專利名稱：一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信技術，具體地說明了一種基于WIA工業無線網絡的對光伏電站的運轉進行實時監測和控制的通信系統。
背景技術：
光伏發電是根據光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽能直接轉化為電能，目前光伏電站的主要組成部分包括:太陽能電池組，匯流箱，逆變器，變壓器等設備。該系統需要監測的主要數據有太陽能電池組的實時角度，匯流箱輸入輸出的直流電流電壓值，逆變器的電流、電壓、功率、發電量、開關量、告警量等參數。由于帶有跟蹤系統的太陽能電池組會比固定安裝的太陽能電池組提高10%到30%的發電量，因此原有光伏電站的跟蹤系統還需要使用PLC模塊對太陽能電池組的角度進行控制。對于這些需要采集和控制的數據，目前主要采用有線連接方式。無論使用RS485接口還是以太網，都需要針對每一個太陽能電池組、匯流箱、跟蹤支架等設備進行有線連接，直至連接到控制室的上位機。由于光伏電站的場地面積較大，如果按照現有方式采取有線方式監控，則系統的布線復雜，還需要額外增加PLC等控制設備，且對PLC無法做到實時監控，設備的布局都將受到限制，不僅增加建設和維護的成本，且可擴展性較差。

發明內容
為了克服現有技術的不足，降低光伏電站的建設和維護成本，提高整體布局的靈活性，方便用戶的管理，本發明的目的在于為光伏電站提供一種基于WIA工業無線網絡的監控系統，該系統能完全取代現有的有線連接系統，完成對設備的數據采集，太陽能電池組的追日控制，電站的日常管理等功能。本發明為實現上述目的所采用的技術方案是:一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統，包括上位機，布局于監控室中，為用戶提供監控系統的人機交互界面，與通過以太網與無線網關連接，用于對光伏設備的監控；無線網關設備，完成與無線節點設備之間的數據和控制命令交換，為上位機提供查詢和控制接口；無線節點設備，分散布局于每個被監控的的太陽能電池組跟蹤支架和光伏匯流箱處，采集太陽能電池組和光伏匯流箱的數據。所述上位機通過以太網與無線網關設備連接，使用MODBUS TCP協議進行通信。所述無線節點設備與無線網關設備采用基于WIA工業無線網絡進行通信。所述無線節點設備與太陽能電池組跟蹤支架的電機相連，依據內置太陽跟蹤算法，實時改變電池組的角度，實時將太陽能電池組的當前角度，通過無線網關上報到上位機中。所述無線節點設備與光伏匯流箱通過RS485接口連接，使用MODBUS RTU協議進行通信，完成數據采集。所述無線節點設備采用光伏匯流箱內部提供的電源，無線節點設備的天線置于光伏匯流箱內。所述無線節點設備采集太陽能電池組和光伏匯流箱的數據的方式包括自動模式、手動模式和緊急模式，可隨時進行采集方式的切換。所述自動模式為:無線節點設備將從無線網關獲取每天的日出日落時間等信息，實時計算某一個時刻太陽能電池組的最佳受日照角度，控制跟蹤支架分時段、分季節不間斷的自動跟蹤控制，以達到提聞發電效率的目的。所述手動模式為:太陽能電池組跟蹤支架按照上位機的控制命令進行動作。所述緊急模式為:在用戶獲得惡劣氣象報警的特殊情況下，通過管理員對上位機的操作，控制全部太陽能電池組調整到安全的角度位置。本發明提出的基于WIA工業無線網絡的光伏電站監控系統，是在充分考慮光伏電站結構特點的前提下提出的，具有布局簡單，維護方便，實時性好等優點，具體表現在:1.整個光伏電站監控系統采用WIA工業無線網絡布局，提高了系統的靈活性，降低了管理和維護的難度，無線節點安裝完畢后，即可自動入網，接受網關的統一管理，無需人為干預，這極大的提高了監控系統的可擴展性；2.以無線節點取代PLC，完成對太陽能電池組跟蹤系統的監控，可省去復雜的控制連線，降低實施難度，節約成本。另外，無線網關可統一管理每個無線節點，從而減低管理難度，提高控制系統的工作效率；3.無線節點可以和匯流箱設備實現一體化設計，省去匯流箱額外的控制設備和連線，既方便了用戶對匯流箱各輸入輸出參數的監測，又提高了匯流箱布局的靈活性；4.WIA工業無線網絡的單跳通訊距離可達一公里以上，加之無線節點都具備轉發功能，整個無線系統的覆蓋面積可以不受場地的限制，這非常適合于光伏電站的場地面積大的特點；5.無線網關和節點都支持MODBUS協議，可以方便的與匯流箱、逆變器、上位機實現連接及通信功能。


圖1為原有光伏電站結構的示意圖；圖2為應用了 WIA工業無線網的光伏電站結構示意圖；圖3為太陽能電池組跟蹤控制流程圖；圖4為光伏匯流箱監測流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。光伏電站是利用太陽能電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發電系統，有獨立運行和并網運行兩種方式。并網光伏電站是指將光伏系統連接到國家電網成為電網的補充，并向電網輸送光伏電力的太陽能發電系統。具體見圖1o
