基于ZigBee技術(shù)的光伏陣列監(jiān)測(cè)方案
太陽能(也稱光伏)電站大多是由數(shù)以百計(jì)、千計(jì)的光伏電池板組成的。光伏電站工作的穩(wěn)定性和輸出功率與光伏陣列是相關(guān)的，甚至與每一塊光伏電池板的工作狀 態(tài)相關(guān)。如何對(duì)龐大的光伏陣列進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷是維持光伏電站正常工作的首要問題。目前，光伏陣列的主要問題是熱斑現(xiàn)象。所謂的熱斑現(xiàn)象就是光伏電池板 中部分光伏電池單體由于長(zhǎng)時(shí)間被遮擋，導(dǎo)致其產(chǎn)生的電流小于其他沒被遮擋的光伏電池單體產(chǎn)生的電流，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，這些被遮擋的光伏電池單體會(huì)帶 負(fù)電壓，成為電路中的負(fù)載，并以熱量形式消耗其他正常工作的光伏電池單體產(chǎn)生的功率，這種熱量的長(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)損壞光伏電池板的封裝材料，甚至破壞光伏電池 板的物理結(jié)構(gòu)，并將造成永久損壞。
目前，光伏陣列的監(jiān)測(cè)方法主要有直接法和間接法。直接法是直接測(cè)量每塊電池板的電壓和電流，用總線技術(shù)將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)判斷。該方法存在規(guī)劃布線、預(yù)設(shè)接 口、線路檢測(cè)、線路擴(kuò)容等一系列與傳輸路徑有關(guān)的問題。間接法是通過測(cè)量電池的溫差來判斷電池的工作狀態(tài)。然而此種方法存在一些缺陷，如不能區(qū)分溫度相差 不明顯的狀態(tài)，實(shí)時(shí)性差，故障檢測(cè)的精度和效率取決于檢測(cè)設(shè)備(紅外熱像儀)的等級(jí)，不易實(shí)現(xiàn)在線故障分析和報(bào)警等等。
對(duì)比上述兩種監(jiān)測(cè)方法，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)光伏陣列進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有無可比擬的優(yōu)越性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向三維空間傳送數(shù)據(jù)，中間無需導(dǎo)體介質(zhì)，節(jié)省人力和維 護(hù)費(fèi)。網(wǎng)絡(luò)自組織性和容錯(cuò)性高，易于重新布網(wǎng)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無人為干擾，所獲數(shù)據(jù)資料原始準(zhǔn)確，有利于科學(xué)研究及系統(tǒng)后續(xù)改進(jìn)與優(yōu)化。
該方案基于ZigBee技術(shù)的光伏陣列監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用四信ZigBee設(shè)備組網(wǎng)。
1 項(xiàng)目架構(gòu)實(shí)施方案
1. 1 系統(tǒng)組成
整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)劃分為三層：采集終端層、數(shù)據(jù)傳輸層和應(yīng)用管理層。采集終端層起執(zhí)行者的作用，包含監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)以多跳的形式 傳輸給中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將ZigBee監(jiān)測(cè)區(qū)域子網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)傳輸層。數(shù)據(jù)傳輸層起代理人的作用，負(fù)責(zé)整合采集層上傳的數(shù)據(jù)并發(fā)送至應(yīng)用管 理層。應(yīng)用管理層主要是監(jiān)控中心，起決策者的作用，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析判斷和系統(tǒng)的管理維護(hù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控查詢和預(yù)警。
1.1.1采集終端層設(shè)備
整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)參數(shù)的運(yùn)行狀況，采集終端層設(shè)備就是用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的參數(shù)采集，例如，光伏組件電壓、電流采樣模塊負(fù)責(zé)采樣光伏 組件的電壓電流數(shù)值，判斷光伏組件是否發(fā)生故障，溫度、濕度、光照等傳感器負(fù)責(zé)采樣環(huán)境數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)優(yōu)化和光伏組件調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持，采集終端層設(shè)備采集 到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給四信ZigBee傳輸設(shè)備，或者也可以通過四信ZigBee設(shè)備直接采集系統(tǒng)的模擬量數(shù)據(jù)。
1.1.2 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備
