基于太阳自动跟踪的独立光伏发电系统，设计了一种基于无线网络传输的光伏发电站监控系统，结合计算机技术及应用DSP芯片，同时借助GSM/GPRS 移动无线通讯网络实现数据的远程监控，通过 Zigbee协调器模块接口向系统中其它设备报告。
【关键词】自动跟踪 无线网络 数据采集
1 自动跟踪式光伏发电系统及监控通讯技术
在光伏发电系统设计中保证太阳能电池板充分吸收太阳辐射的能量是提高太阳能发电效率的有效方式之一，实现的方法是设计自动跟踪式太阳能光伏发电系统。自动跟踪式独立光伏发电系统的开发设计与应用，能够促使太阳能的发电成本得到有效降低，进而推动太阳能在工业及民用生活中的的积极推广和有效应用。自 动跟踪式光伏发电系统根据太阳一天内不同时刻的高度角，对太阳电池板的偏转角度进行适当调整，用以保持太阳电池板与太阳入射光线之间的始终处于垂直状态，要求设备具有始终能跟踪太阳的运行轨迹的能力且具有高的精确度，关键技术在于对太阳光照强度的测定及机电控制转动设备的研发。
光伏电站建设中完整的光伏发电系统设计要求对光伏电站的实际运行效果进行监控、评估，监控和评估是是通过一些重要参数，如：光照强度、环境温度、阵列电压、蓄电池充电电流、电压、组件功率，发电效率、每小时发电量等的显示来反映电站运行状况的，对系统的监控和评估是保证光伏电站运行质量的重要措施。目前大部分电站的运行监控系统主要是由供电站维护人员通过控制室的液晶屏显示获取到相关参数，对系统的整体运行状况进行有效把握，并负责调整与维护系统，在一些野外光伏电站或远距离电站的监控中，这种方式局限性明显，维护人员必须到控制室现场才能得到数据，严重影响了电站的运行效率和质量。而借助无线通讯网络实行光伏电站运行数据的传递，并通过远程或网络监控系统，快速地分析与诊断每个站点的具体运行情况，根据所得数据，制定相应的处理方案，这有助于推动光伏电站的使用效率不断提升。
光伏电站监控无线通讯系统的设计，可以采用工业总线形式，如利用RS485 或 CAN 总线，推动下位机与监控主PC机之间成功实现通讯；也可以借助调制解调器（Modem）或公用电话网络来实现；或者可以将互联网与前两种方式相结合来实现；还可以利用 GSM/GPRS 无线移动通讯网络，成功实现数据的远程监控。是借助中继卫星和地面移动基站网络实现的远程无线技术。它具备很多方面的特点，例如，数据传输率高，最高可达115 kbps；抗干扰性能强；信号覆盖面广；在线时间长；所以对于传送监控信号而言非常适用。本文即基于GSM/GPRS 无线移动通讯技术设计一种无线网络监控光伏发电系统。由于以GSM/GPRS的数字信号为基础的远程传输数据具备保真度高、不受时空影响等方面特征，因此以GSM/GPRS无线网络为基础的光伏系统，能够成功实现在线远程监控。
2 整体系统结构设计
无线网络光伏系统的组成部分有很多，包括：光伏发电装置、GPRS 网关、电站中的数据采集等系统。数据采集系统中的数据传感器收集发电装置中的各种运行状态参数，如：蓄电池电压、蓄电池充电电流于电压、日照强度、交流电压于电压输出、温度环境、光伏阵列电压等，以TMS320F2812微处理器（单片机）的系统每隔五分钟，对光伏电站的运行数据进行定时采样，并将采样过程所得模拟信号，通过模数转换器实现数字信号的转化与存储；在系统的存储器中，当总站控制机要求回传存储器中的数据时，单片机把存储器中的数据通过集成了 Zigbee协调器模块、GPRS模块和串行通讯模块的系统的通信枢纽GPRS网关（无线通信网络）将数据传回远程监控中心，操作人员通过在中央控制室远程监控中心中操控台监控设置以 GPRS 网关数据为依据，同步设置了光伏发电站GPRS网关时钟数据，同时操作并控制光伏发电。当光伏电站出现运行故障时，管理人员可以发出切断电源的命令，电站也可以进行自动断开，防止故障蔓延，维护发电系统的正常运转。
