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1、华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第33卷 第5期Journal of South China university of TechnologyVol.33No.52005年5月(Natural Science Edition)May2005文章编号:1000-565X(2005)05-0043-05 收稿日期:2004-05-263 基金项目:中国科学院1998年光电转换及功能材料“百人计划”资助项目 作者简介:舒杰(1970-)男,硕士,工程师,现任职于中国科学院广州能源研究所,主要从事太阳能光伏发电的理论与技术方面的研究.E2mail:光伏系统的远程监控技术与实现3舒
2、杰1 彭 宏1 沈 辉2 邓幼俊3(1.华南理工大学 计算机科学与工程学院,广东 广州510640;2.中国科学院 广州能源研究所,广东 广州510640;3.中山大学 纳米技术中心,广东 广州510275)摘 要:总结了几种应用在光伏系统中具有普遍实用性的远程监控技术方案,并给出了它们的实现原理.在此基础上开发了基于485总线和Internet网络技术的光伏远程监控系统,实现了对光伏系统运行状态的远程实时监控.该监控系统由监控终端、主控机及异地机系统组成,通过网关服务器软件和Internet网络实现远程监控.系统运行结果表明该方案是可行的.关键词:光伏系统;远程监控;WebChipT M;通
3、信协议中图分类号:T M 614 文献标识码:A 远程监控技术广泛应用于工业控制、城市交通调度管制、电力系统、军事、远洋、航天等领域.近年来,随着太阳能光伏发电技术不断成熟与普及,太阳能光伏发电正在逐步由特殊应用转向民用、由辅助能源向基础能源过渡,尤其是光伏并网系统的出现,使太阳能光伏发电的应用前景更加光明.世界能源危机的提前到来,推动光伏发电在发达国家开始大规模使用.太阳能光伏电站系统运行状态的实时监控,如对光伏系统进行状态监控、故障检测、数据采集、能源调度与分配等1 也越显重要.目前,全世界的光伏系统装机容量已经超过2.0 G W,到2010年将超过15 G W2.光伏(电站)系统的运行一
4、般都是在无人值守的情况下进行的,要对地域上广泛分散的光伏系统进行监测维护是十分困难、繁琐的,需要大量的人力、物力.采用远程监控技术对光伏发电系统进行实时监控,其意义在于:(1)可对光伏系统的运行状况进行实时监测与控制.因为光伏系统大都建立在无人值守的偏远地区,或者人们很难做到经常保持监测维护、不可能对系统的运行状况做到实时监控的地方;另外很多相对比较集中的应用系统(如光伏电站、光伏水泵等)也需要集中监控.远程监控技术可以减少人为干扰、节省人力、降低维护费用等,实现智能监测与控制.(2)对光伏系统的实时监测,可以获得原始测量数据,为系统的改进与优化、科学研究提供有用数据.远程监控由于没有人为干预
5、因素,所获得的数据资料是最原始、最准确的,同时也是最方便和快捷的方式.今后,太阳能光伏建筑一体化,光伏并网系统是太阳能光伏发电的最终发展趋势2.可以预料,要将地域上广泛的、分散的太阳能光伏并网系统联系起来,构成一个安全的、智能化的、绿色能源调度管理大系统,研究光伏系统远程监控技术具有十分重要的意义.1 光伏系统中的远程监控技术目前,光伏系统中的远程监控技术从通讯方式的物理实现来讲分为有线远程监控与无线远程监控两种.有线远程监控主要是通过通讯总线实现远距离信号传输,实时性好,但距离有限,即使是通过线路中继器距离也不能太远,尤其是系统安装在偏远地区,采用有线远程监控是无法实现的.无线远程监控则不受
6、地域与距离的限制,特别是在偏远地区具有特别重要的意义.目前应用比较多的有线远程监控技术包括:(1)采用工业总线,如485总线、CAN总线等来实现下位机(DSP、单片机、工控机等)与监控主PC机间的通讯;(2)采用调制解调器(Modem)通过公用电话网来实现;(3)利用互联网(Internet)与前两种方式相结合来实现,这种方式的适用范围更广、距离更长.图1所示是一个采用485工业总线及Internet实现的太阳能光伏发电有线远程监控系统,485总线可以实现多个本地光伏系统的联网监控,然后通过转换接口与本地入网计算机连接,再通过Internet实现异地监控.图2所示是一个通过公用电话网和Mode
7、m实现的有线远程监控系统,它借助公用电话网,通过Modem的链接实现点对点有线远程监控3.图1 基于485总线与互联网的有线远程监控系统Fig.1Remote monitor and control system based on 485 busand Internet图2 基于公用电话网和Modem的有线远程监控系统Fig.2Remote monitor and control system based on modem andthe public telephone net work 无线远程监控技术主要借助于微波站或人造卫星的中继传输技术,如利用移动通讯基站上专用的通讯信号频段进行传输(
8、见图3),目前我国西部很多移动基站上的太阳能光伏电站就是以此方式实现远程监控的;基于GS M/GPRS无线移动通讯网络的远程监控系统,它通过申请移动通讯GS M/GPRS的数据通讯业务、或S MS(ShortMessage Service)短信息业务等实现远程监控,图4所示是基于GS M/GPRS无线通讯网络的光伏电站监控系统.随着移动通讯3G技术的不断成熟与应用,无线远程监控还可以实现声频、视频数据的海量传输.在非偏僻地区但不便布线且有Internet覆盖的地方,主要采用Modem与Internet结合实现远程监控.图3 基于移动基站通讯信号频道的远程监控系统Fig.3Remotemonit
9、or and control system based onmobile basestation and Internet图4 基于GS M/GPRS网络的远程监控系统Fig.4Remote monitor and control system based on GS M/GPRS network 随着IT信息技术的发展,三网(互联网、通信网、有线电视网)合一技术的实现,通过三网合一技术实现远程监控会十分方便、快捷,这也是太阳能光伏电站远程监控技术今后的发展趋势.2 应用实例2.1 光伏远程监控系统根据光伏系统的实际需要,作者根据图1所示原理开发了一个基于485总线和Internet的光伏远程
