光伏電站實時氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

隨著國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,能源短缺的現(xiàn)象越來越嚴重。新型綠色能源越來越得到關注，如核電、風能、太陽能等，其中太陽能是一種干凈的、取之不盡用之不竭的可再生能源。太陽能光伏發(fā)電以其獨特的優(yōu)點而得到廣泛關注。但光伏發(fā)電也有著隨機性、間歇性、發(fā)電量與氣候條件有關、能量密度較低等特點。因此,加強光伏電場的實時氣象數(shù)據(jù)釆集，提高太陽能輸出功率預測的準確性,提高電網(wǎng)運行的可靠性和安全性，對于推動光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，有著十分重要的意義，因此，設計一種光伏電站實時氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)勢在必行。

1  光伏電站實時氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1  系統(tǒng)組成與工作原理

光伏電站實時氣象數(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計,主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、遠程通信模塊、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;遠程通信模塊負責數(shù)據(jù)和圖像的遠程傳輸;傳感器接入模塊提供各類氣象傳感器的接入;數(shù)據(jù)處理模塊負責系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，包括數(shù)據(jù)的采集/存儲、氣象資料分析和統(tǒng)計、參數(shù)設置、本地數(shù)據(jù)顯示、USB存儲管理等。

中心站具有平臺數(shù)據(jù)采集接收軟件，可接收各個站點的實時數(shù)據(jù),并可實現(xiàn)遠程的采集程序的更新、數(shù)據(jù)招測、系統(tǒng)校時等功能。

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

1.2 系統(tǒng)主要功能

采集子站主要負責實時自動采集當?shù)乜傒椛洹⒅苯虞椛?、反射輻射、散射輻射和紫外輻射以及當?shù)氐娘L速、風向、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、氣壓、組件溫度等參數(shù)，并進行運算、處理、工程量轉(zhuǎn)換，對每次測量的數(shù)據(jù)進行存儲，并按約定的格式發(fā)送數(shù)據(jù)到中心站。中心站可以設置在當?shù)卣{(diào)度決策等相關部門，主要負責定時讀取和實時接收網(wǎng)絡中的各數(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，可以補要其中各子站的存儲數(shù)據(jù)，設置各子站的數(shù)據(jù)采集器參數(shù)，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、編制報表等功能。

2  中心站功能軟件設計

中心站主要功能是通信、存儲、數(shù)據(jù)顯示、査詢、報表生成。為了保證數(shù)據(jù)的實時傳輸速度，中心站計算機應盡量采用高性能的計算機，并盡量避免在該計算機上運行其他程序，從而保證數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性。

中心站一般應具有以下主要特點：

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

(2) 具有本地ACSCESS數(shù)據(jù)庫，可脫離平臺數(shù)據(jù)庫獨立運行，歷史數(shù)據(jù)保存時間長短可任意設定，并可自動刪除過期數(shù)據(jù)；

(3) 采用模塊化設計，可支持多信道釆集和多種通訊協(xié)議，且可以通過DLL(動態(tài)鏈接庫)任意擴展信道和協(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報碼、采集子站當前來數(shù)實時信息、采集子站歷史數(shù)據(jù)，運行參數(shù)配置等；

(6) 支持對遠程遙測釆集子站(RTU)進行數(shù)據(jù)召測、校時，遠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)釆集子站設計

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、通信終端設備、太陽能電池板、蓄電池、設備機箱、三角塔支架等組成。其中數(shù)據(jù)采集器、氣壓傳感器、通信終端設備等均一體化集成在設備機箱內(nèi)，風速計、溫濕度計、輻射計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，可實時測量各氣象要素，并通過無線或有線方式與中心站通信，其主要技術指標見表1所示。

數(shù)據(jù)采集和處理方法：

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

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

(3) 由于風速、風向在時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:每整5min存儲一次；

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

4  結語

本文介紹的光伏電站實時氣象數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)目前已在多個現(xiàn)場應用，實際使用證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)釆集可靠，設計符合國家標準，可以真實、實時地反映場區(qū)氣象狀況,并為光伏發(fā)電輸出功率的預測提供場區(qū)氣象實時數(shù)據(jù)，是風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)微觀選址、聯(lián)合發(fā)電超短期功率預測、數(shù)值天氣預報模型優(yōu)化、預測誤差與置信區(qū)間評估、預測模型校訂的基礎，具有廣闊的應用前景。