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太阳能光伏发电系统的监视和控制技术

摘要：鉴于太阳能光伏发电站的例如分散式布局和大量监视和控制信息的特点，设计出了太阳能光伏发电监视和控制系统。该系统设计了三个层面，即传感器和执行器层，PLC现场监视和控制层，以及远程网络监视和控制层。通过ZigBee无线网络、PROFIBUS和GPRS无线网络，该系统能够使上述三个层面进行快速的信息交换，并且，该系统不仅能够监控发电系统的各种运行参数，而且还能监测天气变化，根据天气变化改变太阳能发电系统的太阳能跟踪策略的方式，从而降低系统的运行能耗。通过PLC中央控制器和上位机的硬件冗余设计，太阳能光伏发电站在运行时变得更加安全可靠。

关键词：光伏发电；监视和控制；无线网络

1. 简介

太阳能光伏（PV）发电利用太阳能电池实现光电转换，并将直流电转换成满足国家电网要求的标准交流电，从而与国家电网进行连接。太阳能光伏发电作为一种新能源，在世界范围内越来越受到人们的青睐，因为它具有无污染、安全、无噪声、资源丰富、安装方便、施工周期短等特点。

光伏发电站可以建造在一个开阔的空间，如沙漠，海边，甚至是建造在屋顶上。发电设备可以以集中分布或多点离散分布的形式进行分布。光伏电站需要监视和控制大量设备，如太阳能电池板、跟踪器等等。在这一点上，光伏电站需要收集和传送大量数据，包括设备运行状态的监视数据，不同执行器的控制数据等。在这个意义上，如何建立符合光伏电站特点的监控体系是至关重要的。本文提出了一个具有传感器和执行器层，PLC现场监视和控制层，以及远程网络监视和控制层的三层光伏发电监视及控制系统。该系统可以提高太阳能光伏电站的安全性及可靠性。

1. 太阳能光伏发电系统的构成

一般来说，太阳能光伏发电系统包括以下部分：

1. 太阳能电池阵列：通过太阳能电池将太阳能转化为电能，并通过电池并联和电池串联的方式来提高电流和电压。
2. 逆变器：将从太阳能电池矩阵产生的直流电转换成标准的交流电，以连接到国家电网。
3. 太阳跟踪装置：可以增加太阳跟踪装置，从而提高发电效率。
4. 储能装置：通过建立储能装置，在没有阳光的情况下，储能装置的能力可以进行供电。通常情况下，用蓄电池作为储能装置。
5. 监视和控制系统：监测和控制整个发电系统的运行情况。

太阳能光伏发电系统可以根据实际情况对系统的结构进行调整。例如，如果太阳能光伏发电系统建立在屋顶上，则不需要太阳跟踪装置；如果不需要储能，则不需要安装储能装置。

1. 太阳能光伏发电监视和控制系统

太阳能光伏发电监视和控制系统需要收集和传送各种数据，监督设备运行状态，调整系统运行参数，为太阳能光伏电站的安全运行作出一部分努力。目前，太阳能光伏发电监视和控制系统缺乏灵活性，具有复杂的电线线路，采用的是简单的控制方法，无法适应各类太阳能光伏电站的管理需求。因此，我们设计了具有三个层面的太阳能发电监视和控制系统。系统结构示意图如图1所示。

如图1所示的太阳能光伏发电监视和控制系统的特点是具有以下功能：

1. 监控外部环境状态。
2. 监测各发电机组太阳能电池的发电状况。
3. 跟踪太阳，控制太阳能电池的方向。
4. 监控所有逆变器的工作状态。
5. 远程控制及远程诊断。
6. 系统的冗余控制。

监视和控制系统具有三个层面：传感器和执行器层，PLC现场监视和控制层，以及远程网络监视和控制层。该系统通过ZigBee无线网络和PROFIBUS使传感器和执行器层与PLC现场监视和控制层进行信息交换，并且，还能使PLC现场监视和控制层与远程网络监视和控制层通过GPRS无线网络进行信息交换。

3.1传感器和执行器层

太阳能光伏发电监视和控制系统的第一层是传感器和执行器层。环境传感器、电站传感器以及执行器通过不同的分支站连接到现场总线。

环境传感器包括温度传感器、风速传感器、亮度传感器、照射传感器等等。这些传感器主要用于收集天气信息，并放置在控制器附近。这些传感器所输出的信号通过Zigbee无线网络或485电缆网络发送到分支站1处。