系统采取三层结构。第一层为数据采集层，现场的采样设备将各种传感器所获取的系统数据收集至现场单片机或PC机中，按照实际需求对信号进行数字转换。第二层属于网络传输层，借助无线网络系统实现向中央控制室数据的远程传递。第三层属于状态分析与控制层，工程师们在中央控制室中，借助现代计算机与数字信号相关技术，分析与处理所收集到的数字信号，并评估诊断设备的运行状态，得出相应结论。此外，借助远程网络实现太阳能发电系统的远程监控，确保整套系统处于稳定运行状态。图1所示为具体的结构设计框图。
3 系统软件部分
系统软件部分的功能主要在于借助计算机科学技术处理光伏电站的相关数据，整个系统包括很多部分，例如，数据采集程序；数据传输程序；检测控制程序三部分。
第一部分数据采集，以TMS320F2812微处理器（单片机）的每隔五分钟系统定时对光伏电站的运行数据进行采样，主要完成将太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器及DC转换器电路的输出电压信号和输出电流信号以及电站所在位置检测的实时天气气象信息经传感器输入电脑中，利用计算机数据库系统实现数据信息的有效存储，然后进一步分析与处理这些数据。光伏能源监控系统中，在采集光伏电站运行数据的过程中，借助传感器实现信息的电信号转换，经调制电路（A/D转换）调制转换后，电信号被送至处理器进行处理来实现一次完整的数据采集和处理的。
第二部分是数据传输，模拟信号通过模数转换器转换为数字信号存储在系统的存储器中后，总站控制机在提出回传存储器中的数据要求时，单片机将存储器中的相关数据通过 Zigbee协调器、GPRS以及串行通讯等集成模块系统的通信枢纽GPRS网关（无线通信网络）将处理后的数据通过终端机送至现场处理系统和 GPRS 模块进行远程通讯。
第三部分是检测控制程序，该部分在整个程序中处于核心部分，监测系统软件的功能主要包括两个：第一部分属于初始化系统元件环节，对 CPU、GPIO等提供初始化服务。第二部分属于执行环节，执行实时显示、驱动控制、远程通讯、现场维护等。包括实现采样数据的 LCD 的实时显示，实现两路 PWM 脉冲的产生，命令的解析与执行，操作人员在中央控制室远程操控现场系统的过程中，就需要借助监控中心计算机输送各种命令代码，获取并解析相关数据信息。
4 结语
太阳能作为一种新能源，具备可再生、分布广泛等特点，已经被我国所广泛利用，但光伏电池目前存在转换效率偏低、发电成本高等缺陷，对光伏发电产业的进一步发展形成了重大阻碍。本文以远程与网络监控、无线通 讯网络为基础，力求设计出一套光伏电站远程监控系统。这套系统在无线网络系统的作用下，实现了光伏电站组件中蓄电池电压、太阳电池阵列运行电压等运行数据的远程监控；并且实现了当地日照强度、温度等环境参数的成功采集与传送，为综合评价光伏电站运行性能的提供了相关可靠依据。此外，在传递数据信息的过程，采用无线网络系统，使得监控范围得以扩大、运行成本也有所降低，增强了应用价值。
参考文献
[1]唐磊.基于无线网络光伏电站计算机监控系统设计[D].电源技术研究与设计，2013（02）.
[2]王锡凡.电力工程基础[M].西安：西安交通大学出版社，2009：156-178.
[3]徐静.自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2009：1-10.
作者简介
胡建宏（1974-），男，甘肃省武威市人。硕士学位。现为武威职业学院副教授。主要研究方向为计算机、光伏发电。
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