WIA工業無線網絡技術是由中國科學院沈陽自動化研究所推出的具有自主知識產權的高可靠、超低功耗的智能多跳無線傳感器網絡技術，該技術提供一種自組織、自治愈的智能Mesh網絡路由機制，能夠針對應用條件和環境的動態變化，保持網絡性能的高可靠性和強穩定性。光伏電站監控系統是將光伏電站的逆變器、匯流箱、電池組等設備通過數據線連接起來，用光伏電站數據采集器對這些設備進行數據采集，并上傳到網絡服務器或本地電腦，使用戶可以實時查看相關數據，方便電站管理人員和用戶對光伏電站的運行數據查看和管理的監控系統。本發明所設計的基于工業無線網的光伏電站監控系統的結構如圖2。本發明中涉及到的物理設備如下:上位機:上位機是用戶、管理者與工業無線網絡交互的平臺。無線網關:提供上位機和工業無線網絡的接口，提供工業無線網絡與其它網絡的接口，也可提供其它網絡與工業無線網絡的接口設備。無線節點:是將傳感器或執行器接入工業無線網絡的設備。本發明的具體實施方式
是:1、無線節點對太陽能電池組的監控:據統計，充分利用太陽能跟蹤系統，可使太陽能電池的輸出功率提高10-30%，甚至能夠達到42%左右。本發明以單軸跟蹤系統為例進行說明，單軸跟蹤系統即為自東向西跟蹤太陽。無線節點與每組太陽能電池組的跟蹤支架控制電機部分相連接。無線節點內置跟蹤控制軟件具備多種運行模式:自動模式、手動模式、緊急模式。模式的切換由管理員通過上位機組態軟件發送命令，經過無線網關下發到無線節點設備。自動模式:控制算法由無線節點內置的軟件實現:為獲得最大的發電效率，根據光伏電站所在地的經緯度和每天的日出日落時間等參數，實時計算電池組接受太陽光照的最佳角度，控制電機驅動電池組轉動到該角度，并實時將該太陽能電池組的角度等參數上報給無線網關設備。系統中每個跟蹤支架都與一個無線節點相連，無線節點上電后即對電池組角度進行自動調零，隨后進入自動模式，控制跟蹤支架的伸縮，進而控制太陽能電池組的角度。同時，無線節點開始自動加入無線網絡。入網后，實時上報電池組當前角度。無線節點支持不同模式的切換，并執行相應的角度調節和上報告警信息。手動模式:太陽能電池組跟蹤支架可以按照控制室上位機軟件的控制命令進行動作，特別適用于對故障支架的維修調試及太陽能電池組表面的清潔。緊急模式:在用戶獲得惡劣氣象報警的特殊情況下，比如大風、大雪、冰雹等情況下，控制室能夠通過管理員對上位機軟件的操作，控制全部太陽能電池組調整到最安全的角度位置，以減輕惡劣氣侯給系統帶來的損害。在每個模式下，無線節點都會實時的將太陽能電池組的當前角度，通過無線網關上報到控制室上位機組態軟件，使管理員及時掌握電池組的運行姿態。對于新增的電池組安裝無線節點，上電后無線節點可自動入網，接收網關及控制室上位機軟件的監控，無需人為的干預。該類型無線節點的功能描述如下:時間設定和維護功能:接收網關的時間和日期設置命令，校準本地時間，周期更新本地時間。保存無線節點設備本次啟動的結束時間，作為該設備下次啟動的開始時間。參數設置功能:接收網關下發的每天日出日落時間參數的設置命令，并保存參數。保存最新的日出日落時間參數值，作為該設備下次啟動的初始參數值。模式選擇功能:接收網關的選擇模式命令，并將模式參量修改為更新后的模式。保存最新的控制模式，作為網關下次啟動的初始模式。自動控制功能:通過跟蹤控制算法，實時計算跟蹤支架長度，控制電機轉動，是電池電池組到達最佳受日照角度。手動控制功能:根據網關下發的手動控制指令指示的電機位置，修改電機位置參量。執行控制功能:根據計算或手動控制得到的電機位置和電機當前所在位置，計算出電機的轉動方向和轉數，控制電機啟動和方向。接收電機返回的中位、上限位、下限位、脈沖輸入，記錄電機轉動的圈數，判斷電機的停止。無線節點對太陽能電池組的監控工作流程如圖3所示。2、無線節點對匯流箱的監測:在光伏發電系統中，數量龐大的光伏電池組件進行串并組合達到需要的電壓電流值，以使發電效率達到最佳。匯流箱的主要作用就是對光伏電池陣列的輸入進行一級匯流，用于減少光電池陣列接入到逆變器的連線，優化系統結構，提高可靠性和可維護性。為了實時掌握匯流箱各路輸入的電流電壓等參數，了解匯流箱的工作狀態，作為監控系統的一部分，無線節點通過RS485接口，與光伏匯流箱進行連接，無線節點內置軟件支持MODBUS RTU協議，通過該通用協議與匯流箱進行通信，讀取匯流箱內部的寄存器，從而獲取各輸入的電流值，并將參數上報至無線網關。無線節點對匯流箱的監測流程如圖4所示；3、無線網關的功能實現:無線網絡的管理和維護:管理在網節點和新加入的節點，與各節點進行數據和命令的交換。時間的設定和維護功能模塊:接收上位機的時間和日期設置命令，校準本地時間，并通過無線網絡校準在網無線節點設備。周期更新本地時間，保存網關本次啟動的結束時間，作為該網關下次啟動的開始時間。參數計算和設置功能:計算當天的日出日落時間，并保存參數，并通過無線網絡設置在網節點設備。保存最新的日出日落時間參數值，作為網關下次啟動的初始參數值。模式選擇功能:接收上位機的選擇模式命令，記錄更新后的模式，并通過無線網絡設置在網節點設備的控制模式。保存最新的控制模式，作為網關下次啟動的初始模式。