光伏电站数据采集系统与远程通讯系统

光伏电站数据采集系统与远程通讯系统一、项目简介1、 项目名称：巨力新能源 10MW太阳能光伏屋顶发电项目2、建设单位：中国巨力集团有限公司3、建设规模： 10MWp屋顶光伏发电项目4、项目地址：中国巨力集团5、电站范围：中国巨力集团厂区6、单位屋顶： 8 处二、监控系统说明如图 2.1 所示，光伏综合监控系统具备就地和远程监控功能，监控软件由本地监控与远程监控相结合。本地监控由中央控制器（包括数据采集、控制算法、网关等功能） 、通讯链路、本地显示组成，主要功能是负责本地发电设备数据采集、控制、数据存储、能量调度、通讯等功能。远程监控由广域网通讯链路、路由器、数据库服务器、网络服务器、上位机展示平台组成，主要功能是负责将各个电站数据进行收集，电站状况调查，数据存储、处理、分析，发电经济性分析等等。传统光伏电站监控系统主要由逆变器厂商随设备提供，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， 无法获取电站中的其它设备的信息及控制这些设备， 也无法满足电网调度系统对电站的实时监控要求。 而且该项目将采用不同厂商的设备， 电源厂商自有的监控系统一般对其他厂家的设备兼容性差，容易造成一个个“孤岛”系统，无法形成统一的监控体系。大型光伏电站必须配备自动运行、功能完善的监控系统。这种监控系统不同于传统发电厂监控系统或变电站综合自动化系统， 相对来说， 大型光伏电站内设备种类不及传统电厂丰富， 生产控制流程也不太复杂。 但其典型特点是装机容量大（ 10MW以上） 、占地面积广（ 150 亩以上） ，且地理位置偏僻、维护人员很少，这就要求生产运行、设备监控、环境监测、安保技防等各环节集中统一起来，且能够适应其位置分散、 配置灵活的特点。 基于现场总线设计的大型光伏电站监控系统可以满足这些要求。因此，需要搭建一个统一的本地集中监控中心，该监控中心位于巨力索具园区，能够对不同厂商、不同类别、不同型号的光伏发电电源设备及计量表计、直/ 交流柜及其它电力设备进行统一监控，实现对该项目所包含的光伏电站完整、统一的实时监测和控制。网线 交换机VGA/ 网口转换器通讯网关RS485 网线逆变器VGA VGA TCP/IP,GPRS 传感器数据采集器本地显示屏温度传感器光照传感器风速传感器风向传感器中控大厅大屏幕本地集控中心，电网数据中心，金太阳数据中心RS485 通讯网关RS485 无线 电能表RS485 交直流配电柜RS485 网线其他设备交换机网线监控服务器网线通讯网关无线 AP 网线网线通讯网关通讯网关网线图 2.1 屋顶光伏电站监控系统示意图三、监控系统主要功能3.1 功能介绍该系统可以实现多个层次的监控：光伏电站监控，远程控制、远程诊断、数据上传。电站信息监控：本地光伏发电监控系统实时监控光伏发电站发电量、输出功率、逆变器功率。监控环境温度、风速、光照强度等参数。监控逆变器、温度传感器、 功率质量测量仪等设备状态及设备报警。 提供丰富的 VGA、 LED显示功能、网络远程监控和自定义报表等高级功能。支持工业标准 RS485接口和 MODBUS协议及设备自定义协议。支持多种逆变器、智能电表、温度、光照、风速等设备。本地光伏监控系统通过 TCP/IP 实时上传监控详细数据到在线监控平台。用户通过浏览器实时了解远程电站运行情况， 掌握电站设备详细运行参数， 报警信息等。远程控制、远程诊断：对远程光伏电站监控系统主机的管理，远程登录各采集点本地监控系统网关。 查看工控机实时运行情况， 掌握主机和光电站各设备实时通讯情况，报警信息。数据上传：目前金太阳光伏电站需要将数据上传到鉴衡金太阳数据中心，本光伏监控系统实现通过互联网上传至衡金太阳数据中心功能。图 3.1 监控系统功能模块图远程控制 ,远程诊断远程控制 ,远程诊断无线 AP上传光伏数据. . . 