ZigBee和GPRS技术在光伏电站监测系统中的应用研究

何照安，张保民，杨凯，李龙春

（特变电工西安电气科技有限公司，陕西西安 710119）

近年来，随着国家对光伏行业一次次政策导向和鼓励，光伏电站如同雨后春笋般在中国大江南北崛地而起，并投入使用，电站发电及设备运行情况成为大家共同关心的话题。要想了解电站发电及设备运行情况，只能在电站中控室进行监测和信息浏览，或者只能通过电话询问电站管理人员了解大概情况。设备制造方为了防止设备出现故障影响发电，只能采用在电站附近城镇驻扎的方式，以达到更快的售后服务响应，而且经常由于信息沟通不对称导致工作反复。所以本地监测对业主方、设备制造方来说都极不方便，而且增加了很多维护成本，随时随地监测成为大家共同需求。

为了不影响电站的本地监控，也不受本地监控的影响，需要在电站侧独立架设一套数据采集和传输网络，但是在原有通讯网络上增加已不太可能，采用无线传感网络具有无可比拟的优越性。目前成熟的无线局域网有早期的Bluetooth、电台，现在流行的Wi-Fi，还有具有物联网美誉的ZigBee等等，但是经过比较分析ZigBee有其他通讯方式无法达到的优势。由于很多电站建设在偏远的荒漠，因特网很难接入，有线通讯方式成本太高、难度太大，而无线远距离数据传输则可以有效解决该问题，可采用GPRS或GSM方式，从长期运营成本考虑，GPRS具有绝对优势。

本文结合ZigBee和GPRS技术，设计一套光伏电站远程监测系统，实现用户随时随地监测光伏电站发电及设备运行情况。

National“863”Program（2011AA05A305）.

1 系统组成

1.1 光伏电站无线监测系统网络架构图

图1给出了光伏电站无线监测系统网络架构。

图1 光伏电站无线监测系统架构图Fig.1 Wireless monitoring system diagram of the photovoltaic power plant

1.2 光伏电站无线监测系统介绍

光伏电站无线监测系统主要由以下5部分组成：

1）ZigBee无线传感网络[1]。每台发电设备安装一台ZigBee节点，一个电站安装一个ZigBee协调器，每个ZigBee节点均可以作为路由器，各个节点与协调器组成一个网状型网络拓扑，以提高通讯可靠性并实现远距离通讯。ZigBee节点接收来自ZigBee协调器命令，并将采集到的数据通过ZigBee局域网传输到ZigBee协调器。

2）通讯管理单元。通讯管理单元连接一台ZigBee协调器和一台GPRS模块。通讯管理单元通过ZigBee协调器采集电站发电设备遥测量和遥信量数据，并对采集数据分析处理，然后按照一定频率将数据发给GPRS模块，通讯管理单元、ZigBee协调器和GPRS模块，构成整个电站的数据交互中心。

3）GPRS传输网络[2-8]。GPRS模块将电站数据通过GPRS网络发送到网关GPRS支持节点（GGSN），然后转入因特网，GPRS网络实现了数据无线远距离传送。

4）Internet网络。Internet网络作为GPRS网络到监测中心服务器间数据传输的桥梁，实现电站数据的远程共享，并实现用户随时随地浏览电站数据。

5）监测中心。监测中心主要由数据采集服务器、数据库服务器、因特网服务器和监测席组成。采集服务器负责采集电站数据、分析处理，存入数据库中。数据库服务器负责数据存储和管理。因特网服务器负责网站平台服务，交换用户数据。

2 关键技术

2.1 ZigBee应用技术

1）ZigBee技术特点。目前短距离无线通讯技术有很多，如数字电台、红外、蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等等，都具有各自的特点，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。网上已有很多关于几种技术比较分析，但是作者认为，ZigBee具有绝对独特优势被选用在光伏电站监测试系统中，主要是它具有其他无线通讯技术所不能达到的特征。主要有2点。

①可组星型网路拓扑和网状型网络拓扑。蓝牙和Wi-Fi在一个无线局域网络中只能组星型网路拓扑，而ZigBee不但可以组星型网路拓扑，而且还可以组网状型网络拓扑[9-14]。

②网络容量大。蓝牙网络容量是8个节点，Wi-Fi是50个，而ZigBee采用一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最大支持65000个。对于这么大的网络容量，ZigBee有一套可靠的通讯管理机制，它采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。而且ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，这样保证一个大型网路整体都能达到快速响应。