手動控制指令傳輸功能:接收控制臺的手動控制指令，判斷當前網絡是否為手動控制模式，若當前網絡為自動控制模式，則返回錯誤；若當前為手動控制模式，則通過無線網絡將控制指令發送到手動控制的指定節點。4、無線網關和上位機的通信:上位機使用組態軟件編寫監控系統用戶界面，為管理人員提供太陽能電池組的運行模式，運行狀態，匯流箱的參數，逆變器參數、變壓器參數、電站發電量、運行時間等參數；上位機使用WIA控制臺軟件對無線網關和無線節點進行配置。上位機通過監控組態軟件和無線網關進行實時數據的交換。上位機和無線網關使用以太網進行物理連接，組態軟件與無線網關通過MODBUSTCP協議實現通信，由組態軟件發送查詢和控制命令，完成對無線網關的數據采集，以及對無線節點設備的控制。
權利要求
1.一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統，其特征在于，包括 上位機，布局于監控室中，為用戶提供監控系統的人機交互界面，與通過以太網與無線網關連接，用于對光伏設備的監控； 無線網關設備，完成與無線節點設備之間的數據和控制命令交換，為上位機提供查詢和控制接口； 無線節點設備，分散布局于每個被監控的的太陽能電池組跟蹤支架和光伏匯流箱處，采集太陽能電池組和光伏匯流箱的數據。
2.根據權利要求1所述的一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統，其特征在于，所述上位機通過以太網與無線網關設備連接，使用MODBUS TCP協議進行通信。
3.根據權利要求1所述的一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統，其特征在于，所述無線節點設備與無線網關設備采用基于WIA工業無線網絡進行通信。
4.根據權利要求1所述的一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統，其特征在于，所述無線節點設備與太陽能電池組跟蹤支架的電機相連，依據內置太陽跟蹤算法，實時改變電池組的角度，實時將太陽能電池組的當前角度，通過無線網關上報到上位機中。
5.根據權利要求1所述的一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統，其特征在于，所述無線節點設備與光伏匯流箱通過RS485接口連接，使用M0DBUSRTU協議進行通信，完成數據采集。
6.根據權利要求5所述的一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統，其特征在于，所述無線節點設備采用光伏匯流箱內部提供的電源，無線節點設備的天線置于光伏匯流箱內。
7.根據權利要求1所述的一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統，其特征在于，所述無線節點設備采集太陽能電池組和光伏匯流箱的數據的方式包括自動模式、手動模式和緊急模式，可隨時進行采集方式的切換。
8.根據權利要求7所述的一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統，其特征在于，所述自動模式為:無線節點設備將從無線網關獲取每天的日出日落時間等信息，實時計算某一個時刻太陽能電池組的最佳受日照角度，控制跟蹤支架分時段、分季節不間斷的自動跟蹤控制，以達到提聞發電效率的目的。
9.根據權利要求7所述的一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統，其特征在于，所述手動模式為:太陽能電池組跟蹤支架按照上位機的控制命令進行動作。
10.根據權利要求7所述的一種基于工業無線網絡的光伏電站監控系統，其特征在于，所述緊急模式為:在用戶獲得惡劣氣象報警的特殊情況下，通過管理員對上位機的操作，控制全部太陽能電池組調整到安全的角度位置。
全文摘要
本發明涉及無線通信技術，具體地說明了一種基于WIA工業無線網絡的對光伏電站的運轉進行實時監測和控制的通信系統。本發明包括上位機，布局于監控室中，為用戶提供監控系統的人機交互界面，與通過以太網與無線網關連接，用于對光伏設備的監控；無線網關設備，完成與無線節點設備之間的數據和控制命令交換，為上位機提供查詢和控制接口；無線節點設備，分散布局于每個被監控的的太陽能電池組跟蹤支架和光伏匯流箱處，采集太陽能電池組和光伏匯流箱的數據。本發明能完全取代現有的有線連接系統，完成對設備的數據采集，太陽能電池組的追日控制，電站的日常管理等功能。降低光伏電站的建設和維護成本，提高整體布局的靈活性，方便用戶的管理。
文檔編號G05B19/418GK103197613SQ20121000477
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者肖金超, 張瓊, 鄭軍, 楊帆, 曾鵬, 于海斌 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所