黄海波

（江西晶科电力设计有限公司南京分公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

太阳能发电具有可持续、环保、清洁及经济等特点，发展前景非常大。但是光伏发电也存在一定缺点，如控制困难、显示采集数据分散、电站占地的面积过大等。因此，本文利用成熟技术，使用Modbus-RTU与Modbus-TCP协议通信，把多个太阳能发电站的电压、电流信号显示于中心控制屏，可显示出实时的波形和数据，中心控制能够实时读取数据，并且根据数据能够便于中心控制室进行控制。

1 系统监控设计的总体方案

系统监控主要由现场控制采集数据终端、网络无线传输、管理电站主机3部分组成。控制采集数据终端的任务为：检测电站环境的参数和电参数以及控制电站开关量。网络无线传输主要是利用无线的网络向中心控制室传输数据。管理电站的主机主要是进行数据的处理与分析，并实时将电站功率、电流、电压等参数和电站运行状态显示在中心控制室，从而实现电站营运状况的可视，方便运维工作人员了解电站工作状况，利用网络远程对电站实施控制，从而确保太阳能电站正常、可靠的运营[1]。系统监控总体的方案如图1所示。

图1 电站系统监控总体框架

光伏发电站网络系统监控预期功能如下：

（1）监控的功能：实时采集电站环境的参数与电参数并上传主机；根据电站运行的情况与中心调度需求，确定出发电量；利用控制输出的开关量达到控制光伏发电的退投以及离并网控制。

（2）网络无线通信的功能：利用网络无线通信技术将采集的数据进行传输，为电站维护与生产提供数据的支撑。

（3）存储的功能：能够将采集现场的电流、电压参数以及环境的光照度、温度参数存储于数据库。电流、电压变化参数绘制成曲线便于直观显示，方便维运人员快速了解电站工作状态，提高电站工作的效率和管理的水平[2]。

2 光伏发电站系统监控的设计

2.1 系统监控中通信协议的设计

系统通信的协议主要有3层。其中下位机选择的通信为Modbus-RTU 485，液晶屏和服务器的数据库之间的通信选择Modbus-TCP/IP，电站和中心调度室使用网络104连接传输。系统监控的基本结构如图2所示。

图2 系统监控的基本结构

系统监控使用485多路对各设备进行检测及数据采集，并将采集得到的数据传输到组态MCGS上进行实时显示，同时将数据传输到主机，主机对传输Modbus通信的协议进行分析后，再按相关协议TCP/IP报文，随后利用光端机转变成光信号，通过光缆传输，最后由远端的光端机将传输的光信号转变成电信号，由服务器数据库进行接收。服务器Web具有对数据库进行访问的权限，并可以将数据通过104进行报文，这样方便中心调度室进行相应通信传输。

下位机使用485端口进行通信，它支持Modbus协议，其特点具有信息传输的速度较快、通信的可靠性较强等。液晶屏MCGS使用协议Modbus-RTU，支持常用的功能，本文使用Modbus协议第3条指令，如表1所示。

表1 Modbus协议

服务器和液晶屏的通信是依靠以太网与光纤进行传输，其通信的协议为Modbus-TCP/IP，其优点是组网比较灵活、信息传输的距离长以及可靠性较高等。因为本协议好用、简单，在自动化控制上得到广泛支持和采纳，已经成为自动控制的标配。组态MCGS软件能够进行采集数据以及分析存储，而且还能进行发送控制命令，实施远程的控制[3]。

中心调度室和电站的通信是通过104进行信息通信。104规约广泛用于控制和监视，能够兼容远程的设备实现互相信息传送。其中104规约是在101规约基础上与TCP/IP结合而成，其确立了控制域和信息控制APCI。控制域保证了报文不能丢失与信息能够反复进行传送、传输报文启动、传输报文停止以及连接传输监视等控制的指令信息，替换了原串口的通信。它具有支持进行网络传输、方便信息量的扩大、数据流量较大、实时性能较好及可靠性较高等优点。因此，当前它已成为远程电力通信的主要使用协议。