金太阳数据中心30MW 项目 ,17 个数据采集点光伏通讯服务数据库服务器Web 服务器视频服务器远程诊断，远程控制服逆变器直流汇流箱交流柜升压变高压屏继保防逆流1 号通讯网关RS485 逆变器直流汇流箱交流柜升压变高压屏继保防逆流11 号通讯网关RS485 通讯服务模块We b显示模块数据库视频服务模块远程控制，远程诊断模块数据中心光伏数据实时显示电视大屏现场视频实时显示报警数据实时显示通讯状况实时显示运维巡检系统维护Web 浏览远 程 登 录 维Web 用户TCP/IP上传光伏数据3.2 监控范围电站主要数据。包括： 逆变器监控参数： PN, SN, PV 输入电压 , PV 输入电流，交流输出电压，电流，频率，功率，逆变器温度，当天发电量，当年发电量，总发电量，减排和减煤等。环境传感器监控参数：光照，环境温度，风速，风向等多种传感器。智能电表监控参数 ：总功率，总无功功率，总有功发电量，总无功发电量，线电压，相电压，电流，频率，有功功率，无功功率，功率因数，谐波电压，谐波电流等。四、系统结构整个系统分为现场采集系统、 数据传输链路、 本地集控中心、 监控软件平台、异地容灾系统。4.1 现场采集系统逆变器逆变器环境监测仪. . .485通讯网关智能电表光伏配电室厂房楼顶. . .智能电表工业交换机工业无线 AP以太网485厂房 N并网配电室防逆流采集箱图 4.1 现场采集系统通讯示意图每个厂房数据采集层方案如图 4.1 所示，每个厂房的监控设备主要包括位于厂房屋顶环境监测仪（一般一个项目配置一套环境监测仪） ，位于光伏配电室的逆变器和智能电表等设备， 一般采用 485 方式通讯， 并通过防逆流采集箱采集并网配电室的并网功率等，用于防逆流。数据采集层使用通讯网关采集设备数据，通讯网关采用嵌入式 Linux 操作系统，具有功耗低、性能强、长期工作稳定的特点，包括 4 个 485 接口， 2 个以太网口，每个 485 可以采集 31 台设备，完全满足当前数据采集及协议解析需要， 内部集成看门狗功能， 可以有效防止系统崩溃的影响。 通讯网关通过 485 采集逆变器、 智能电表、 智能汇流箱及环境监测仪数据， 并将采集到的数据根据设备协议进行解析， 并保存到实时数据库中， 通讯网关通过工业交换机与位于厂房屋顶的无线 AP进行通讯，并将数据通过无线 WIFI网络上传到监控中心服务器。4.2 数据传输链路图 4.2 数据传输链路示意图注 ：1）上图中 6 号、 14 号、 17 号厂房的“★”代表三射频工业无线 AP EKI-6340-3 。 （详细资料见附带产品资料）2）其它厂房上的无线接入点均采用性价比较高的 EKI-6331AN 产品。 （详见产品资料）4.2.1 无线 AP通讯方案本项目由 8 栋厂房组成， 厂区之间、 厂房之间不能通过厂区局域网进行连接，而厂房之间如果架设光纤成本很高，采用 GPRS或者 3G 每年需要支付大量的流量费用，实时性也不能得到保证。我们在设计通讯方案时充分考虑了这一点，为了最大程度保证系统可靠性、通讯稳定性及降低成本，我们主干通讯网采用先进的无线工业 Mesh 网络。该网络是基于无线 iMESH网络技术的无线以太网产品，在多重跳台，高数据吞吐率，快速漫游，自组网自恢复方面都有优越的性能。该无线网络使用 IEEE802.11n进行通讯， 理论最大传输带宽为 300 兆， 所使用的产品全部支持 MIMO 技术 （ MIMO技术特点将两条无线通路进行捆绑带宽翻倍） ，在主干和需要大带宽的传输路径中可增加带宽保障数据传输的稳定和可靠。因此，采用无线工业 Mesh 网络完全满足光伏监控需要，并且最大程度降低施工风险。此方案要将覆盖区域分成“主干 Mesh网络”及“ AP覆盖”两部分。分区原则根据厂区及厂房的实地情况而定。 