調(diào)度和通信設(shè)備的通信使用服務(wù)器/客戶機模式，也就是控制站就是中心調(diào)度，等同于客戶端。傳輸所使用的協(xié)議為TCP/IP，其端口為2404。

2.2 上位機開發(fā)界面

上位機實際就是PC電腦，和下位機能夠?qū)崟r通信、讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，而且在上位機上能夠顯示實時的數(shù)據(jù)，利用用戶的界面?zhèn)魉涂刂频拿罨蛘邽橄挛粰C進行參數(shù)的配置，具體包括變頻器的參數(shù)設(shè)定、停止逆變器操作及啟動逆變器操作等。其中，參數(shù)設(shè)定有電壓輸入過低閾值、電壓輸入過高閾值、電壓輸出過高閾值及電壓輸出過低閾值等。

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控通過Visual接收各種數(shù)據(jù)，并且利用MYSQL數(shù)據(jù)庫將這些數(shù)據(jù)進行存儲，其他的PC利用以太網(wǎng)和服務(wù)器進行連接，利用瀏覽器IE查詢數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)電站沒人看守或者負(fù)責(zé)人、維修人員等異地就能進行數(shù)據(jù)查看的目的。此外，設(shè)置了網(wǎng)站登錄權(quán)限，不同人員能夠根據(jù)自己的權(quán)限登錄查看、分析電站營運狀況，還能實施遠(yuǎn)程的控制，如設(shè)置參數(shù)和設(shè)備的啟停等。這些控制的指令能夠及時存儲進數(shù)據(jù)庫，方便今后查閱。

在系統(tǒng)運行過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。針對大量的數(shù)據(jù)堆積問題，系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)軟件進行數(shù)據(jù)的優(yōu)化，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分類以及相應(yīng)處理等。對于不同數(shù)據(jù)要用不同的處理，可防止因為數(shù)據(jù)量過大導(dǎo)致電腦死機、運算速度過慢現(xiàn)象[4]。

監(jiān)控的遠(yuǎn)程計算機服務(wù)器Web包括管理系統(tǒng)、管理設(shè)備、分析報表及運行的監(jiān)測等，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)逆變器產(chǎn)生故障時，液晶屏不僅會報警（顯示、發(fā)生、發(fā)光），而且服務(wù)器Web監(jiān)控的軟件能夠使用E-mail和短信自動將故障通報給維修人員，通知的內(nèi)容分為有什么故障、故障產(chǎn)生的時間以及故障現(xiàn)象的描述。短信的接收方與E-mail在管理設(shè)計中，能夠設(shè)置許多短信的號碼與E-mail的地址，這樣能夠提醒眾多相關(guān)人員及時知道出現(xiàn)故障，減少、避免事故的損失。報警系統(tǒng)設(shè)置了報警閥值，如果數(shù)據(jù)超出一點閾值，雖然系統(tǒng)不會報警，但是服務(wù)器Web會向短信或者E-mail發(fā)送出預(yù)警信號，工作人員會根據(jù)情況進行及時處理，避免出現(xiàn)故障，從而達到預(yù)維護和評估故障的目的。

圖3 Web功能圖

此外，服務(wù)器Web監(jiān)控的軟件還具備管理系統(tǒng)的功能，包括管理用戶與管理系統(tǒng)日志，考慮存在數(shù)據(jù)的安全。

2.3 選擇軟件的數(shù)據(jù)庫

本系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫MySQL。MySQL是開放的源代碼數(shù)據(jù)庫，具有價格低、性能好、版本的更新快以及適合各種平臺等優(yōu)點。監(jiān)控的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫MySQL里，考慮數(shù)據(jù)會隨時間不斷增多，存儲的數(shù)據(jù)會越來越多，導(dǎo)致服務(wù)器在進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計時會出現(xiàn)速度變慢的現(xiàn)象。因此，系統(tǒng)使用MCGS軟件進行定時統(tǒng)計，加快了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計速度。這種方法在服務(wù)器的訪問上，速度明顯變快，如果從數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將會造成Web訪問變慢，嚴(yán)重時會出現(xiàn)死機現(xiàn)象[5]。

客戶向服務(wù)器Web發(fā)送請求的信號時，服務(wù)器Web同時向服務(wù)器數(shù)據(jù)庫發(fā)送數(shù)據(jù)的請求，這時服務(wù)器數(shù)據(jù)庫會從子站進行數(shù)據(jù)的調(diào)取，隨后將數(shù)據(jù)進行返回。

3 MCGS的設(shè)計

MCGS是一款具有實用性較強、功能強大的工業(yè)控制組態(tài)的軟件，能夠和其他硬件結(jié)合，利用現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，通過輸出報表、控制流程、處理報警及動畫進行顯示等各種形式，為用戶提供便捷的操控系統(tǒng)。MCGS具有操作靈活、控制簡單、運行狀態(tài)可視的界面，既實用性很強，又性能優(yōu)秀。

本系統(tǒng)所使用的MCGS軟件在操作界面的設(shè)計里，調(diào)用了MCGS軟件中報警的窗口、報表、數(shù)據(jù)、圖形、控件模塊。系統(tǒng)監(jiān)控能夠使用多級界面進行相互切換，系統(tǒng)界面主要有設(shè)置參數(shù)界面、報表界面、報警界面、監(jiān)測數(shù)據(jù)界面、顯示運行界面以及用戶登錄界面等[6]。圖4為MCGS頁面顯示。

圖4 MCGS頁面顯示

圖4中運行的界面是系統(tǒng)監(jiān)控主控界面，可顯示電站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和相關(guān)運行數(shù)據(jù)，并且能夠隨時進行控制界面切換，達到系統(tǒng)監(jiān)控實時顯示設(shè)備的運行情況與報警功能[7]。

4 結(jié) 論

隨著中國光伏發(fā)電行業(yè)的蓬勃發(fā)展，電站系統(tǒng)監(jiān)控的作用也越發(fā)重要。本文所設(shè)計的光伏發(fā)電站系統(tǒng)監(jiān)控可靠性較高、實用性較好，具備良好人機互動功能和附加多元化功能。系統(tǒng)使用組態(tài)MCGS軟件繪制界面，使數(shù)據(jù)表顯示的更清晰、更直觀。系統(tǒng)使用Visual軟件作為服務(wù)器Web，從而實現(xiàn)了功能多元化，使得服務(wù)器Web訪問的速度加快。此外，系統(tǒng)還具備診斷故障、檢測故障以及報警等功能，能夠更好地幫助工作人員處理問題、解決問題，減少發(fā)生事故概率，進而保證光伏發(fā)電站正常運行。