目前大型荒漠电站中各个发电设备有规律地分布在方圆几公里、甚至几十公里，地势平坦，一个20 MW的光伏荒漠电站，一般设计20个子发电单元，逆变器有40个，汇流箱有几百台，可轻松实现数据无线传输，ZigBee技术在光伏电站应用中具有得天独厚的优势。

2）ZigBee硬件系统方案。图2给出了ZigBee硬件系统方框图。

图2 ZigBee硬件系统方框图Fig.2 Block diagram of the ZigBee hardware system

该系统主要由6部分组成：ZigBee模块，MCU，电源，通讯模块，时钟单元，存储单元。

ZigBee模块：市场中ZigBee模块有很多品牌，我们采用了CEL的ZICM2410，其特征是自带ZigBee协议栈，支持组Mesh网络拓扑，点对点可视通讯距离3000英尺（合914.4 m）。

MCU：用一个MCU的目的是对ZigBee应用层的协议进行转换，CEL厂家自定义的通讯协议直接连接设备是无法通讯的，使用MCU将自由协议转成设备支持的通讯规约，一般是MODBUS RTU；另外一个目的是对通讯进行扩展和模块功能扩展。

电源：主要是针对系统中电源进行转换和处理，ZigBee硬件系统供电由发电设备提供DC24 V，然后通过24 V转5 V、5 V转3 V给各个芯片供电。

通讯模块：主要采用两路，一路是和设备相连，采用RS485通讯，需要一个485芯片；另一路为了调试和维护方便，直接和PC连接，采用USB虚拟串口，需要一个USB虚拟串口芯片，如Microchip公司的MCP2200。

时钟单元：时钟单元为系统提供时间，由于在整个监测系统中涉及到时钟同步问题，采用时钟芯片，如：PCF8563T/5。

存储单元：为了防止数据传输过程中丢失，系统设计了存储单元，用于存放短期内数据，可以为1个小时，可以为1天，存储单元大小根据存储数据的多少确定，可以采用EEPROM或FLASH。

3）ZigBee软件方案。图3给出了MCU软件系统主流程。

图3 软件系统主流程图Fig.3 Software system main process diagram

由于ZigBee协调器和节点工作内容略有不用，无需采用两种硬件结构，可通过软件来区分ZigBee设备类型自适应。协调器按照一定的频率与各个节点通讯，节点采用自动获取发电设备地址策略，无需现场调试。由于我们采用了透明传输的ZigBee模块，只需要使用MCU与ZigBee模块进行通讯和协议转换，ZigBee节点与其他节点之间按照ZigBee协议通讯，而与设备之间按标准MODBUS协议通讯。对于ZigBee模块的工作流程，不用参与管理，只需要配置好参数即可。

2.2 GPRS应用技术

1）GPRS技术特点。通用分组无线业务GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新无线数据传数业务，目的是给移动用户提供高速无线IP或X.25服务。GPRS理论带宽可达171.2 kbit/s，实际应用带宽大约在40～100 kbit/s，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。GPRS即时在线，按流量计费，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。从长期运营角度考虑，与GSM相比，GPRS费用较低，表1对两种通讯资费进行了比较。

通过比较，采用GSM和GPRS时，100台设备一个月的通讯资费相差2160倍，因此，采用GPRS技术，运营成本较低。

表1GSM/GPRS通讯资费比较Tab.1 Communication tariff comparison between GSM and GPRS

2）GPRS方案。由于每个电站需要使用1台GPRS模块，从整体运营来看，自主开发成本较高，可以购买成熟的GPRS模块使用。市场中GPRS模块品牌很多，我们选择了MOXA的G3111，该模块支持自动重启，当SIM卡或接收信号出现异常时，模块自动重启以达到修复的目的，安装在偏远地区时免去了维护的麻烦。我们通过申请域名，并将域名设置在GPRS模块中，所有数据将传向域名所指的IP地址，通过Internet，监测中心服务器便可接收到来自GPRS模块的数据。

3 结论

本文给出了一种基于ZigBee和GPRS技术的光伏电站无线监测系统架构，给出了详细的硬件、软件系统方案。目前，该系统已应用在特变电工建设的大江南北各光伏电站，运行稳定、可靠，达到在线监测的目的。该系统运营成本低，可随时、随地通过因特网浏览光伏电站发电情况和设备运行情况，给业主和电站设备维护人员带来很大的便利，得到多方的认可。

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