中心调度和通信设备的通信使用服务器/客户机模式，也就是控制站就是中心调度，等同于客户端。传输所使用的协议为TCP/IP，其端口为2404。

2.2 上位机开发界面

上位机实际就是PC电脑，和下位机能够实时通信、读取相关数据，而且在上位机上能够显示实时的数据，利用用户的界面传送控制的命令或者为下位机进行参数的配置，具体包括变频器的参数设定、停止逆变器操作及启动逆变器操作等。其中，参数设定有电压输入过低阈值、电压输入过高阈值、电压输出过高阈值及电压输出过低阈值等。

远程网络监控通过Visual接收各种数据，并且利用MYSQL数据库将这些数据进行存储，其他的PC利用以太网和服务器进行连接，利用浏览器IE查询数据，最终实现电站没人看守或者负责人、维修人员等异地就能进行数据查看的目的。此外，设置了网站登录权限，不同人员能够根据自己的权限登录查看、分析电站营运状况，还能实施远程的控制，如设置参数和设备的启停等。这些控制的指令能够及时存储进数据库，方便今后查阅。

在系统运行过程中会产生大量的数据。针对大量的数据堆积问题，系统设计了相应软件进行数据的优化，对数据进行统计、分类以及相应处理等。对于不同数据要用不同的处理，可防止因为数据量过大导致电脑死机、运算速度过慢现象[4]。

监控的远程计算机服务器Web包括管理系统、管理设备、分析报表及运行的监测等，其结构如图3所示。

当逆变器产生故障时，液晶屏不仅会报警（显示、发生、发光），而且服务器Web监控的软件能够使用E-mail和短信自动将故障通报给维修人员，通知的内容分为有什么故障、故障产生的时间以及故障现象的描述。短信的接收方与E-mail在管理设计中，能够设置许多短信的号码与E-mail的地址，这样能够提醒众多相关人员及时知道出现故障，减少、避免事故的损失。报警系统设置了报警阀值，如果数据超出一点阈值，虽然系统不会报警，但是服务器Web会向短信或者E-mail发送出预警信号，工作人员会根据情况进行及时处理，避免出现故障，从而达到预维护和评估故障的目的。

图3 Web功能图

此外，服务器Web监控的软件还具备管理系统的功能，包括管理用户与管理系统日志，考虑存在数据的安全。

2.3 选择软件的数据库

本系统使用数据库MySQL。MySQL是开放的源代码数据库，具有价格低、性能好、版本的更新快以及适合各种平台等优点。监控的数据存储在数据库MySQL里，考虑数据会随时间不断增多，存储的数据会越来越多，导致服务器在进行数据处理、统计时会出现速度变慢的现象。因此，系统使用MCGS软件进行定时统计，加快了数据的统计速度。这种方法在服务器的访问上，速度明显变快，如果从数据库统计数据，将会造成Web访问变慢，严重时会出现死机现象[5]。

客户向服务器Web发送请求的信号时，服务器Web同时向服务器数据库发送数据的请求，这时服务器数据库会从子站进行数据的调取，随后将数据进行返回。

3 MCGS的设计

MCGS是一款具有实用性较强、功能强大的工业控制组态的软件，能够和其他硬件结合，利用现场采集数据、处理数据，通过输出报表、控制流程、处理报警及动画进行显示等各种形式，为用户提供便捷的操控系统。MCGS具有操作灵活、控制简单、运行状态可视的界面，既实用性很强，又性能优秀。

本系统所使用的MCGS软件在操作界面的设计里，调用了MCGS软件中报警的窗口、报表、数据、图形、控件模块。系统监控能够使用多级界面进行相互切换，系统界面主要有设置参数界面、报表界面、报警界面、监测数据界面、显示运行界面以及用户登录界面等[6]。图4为MCGS页面显示。

图4 MCGS页面显示

图4中运行的界面是系统监控主控界面，可显示电站系统的结构和相关运行数据，并且能够随时进行控制界面切换，达到系统监控实时显示设备的运行情况与报警功能[7]。

4 结 论

随着中国光伏发电行业的蓬勃发展，电站系统监控的作用也越发重要。本文所设计的光伏发电站系统监控可靠性较高、实用性较好，具备良好人机互动功能和附加多元化功能。系统使用组态MCGS软件绘制界面，使数据表显示的更清晰、更直观。系统使用Visual软件作为服务器Web，从而实现了功能多元化，使得服务器Web访问的速度加快。此外，系统还具备诊断故障、检测故障以及报警等功能，能够更好地帮助工作人员处理问题、解决问题，减少发生事故概率，进而保证光伏发电站正常运行。