初步拟定通过三台高性能的研华户外工业无线 Mesh AP EKI-6340-3 产品组成主干 Mesh 网络（建议组 Mesh网络频率使用5.8GHZ） ，再通过分布在各厂房的接入点的 EKI-6331AN 进行同主干 EKI-6340-3网络进行互联。 （ Mesh网络的特点在无线网络有故障点出现时，无线 AP 会自动选择另一条途径通讯，保证数据传输） 。由于 EKI-6340 系列 AP支持三个射频， 实现在两个射频频组建冗余主干 Mesh网络的同时， 第一个射频进行无线覆盖。 同时， 在实施时采用高增益的扇形天线提高传输距离并保证带宽。每个现场点通过 EKI-6331AN 同骨干 Mesh 网络的EKI-6340-3 进行通讯。4.2.2 无线通讯方案特点1、带宽分析研华无线交换机使用 IEEE802.11n进行通讯，最大传输带宽为 300Mbps，所使用的产品全部支持 MIMO 技术 （ MIMO 技术特点将两条无线通路进行捆绑带宽翻倍） ，在主干和需要大带宽的传输路径中可增加带宽保障数据传输的稳定和可靠。本带宽不但可以满足当前控制数据的通讯需要，也可以满足未来视频通讯需要，具有一定可扩展性。带宽需要看视频部分的码流和视频监控点位情况而定，以每栋厂房顶一个视频摄像头， 每个摄像头 1~2Mbps带宽计算， 预计已知区域的视频带宽总和为 18Mbps~36Mpbs左右。通过研华 Mesh AP EKI-6340 系列产品构建的实际骨干网络带宽可达 200Mbps 以上，可用于数据传输的有效为 100Mbps以上， 因此即便现场具有视频监控的传输需求， 研华工业无线通讯设备仍然可满足通讯需求。2、解决的问题此方案可以解决以下问题：1、 现场覆盖面积广，需要远距离传输问题2、 视频数据传输中需要高带宽的问题3、 户外应用，需要安装方便，并支持宽温和高防护等级等工业特点。4、 稳定可靠的无线产品，保障系统的安全5、 避免传统 AP桥接带宽损耗过多问题6、 光纤布线复杂、成本高的问题3、方案优势1） Mesh 网络： 通过主干组成的 Mesh 网络，进行主干信息的通讯。研华率先在工业无线网络中使用先进的工业 Mesh 技术。在网络中出现故障点时，网络可以通过 Mesh 网络进行自恢复， 研华的工业 Mesh 网络自恢复时间为 20ms。 保证数据通讯的正常稳定。使用 Mesh 网络的特点为方便安装配置，通过 Mesh 网络可以进行跳接传输（非视距传输） ， 大大提高网络的稳定性 （网络可以自愈合） ， 网络架构简单灵活，带宽高。2） MIMO 技术： 即多路输入多路输出（ MIMO）技术，是指在发射端和接收端分别使用两个或多个发射天线和接收天线， 信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的通讯品质，提高抗干扰能力。4、 方案实施说明如上图所示，根据厂区的位置，将无线通讯部分分成“骨干 Mesh网络”及“ AP覆盖节点”两大部分。骨干基站按 4 台预估，但为了尽可能的节约成本，实施时可先按 3 个骨干基站安装并实测，如果实测效果不理想时，再增加第 4台骨干基站的架设即可。实施规划：1）骨干基站的架设与实施如图 4.3 所示的 6 号、 14 号及 17 号厂房均采用骨干基站， 骨干基站为研华 IP67高防护等级宽温型三射频 Mesh AP，型号为 EKI-6340-3。图 4.3 骨干基站及天线安装示意图骨干基站、天线及配件见下表：设备名称 说明 数量EKI-6340-3 三射频基站 1 5.8GHz 23dBi骨干定向天线 用于骨干基站间通讯 2 5.8GHz 14dBi扇形天线用于所有厂房间无线节点的覆盖通讯2 “ 1 分 2”功分器将覆盖所用的 1 个射频接两组天线，增大覆盖角度2 2 米馈线 用于基站与天线连接 8 馈线防雷模块 用于馈线的避雷 6 网线防雷模块 用于网线的避雷 1 2）监控节点基站的架设与实施如图 4.3 所示的 1~5， 7~13， 15~16 及 18 号厂房均采用节点基站，节点基站为研华 IP55防护等级的高性价比无线 AP产品，型号为 EKI-6331AN。