10、监控系统(见图5).它是一个基于网关服务器的设备网络接入方案,其原理见图6.系统采用了P&SDataCom Corp公司的网络通信控制器(WebChipT M)实现通信.测控终端与本地主控微机间通过485总线实现通信,测控终端中的WebChipT M与网关服务器(WebChipT MmBedded Server)间通过MCuuapT M协议实现通信.MCu应用系统与WebChipT M通过MCu2NetT M协议通讯.图5所示系统由监控终端、主控微机及监控系统软件、网关软件、通信接口组成.监控终端可以嵌入到光伏系统的功率调节系统中.通过WebChipT M的PS2000A芯片及底层网关服务器软
11、件实现与本地主控机系统通讯.异地机系统通过Inter244华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第33卷net建立与本地机(IP地址)的联系,再由本地机上的网关服务器与监控终端系统建立通信链接.整个系统可通过主控机对负载运行实现远程开关控制.图5 基于485总线和Internet的光伏远程监控系统Fig.5Remote monitor and control system for photovoltaic sys2tem based on 485 bus and Internet图6 基于网关服务器的设备网络接入方案Fig.6Solution of network device
12、interface based on gatewayserver 系统已经运行了10个月,采集了包括电压、电流、累积发电量、日产电量、瞬时功率、温度在内的数据,数据记录每隔5min(间隔可修改)保存一次,每条记录都对应有日志,可查看每条记录的采集时间.2.2 通信协议网络控制器WebChipT M使用MCuNetT M和MCu2uapT M协议通过Internet实现对下位机采集系统的直接控制.WebChipT M(如PS200A)与MCu之间的通信基于MCuNetT M1.0协议.该协议是一个比uDP更简单的网络协议,它从4个方面定义了MCuNetT M与MCu之间的通信方法4,5.WebC
13、hipT M的PS200A芯片与网关服务器间的通信基于MCuuapT M1.0协议,可将WebChipT M中的设备属性表映射到WebChipT MmBedded Server.MCuuapT M1.0协议支持RS232、RS485、Modem 3种物理层通信接口.WebChipT MmBedded Server是符合OSGI标准的网关服务器,具有低成本、易开发使用、基于Java技术、可跨OS平台运行以及可嵌入式特点.其运行的平台可以是PC机,也可以是STB、DSL MODEM、CABLE MODEM、WEB PHONE和移动电话.它除了在设备与网络间担当协议转换任务外,还具有完善的设备管理、
14、客户管理和监视功能5.2.3 上位机系统软件上位机系统软件是一个远程控制的客户端应用软件,其开发工具是Delphi6.0.该软件能实现底层通信、实时数据显示、数据库管理和逻辑控制输出等功能.该软件通过底层通信模块,可每2 s从下位机获得一次实测数据,如电压、电流、瞬时功率、温度等实时量,并能描绘出相应的实时曲线,每条实测数据记录都对应了记录日志,方便查询分析;也可以设定每隔一定时间(如5min)从下位机获得实测数据存入数据库;数据库管理包括排序、查询、数据导出等.图7(a)为作者开发的上位机主监控系统界面,图7(b)显示通过主控机上传得到的监控终端测量、控制数据.监控终端的存储芯片可以保存半个
15、月的测量数据,可根据需要定期上传,平时系统处于实时监控状态(每2 s读一次,一次一条记录,16B).记录字段包括年月日、时分秒、太阳能辐射量、日累积发电量、总累积产电量、充电电压、充电电流、环境温度、湿度、控制状态,如2003年07月11日、12时55分36秒、太阳能辐射880W/m2、日累积发电量168Wh、总累积产电量11.9 kWh、充电电压14 V、充电电流3.56 A、环境温度25、湿度64%.通过数据处理,可以绘制曲线,对光伏系统效率、性能作统计分析,输出控制.3 结语本文结合计算机技术和现代控制技术总结了几种远程监控技术的实施方案,针对国内外光伏(电站)系统的特点,开发了适用于光
16、伏系统的远程监控应用系统,对太阳能光伏电站系统实施远程监控具有普适性.今后,太阳能光伏发电技术的发展必将向光伏建筑一体化、家用并网电站系统方向发展,这种趋势为我们提出了新的技术难题:如何对并网型、独立型及其它分散的光伏电站系统运行状况进行实时监控,并及时对光伏系统可能出现的故障作出应急处理;如何实现分散式能源系统的集中调度管理与智54 第5期舒 杰 等:光伏系统的远程监控技术与实现图7 上位机主测控系统界面Fig.7Main controlling and operating interface for upper PC能监控.太阳能光伏系统远程监控技术正处于发展与应用的初期,远程监控技术能实
17、现将分散式的能源系统进行集中调度管理与智能监控.因此,研究将远程监控技术应用于具有广阔发展前景的太阳能光伏发电系统,构建一个安全的、智能化的、绿色能源调度管理系统具有十分重要的意义.参考文献:1 王达.计算机网络远程控制M.北京:清华大学出版社,2003.2 赵玉文.太阳能光伏发电在21世纪的战略地位R.北京,2004-02-19.3 阳宪惠.现场总线技术及其应用M.北京:清华大学出版社,2000.4P&SDataCom.A net work communication controller datasheet EB/OL.http:/,2004-05-10.5 黎明,尤蓉.单片网络通信控制器
18、WebChipT M的原理与应用J.力源电子工程,2002(1):2-6.Li Ming,You Rong.WebChipT Mcontroller applicationJ.P&S Electronics Engineering,2002(1):2-6.64华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第33卷RemoteMonitor and Control Technology and Its I mplementationfor Photovoltaic SystemsShu Jie1Peng Hong1Shen Hui2Deng You2jun3(1.College of Co