传统上，太阳能光伏发电站是由许多发电机组组成，每个机组单元配备了许多套太阳能电池和一套太阳跟踪装置（调整太阳能电池的方向，使阳光能够垂直的照射至电池的表面）。由各发电机组输出的信号包括太阳能电池的温度、输出电压、输出电流、电池板的方位角及高度角误差等。所有的这些信号都是由电站的各种类型的传感器进行收集的。输入信号包括太阳跟踪装置的致动器的控制信号。每个发电机组的输入信号和输出信号通过Zigbee无线网络连接到分支站2处（如果电站是大规模的电站的话，则可以构建几个分支站2）。

逆变器是一种直流-交流设备，主要用于将从太阳能电池所产生的直流电转换为交流电。由逆变器转换的电流和电压必须满足国家电网的要求。一般情况下，需要根据电站的功率要求选择逆变器。因此，逆变器可以是单相和多相逆变器。由逆变器输出的数据包括逆变器输入端的直流电压和电流、逆变器输出端的交流电压和电流、日发电量、总发电量、功率因数，以及转换效率等等。逆变器的所有数据都是通过电缆网络发送到分支站3，从而连接到PROFIBUS-DP现场主线。

3.2 PLC现场监视和控制层

太阳能光伏发电监视和控制系统的第二层是PLC现场监视和控制层。这一层具有不同分支站、PLC控制器、操作屏以及GPRS无线传输模块的接入模块。PLC和太阳能光伏发电监视和控制系统的第一层构成PROFIBUS DP网络，从而实现实时和高速通信，完成对发电系统中多个太阳跟踪装置的控制。

目前，P-Net、PROFIBUS、SwiftNet、WorldFIP等现场总线越来越受到人们的欢迎。每一种总线都有自己的特性。它们在许多方面都是不相同的，但是它们的特性可以在IEC61158和IEC61784-1中部分证明。其中，PROFIBUS-DP现场总线已经变得越来越受欢迎，并且具有非常特殊的地位，被定义为速度快、实时响应、开放性和支持冗余的主站。此外，正是这些功能使其成为了可以执行所有自动化任务的“通用”现场总线。

图1 太阳能光伏发电监视和控制系统图

PROFIBUS-DP现场主线不仅是一种新型的自动化系统，而且还具有低带宽底层控制网络。它们直接与现场设备连接。一方面，现场设备可以连接到通信网络中，从而实现不同网段之间的信息共享。另一方面，通过连接，还可以将各种现场操作信息发送到远离现场的控制室，并实现与终端和上层控制系统的连接及信息共享。PROFIBUS-DP现场主线打破了类似控制系统所采用的传统得一对一设备连接模式，实现了控制功能，而无需依赖控制室内的计算机，并且实现了系统的分散控制。

PLC中央处理机（CPU）采用了硬件冗余控制方式，从而保证PLC控制系统的可靠性。当主处理器装置无法正常工作时，备份处理器装置将自动开始运行，并用作控制器。除了成对使用处理器外，还提供定制的热备份模块。它们负责处理器的检查，并将在主处理器无法有效工作之后及时将控制权交给备份处理器。并且一旦主处理器无法正常工作，他们将及时地将控制权交给备用处理器。硬件冗余使用的是具有速度快、系统稳定、切换时间短等特点的光纤通信。

3.3 远程网络监视和控制层

太阳能光伏发电监视和控制系统的第三层是远程网络监视和控制层。在正常工作条件下，GPRS传输模块通过移动电信分组网（GPRS网络）将现场数据传输到数据管理服务器（上位机）中，以监督和控制太阳能发电系统的状态。服务器使用WinCC，西门子组态软件。可以通过工业以太网实现与管理层客户端的网络控制，从而实现太阳能发电控制系统的优化控制、故障诊断、监控和自动控制。

在远程监督与监控室中，以太网连接工业配置控制计算机及客户端监视器。配置控制计算机采用WinCC组态软件，通过组态和编程实现光伏电站控制系统的自动化设计和配置，并且通过数据采集、参数调整以及各种信号报警实现对光伏电站运行状态的监控。系统通过人机界面反映了整个程序的信息，从而对实时动态数据进行处理。