ZigBee數(shù)據(jù)傳輸層用的是四信F8914和F8114設(shè)備，在整個(gè)系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通道的建立，當(dāng)ZigBee設(shè)備從采集終端層接收到數(shù)據(jù)或者 通過ZigBee采集到數(shù)據(jù)后，通過自組建的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)送到應(yīng)用管理層，同時(shí)，應(yīng)用管理層也可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令，從 而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信以達(dá)到遙測(cè)、遙控的目的。
該方案中我們所采用的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備有兩種，一種是只有ZigBee的F8914，還有一種是帶ZigBee+GPRS的F8114，兩者的區(qū) 別在于F8914完全用ZigBee無線網(wǎng)來傳輸，而F8114可先通過ZigBee無線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)使用F8114，然后F8114 再通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端應(yīng)用管理層的監(jiān)控中心。
1.1.3 應(yīng)用管理層
應(yīng)用管理層主要為中心監(jiān)控系統(tǒng)，中心監(jiān)控系統(tǒng)主要由服務(wù)器機(jī)組和平臺(tái)軟件主組成，當(dāng)中心監(jiān)控系統(tǒng)接收到傳輸層發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行各種控制操作，如發(fā)出告警信息、向終端監(jiān)控設(shè)備發(fā)出控制指令等。
1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
根據(jù)應(yīng)用管理層的監(jiān)控中心與現(xiàn)場(chǎng)光伏電池板陣列的距離，我們提出兩種網(wǎng)絡(luò)實(shí)施架構(gòu)，當(dāng)監(jiān)控中心就布設(shè)在光伏電池板陣列附近時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸層采用ZigBee無線直接進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)傳輸接入，整個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)只采用F8914進(jìn)行組建。
如下圖所示：
當(dāng)中心監(jiān)控與光伏電池板陣列的距離較遠(yuǎn)時(shí)，終端數(shù)據(jù)通過ZigBee設(shè)備F8914傳輸?shù)綆PRS的中心節(jié)點(diǎn)F8114上，然后中心節(jié)點(diǎn)F8114將ZigBee數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，然后通過GPRS運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)傳輸?shù)綉?yīng)用管理層的監(jiān)控中心。
組網(wǎng)如下圖：
當(dāng)傳輸層中心節(jié)點(diǎn)F8114通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用管理層的監(jiān)控中心時(shí)，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)有多種網(wǎng)絡(luò)接入方式：
1、 中心采用APN專線，所有終端都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP，客戶中心通過一 條APN專線接入移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，在GGSN與移動(dòng)公司互聯(lián)路由器之間建立 GRE隧道。為客戶分配專用的APN，其他的用戶不得申請(qǐng)?jiān)揂PN。只有該專網(wǎng)內(nèi)的SIM卡才能進(jìn)入該APN，防止其他非法用戶的進(jìn)入。用戶可以內(nèi)部建立 RADIUS服務(wù)器，以保證用戶內(nèi)部安全。用戶在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過認(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。 此種方案無論實(shí)時(shí)性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點(diǎn)比較多、實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下的最 佳組網(wǎng)方式。
2、控制中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的。客戶先與DNS服務(wù)商聯(lián)系開通 動(dòng)態(tài)域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的 費(fèi)用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。
3、控制中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)的。此種方案先向INTERNET運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運(yùn)行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。
1.3 其他組網(wǎng)方式