19、mputer Science and Engineering,South China univ.of Tech.,Guangzhou 510640,Guangdong,China;2.Guangzhou Institute of Energy Conversion,the Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,Guangdong,China,3.The Center forNano Technology Research,Sun Yat2Sen univ.,Guangzhou 510275,Guangdong,China)Abstract:S
20、everal remote monitor and control schemes with wide applicability in photovoltaic systems are summa2rized,meanwhile their practical principles are given.On this basis,a practical remote monitor and control systemapplied to photovoltaic systems based on 485 bus and Internet technology is developed,wh
21、ich can timely monitorthe operating states of the systems.The system includes terminal adapter,main computer and remote monitoringand controlling computers,which realized remote monitor and control by gateway server software and Internet net2work.The running results of the system show that the schem
22、e is feasible.Key words:photovoltaic system;remote monitor and control;WebChipT M;communication protocol(上接第25页)5Suh S H,Jih W S,Hong H D,et al.Sculptured surfacemachining of spiral bevel gearswith CNC milling J.In2ternational Journal of Machine Tools&Manufacture,2001,41(6):833-850.6SfakiotakisV G,V
23、aitsis J P,Anifanis N K.Numerical si2mulation of conjugata spur gear action J.Computer andStructure,2001,79(12):1153-1160.7Biing2Wen Bair.Computerized tooth profile generation ofelliptical gearsmanufactured by shaper cutters J.Jour2nal of Materials Processing Technology,2002,122(2-3):139-147.8Litvin
24、 F L,De DonnoM,PengA,et al.Integrated compu2ter program for si mulation of meshing and contact of geardrives J.ComputerMethods in AppliedMechanics andEngineering,2000,181(1-3):71-85.Softwae Development for Form Grinding of Gear D iesZhou Yu2shanShaoM ingM in Hao2nian(College ofMechanical Engineering
25、,South China univ.of Tech.,Guangzhou 510640,Guangdong,China)Abstract:In order to improve the accuracy of powdermetallurgy gears,a numerical simulation method to calculatethe profiles of grinding wheels for CNC(Computerized Numerical Control)was put forward,and the software forthe profile calculation
26、 and machining of the grinding wheels was developed.A tooth2grinding experiment was thenperfor med.The experimental results indicate that the proposed method is of simplicity and rational data construc2tion,which can be used to calculate any kind of gear shape.The developed software can be used to c
27、alculate theprofiles of grindingwheelswith any shape,such as spur gears and helical gears,to analyze the grinding error to op2timize the grinding parameters,and to create the wheel2dressing program and the gear2grinding program.The re2sults of grinding experi ment also show that the proposed soft ware is feasible and precise enough to meet the require2ments in the for m grinding of gear dies.Key words:gear dies;form grinding;numerical control;software74 第5期舒 杰 等:光伏系统的远程监控技术与实现