组态控制服务器利用了冗余设计。冗余系统使用了两个服务器连接在一起协同运行，并且这两台服务器在运行时相互监督和控制。所以一旦有一台服务器发生故障，另一台服务器能够及时这个故障状态。当其中一个服务器无法正常工作时，所有客户端都将自动切换到能够正常工作的服务器，以保证所有客户端都可以监控和操作系统。在故障期间，运行正常的服务器将继续记录和记载信息，以及对数据进行处理。当发生故障的服务器重新开始工作时，运行良好的服务器中的这些文档和记录将被自动复制到之前发生故障的服务器中。因此，可以确保服务器具有全面的且连续的数据。

3.4 ZigBee短距离无线网络

太阳能光伏发电系统中有很多机组。每个机组的传感器和执行器都分布得十分广泛。如果这些信号都通过有线网络进行传输，那么控制网络的成本、复杂性以及发生故障的频率都将会增加。从这个意义上说，应该在太阳能光伏发电监视及控制系统的第一层和第二层之间建立短距离的无线传输网络。

在短距离无线网络中，UWB（超宽带）具有较高的传输速率，并且，它的目标是应用多媒体进行传输；蓝牙具有能够用于传输语音和数据的QoS（服务质量）;虽然ZigBee的传输速度相对较低，但是它能够用于监视和控制。ZigBee成本较低，并且能够服务很长一段时间，它已经成为大家普遍认可的一种新型无线技术。

ZigBee是基于在子层802.15.4中的短距离数据通信网络的协议 [3-4]。它是一种双向无线通信技术，具有短距离、复杂度低、功耗低、成本低的特点。它主要用于那些被定义为短距离、低功耗和低传输速率的各种电子设备之间的数据传输，以及用于传输典型的周期性数据、间歇数据和低响应时间数据。

光伏发电机组的传感器数据的收集采用ZigBee技术以建立短距离的内联网。网络采用了丛集树状拓朴结构，其结构图如图2所示，全功能设备（FFD）最后通过智能输入模块和输出模块连接到PROFIBUS。

图2 丛集树状拓朴

3.5 太阳跟踪装置的控制方法

太阳能光伏发电监视和控制系统通过第二层，即PLC现场监视和控制层对多台太阳跟踪装置进行控制。

有好几种跟踪太阳的方法，但是最流行的方法是光电跟踪法和太阳轨道跟踪法（时间跟踪法）[5-6]。光电跟踪法是闭环系统，太阳轨道跟踪法（时间跟踪法）是开环控制系统。

时间跟踪法是根据时间和地理位置找出太阳的位置，然后驱动跟踪装置使其跟随太阳。跟踪装置按照程序定期跟踪太阳，并且，当使用时间跟踪法时，控制系统不区分天气条件。由于每次机械操作的微小误差都会导致太阳能跟踪系统长时间的累积误差，因此太阳能电池板的表面将会偏离太阳。光电跟踪法是基于感光装置来检测太阳的位置，然后驱动跟踪装置使其跟随太阳。当采用光电跟踪法时，需要面临天气变化的挑战。光电跟踪法将会导致很大的误差，或者在非晴天得天气情况下无法工作。

太阳能光伏发电监视和控制系统可以根据天气条件选择太阳跟踪方法，也就是说，新型的太阳跟踪系统将光电跟踪法与时间跟踪法结合起来了。这一新型系统可以通过传感器监测太阳光照和风速情况，以便将天气变化信息发送到PLC控制系统。控制系统将会对收到的数据进行分析，并将收到的数据与预设数据进行比较，得出天气是“晴朗”、“多云”、“大风”、“微风”、“黎明”、“黄昏”等结论。基于这些结论，可以选择不同的跟踪模型。例如，“晴朗”采用光电跟踪方式，“多云”则采用时间跟踪方式或放弃跟踪太阳。

1. 结论

该太阳能光伏发电监视和控制系统被设计为具有传感器和执行器层，PLC现场监视和控制层，以及远程网络监视和控制层这三个层面。该系统通过ZigBee无线网络和PROFIBUS使传感器和执行器层和PLC现场监控层进行信息交换，该系统还通过GPRS无线网络使PLC现场监视和控制层与远程网络监视和控制层进行信息交换。该系统能够灵活设置，适应各种地理条件、气象条件及发电规模的变化，并且，该系统可以对光伏电站进行现场和远程监控，从而确保了光伏发电系统的安全运行。

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