EKI-6331AN通过防水胶泥及防水胶带保护后可以直接裸露在户外使用，并且其内部内置了 16dBi 5.8GHz双极化（ MIMO ）天线，可以直接与骨干基站连接，节省了天线及馈线等成本。图 4.4 节点基站及天线安装示意图节点基站、天线及配件见下表：设备名称 说明 数量EKI-6331AN 节点基站 1 5.8GHz 16 dBi定向天线 已内含（在机壳内） 0 网线防雷模块 用于网线的避雷 1 3）基站支架由于厂房房顶不便安装， 因此建议采用如图 4.5 结构的支架对基站进行安装。图 4.5 基站支架示意4.3 本地集控中心图 4.6 监控层通讯方案如图 4.6 所示， 监控层主要包括监控服务器、操作员站和工业交换机。主要包括监控服务器和操作员站， 监控服务器、 操作站及位于光伏监控室楼顶的通讯层的工业无线 AP 通过工业交换机连接，采用以太网通讯。监控服务器通过无线WIFI网络与通讯网关通讯， 采集通讯网关采集到的逆变器、 汇流箱等数据， 并保存实时数据库中，进行逻辑处理，并保存到历史数据库，实现 WEB 发布及数据上传功能。操作员站用于通过与监控服务器通讯，实现人机界面展示与交互。4.4 系统软件平台光伏电站监控中心系统硬件采用监控服务器，能对现场所有设备进行管理。此外，系统具有便利的管理、分析和查询工具，满足如生产报表、设备状态分析和集中监视、实时数据查询、历史趋势分析、故障诊断等需求。使整个监控系统和通讯接口可以方便的转换，安装简易，操作简单，易于安装。中心监控系统由 IO 通讯组件，实时数据库，界面显示组件， WEB 发布组件等组成。 IO 通讯组件用于和光伏并网变流器等监控设备通讯；实时数据库是整以太网Internet 通讯服务器 视频服务器 Web 服务器 数据库服务器无线 AP 电视大屏维护工作站巡检工作站数据中心路由器Web 浏览个软件的核心， 负责数据存储和报警处理； 界面显示是系统与用户的接口， 用于显示和查询数据以及修改现场设备参数， 报表显示和报警提示也都是在界面里进行的。监控计算机采用大容量硬盘， 系统能够长时间存储从光伏发电系统中检测的数据。 系统具有强大的数据分析能力， 例如对发电量进行统计， 换算成等效煤炭消耗， CO2、 SO2减排量等， 还能显示当前发电功率 ,日发电量累计 ,月发电量累计 ,年发电量累计 ,总发电量累计等。另外系统具有 C/S和 B/S 双重结构。采用 C/S 模式，本地客户端能查询服务器数据，进行交互式操作。采用 B/S 模式系统通过 web 发布，客户端不需要安装监控软件，也能实现远程监视（以浏览器通过 Internet 方式） ，在办公室之外通过访问企业的 Web 服务器也能够浏览光伏发电的生产实况。监控系统设有网关隔离，可以防止病毒入侵，造成损失。系统提供了完备的安全保护机制， 以保证生产过程的安全可靠。 用户管理将用户分为操作人员、 工程师、 开发人员等多个级别， 并可根据级别限制对重要工艺参数的修改，以有效避免生产过程中的误操作。4.4.1 监控软件功能模块- 逆变器实时数据采集，存储- 数据库存储数据和文件格式存储数据- 日志输出- 开机自动运行，开机自动设备搜索，自动运行数据采集- 多屏幕自动选择- 设备网络图-Logo 状态图- 面板状态图- 通用状态图- 设备运行状态- 设备详细信息- 输出功率波形- 当天发电量波形- 直流电压波形- 直流电流波形- 光照波形- 温度波形- 逆变器采集详细数据- 电表采集详细数据- 温度采集详细数据-PV 面板温度采集详细数据- 光照采集详细数据- 风速采集详细数据- 风向采集详细数据-LED 自定义显示- 报警信息