四信ZigBee設(shè)備不僅可以使用數(shù)據(jù)透明傳輸，同時(shí)支持IO采集，在該方案中，我們也可以使用ZigBee設(shè)備當(dāng)作終端IO采集和數(shù)據(jù)傳輸。四信 ZigBee設(shè)備提供5路IO，3路模擬量輸入、2路數(shù)字量、脈沖輸入輸出。模擬量輸入為電壓量和電流量，電壓的輸入量程為0-5V，電流的輸入量程為 0-20mA，數(shù)字量輸入輸出的量程為0-3.3V，采集精度為12位。
四信ZigBee設(shè)備IO口采集數(shù)據(jù)時(shí)，需要將設(shè)備應(yīng)用模式設(shè)置為AT或者API模式才可以，這種應(yīng)用模式與數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐競(jìng)髂Ｊ絽^(qū)別在于，透?jìng)髂Ｊ?，主?用于數(shù)據(jù)的透?jìng)?，中心發(fā)送的數(shù)據(jù)以廣播的方式發(fā)送，不能指定終端，除非每次修改透?jìng)鞯刂?；AT模式，用于數(shù)據(jù)采集端和接收端監(jiān)控模式，IO采集上報(bào)數(shù)據(jù)以 AT指令形式上報(bào)，同時(shí)AT模式下中心節(jié)點(diǎn)可使用AT+TXA=網(wǎng)絡(luò)地址，數(shù)值來指定發(fā)送給哪個(gè)ZigBee終端；API模式，與AT模式功能是一樣 的，API模式是采用16進(jìn)制數(shù)發(fā)送的，而且發(fā)送的值都有校驗(yàn)碼，異或和檢驗(yàn)。
使用ZigBee設(shè)備IO口采集數(shù)據(jù)時(shí)，將設(shè)備應(yīng)用模式設(shè)置為AT模式下，當(dāng)IO口采集到數(shù)據(jù)時(shí)，有兩種上報(bào)數(shù)據(jù)模式，當(dāng)上報(bào)時(shí)間設(shè)置為非0數(shù)值時(shí)，則為 主動(dòng)上報(bào)，IO口采集的數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置的每幾秒上報(bào)一次；當(dāng)上報(bào)時(shí)間設(shè)置為0時(shí)，則為被動(dòng)上報(bào)，需要上位機(jī)軟件發(fā)送指令A(yù)T+NVn=<網(wǎng)絡(luò)地址& gt; 來查看采集到的數(shù)據(jù)，模擬量采集需要根據(jù)公式換算之后才得到真正的值，
換算公式如下：
電壓 =（采集值）*3.3*20.16/(2047*12.1) (V)
3.3：電壓
20.16：電阻值 //內(nèi)部用了兩個(gè)電阻 12.1（電阻1）+8.06（電阻2）
2047：ADC量程 2的11次方
12.1：電阻1
電流 =（采集值）*3.3*1000/(2047*150) （mA）
3.3：電壓
1000: mA單位轉(zhuǎn)換
2047：ADC量程 2的11次方
150：電阻值
同時(shí)，使用ZigBee設(shè)備IO采集時(shí)，上位機(jī)軟件需要根據(jù)四信的協(xié)議開發(fā)，也就是要根據(jù)說明書上的AT指令格式開發(fā)才可以。
2 方案特點(diǎn)
ZigBee以其靈活、可靠、易于布置等特點(diǎn)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。將其應(yīng)用于光伏陣列監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：
1、無線化，減少光伏陣列監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連線的復(fù)雜度。
2、成本低，ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)單且免收專利費(fèi)。
3、智能化，各ZigBee節(jié)點(diǎn)自動(dòng)搜索建立連接。
4、支持星型，樹型，網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大網(wǎng)絡(luò)連接能力強(qiáng)，可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。
5、傳輸模塊采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，金屬外殼，外接電源DC 12V/500mA；通信電流：<250mA (12V)；工作環(huán)境溫度 -25~+65ºC；儲(chǔ)存溫度 -40~+85ºC；相對(duì)濕度 95%(無凝結(jié))；多重軟硬件看門狗設(shè)計(jì)，適用于油井野外工作。
6、ZigBee終端空曠視距離良好環(huán)境無線通信距離2000米。
7、ZigBee通訊不需要任何費(fèi)，為整個(gè)項(xiàng)目節(jié)省大量的費(fèi)用支出。
8、設(shè)備配置操作簡(jiǎn)單，易懂 ，集成化程度高，技術(shù)成熟，安裝方便。
隨著需求的增長(zhǎng)和技術(shù)的進(jìn)一步成熟，ZigBee在各種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)應(yīng)用中會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用前景。
3 方案總結(jié)
ZigBee無線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采集穩(wěn)定、可靠、方便、實(shí)用。安裝費(fèi)用低廉，維護(hù)簡(jiǎn)單，無優(yōu)升級(jí)，不需要租用公網(wǎng)，也無須巨額運(yùn)行費(fèi)用。這是現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的最優(yōu)解決方案。
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