光伏電站實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,能源短缺的現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。新型綠色能源越來(lái)越得到關(guān)注，如核電、風(fēng)能、太陽(yáng)能等，其中太陽(yáng)能是一種干凈的、取之不盡用之不竭的可再生能源。太陽(yáng)能光伏發(fā)電以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛關(guān)注。但光伏發(fā)電也有著隨機(jī)性、間歇性、發(fā)電量與氣候條件有關(guān)、能量密度較低等特點(diǎn)。因此,加強(qiáng)光伏電場(chǎng)的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)釆集，提高太陽(yáng)能輸出功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性，對(duì)于推動(dòng)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，有著十分重要的意義，因此，設(shè)計(jì)一種光伏電站實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)勢(shì)在必行。

1  光伏電站實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1  系統(tǒng)組成與工作原理

光伏電站實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由中心站和分布于光伏電站的氣象數(shù)據(jù)釆集子站組成。其系統(tǒng)組成見圖1所示。

光伏電站氣象數(shù)據(jù)采集子站采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、傳感器接入模塊等。其中電源模塊提供系統(tǒng)工作的各類電源;遠(yuǎn)程通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和圖像的遠(yuǎn)程傳輸;傳感器接入模塊提供各類氣象傳感器的接入;數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，包括數(shù)據(jù)的采集/存儲(chǔ)、氣象資料分析和統(tǒng)計(jì)、參數(shù)設(shè)置、本地?cái)?shù)據(jù)顯示、USB存儲(chǔ)管理等。

中心站具有平臺(tái)數(shù)據(jù)采集接收軟件，可接收各個(gè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的采集程序的更新、數(shù)據(jù)招測(cè)、系統(tǒng)校時(shí)等功能。

通信方式上，可以釆用有線電話撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)、光纖和無(wú)線GSM、GPRS、CDMA、VHF、北斗衛(wèi)星等多種方式。一般建議采用無(wú)線GPRS和光纖這兩種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸方式，兩種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，采用哪種方式可依據(jù)各自現(xiàn)場(chǎng)的具體情況而定。

1.2 系統(tǒng)主要功能

采集子站主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集當(dāng)?shù)乜傒椛?、直接輻射、反射輻射、散射輻射和紫外輻射以及?dāng)?shù)氐娘L(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、氣壓、組件溫度等參數(shù)，并進(jìn)行運(yùn)算、處理、工程量轉(zhuǎn)換，對(duì)每次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并按約定的格式發(fā)送數(shù)據(jù)到中心站。中心站可以設(shè)置在當(dāng)?shù)卣{(diào)度決策等相關(guān)部門，主要負(fù)責(zé)定時(shí)讀取和實(shí)時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)中的各數(shù)據(jù)采集子站的數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)匯總，統(tǒng)一存檔，可以補(bǔ)要其中各子站的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)置各子站的數(shù)據(jù)采集器參數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、編制報(bào)表等功能。

2  中心站功能軟件設(shè)計(jì)

中心站主要功能是通信、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、査詢、報(bào)表生成。為了保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸速度，中心站計(jì)算機(jī)應(yīng)盡量采用高性能的計(jì)算機(jī)，并盡量避免在該計(jì)算機(jī)上運(yùn)行其他程序，從而保證數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性。

中心站一般應(yīng)具有以下主要特點(diǎn)：

(1) 數(shù)據(jù)采集采用多線程，每個(gè)串行通訊端口分別占用一個(gè)線程，這樣，某一線程發(fā)生故障，就不會(huì)影響其他線程的采集；

(2) 具有本地ACSCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，可脫離平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)立運(yùn)行，歷史數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)短可任意設(shè)定，并可自動(dòng)刪除過(guò)期數(shù)據(jù)；

(3) 采用模塊化設(shè)計(jì)，可支持多信道釆集和多種通訊協(xié)議，且可以通過(guò)DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))任意擴(kuò)展信道和協(xié)議。目前支持VHF(超短波)、PSTN、GSM(短信)、BEIDOU(北斗衛(wèi)星)、GPRS、CDMA等常用信道的數(shù)據(jù)采集；

(4) 運(yùn)行參數(shù)可在線配置，修改任何配置不需要重啟程序。

(5) 采用集成化監(jiān)視界面，可査看信道狀況及原始來(lái)報(bào)碼、采集子站當(dāng)前來(lái)數(shù)實(shí)時(shí)信息、采集子站歷史數(shù)據(jù)，運(yùn)行參數(shù)配置等；

(6) 支持對(duì)遠(yuǎn)程遙測(cè)釆集子站(RTU)進(jìn)行數(shù)據(jù)召測(cè)、校時(shí)，遠(yuǎn)程編程修改工作參數(shù)。

系統(tǒng)中的中心站數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

3  氣象數(shù)據(jù)釆集子站設(shè)計(jì)

整套氣象數(shù)據(jù)釆集子站由數(shù)據(jù)采集器、氣象傳感器、通信終端設(shè)備、太陽(yáng)能電池板、蓄電池、設(shè)備機(jī)箱、三角塔支架等組成。其中數(shù)據(jù)采集器、氣壓傳感器、通信終端設(shè)備等均一體化集成在設(shè)備機(jī)箱內(nèi)，風(fēng)速計(jì)、溫濕度計(jì)、輻射計(jì)安裝在三角塔支架上。

數(shù)據(jù)采集子站以支架方式安裝于各光伏電站，可實(shí)時(shí)測(cè)量各氣象要素，并通過(guò)無(wú)線或有線方式與中心站通信，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1所示。

數(shù)據(jù)采集和處理方法：

(1) 氣壓的測(cè)量是由數(shù)據(jù)采集器主動(dòng)發(fā)起的，遵循的是SDI-12協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，采樣頻率6次/min,即每10s進(jìn)行一次采樣，數(shù)據(jù)采集器將對(duì)每分鐘內(nèi)采樣的6個(gè)數(shù)值樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，用余下的4個(gè)樣本值求出算術(shù)平均值，該值即為該分鐘的觀測(cè)值，并作為瞬時(shí)值；

(2) 輻射計(jì)、溫濕度計(jì)是模擬量的輸出，它們的數(shù)據(jù)采樣和統(tǒng)計(jì)方法與測(cè)量氣壓的方法相同；

(3) 由于風(fēng)速、風(fēng)向在時(shí)間和空間上變化較大，其采樣速率為1次/s,然后求5min平均值；

(4) 存儲(chǔ):每整5min存儲(chǔ)一次；

(5) 供電采用蓄電池加太陽(yáng)能電池板或市電浮充方式。當(dāng)釆用自報(bào)式工作體制時(shí)，子站系統(tǒng)可保證連續(xù)15天無(wú)日照或市電連續(xù)停電15天正常工作。

4  結(jié)語(yǔ)

本文介紹的光伏電站實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)目前已在多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)際使用證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)釆集可靠，設(shè)計(jì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可以真實(shí)、實(shí)時(shí)地反映場(chǎng)區(qū)氣象狀況,并為光伏發(fā)電輸出功率的預(yù)測(cè)提供場(chǎng)區(qū)氣象實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，是風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)微觀選址、聯(lián)合發(fā)電超短期功率預(yù)測(cè)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型優(yōu)化、預(yù)測(cè)誤差與置信區(qū)間評(píng)估、預(yù)測(cè)模型校訂的基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景。