海南全岛性集中式实时气象数据服务系统的设计与实现

陈锴

（海南绿色能源与环境工程技术研究院有限公司，海口570125）

1 引言

海南地处热带北缘，太阳能资源较为丰富，在岛上发展太阳能发电条件充足。现有公司需求，在岛上建设约150MW 产能的光伏电站，其电站数量众多、分布较散、大小不一，面对这种复杂情况需制定科学化合理的管理策略。另外，光伏发电与火电、水电相比有一定的不稳定性，且其能量密度较低，与气候条件，主要是辐射总量密切相关，为了更好地掌握光伏发电波动规律，增强光伏发电稳定性，以统计学的方法预测其可预测性，也为今后海南地区典型光伏气象数据年等工作建立数据基础。现准备利用现有成熟技术，并适应海南气候腐蚀性强、温度高、盐雾大、台风多特点建立一套全岛性集中式气象数据服务系统，且为在热带海岛气候下后期项目建立站点累计经验。

2 全岛性集中式气象数据服务系统的系统组成概述

整套系统计划分2～3 期进行开发，现一期计划建成数据中心服务站配套建设及完成海南北部西部中部10 个站点电站选点安装。后几期可根据实际需要和电站分布情况补足遍布全岛的东部、南部的剩余必要点，完成一个遍布全岛的光伏气象数据服务系统。该系统站点主要由两部分组成，由位于临高的中心站服务器及分布于海口、临高、澄迈、洋浦、屯昌、乐东的光伏电站的气象采集子站组成。

3 系统设计及构成介绍

3.1 子站系统构成

光伏电站气象采集子站系统主要有软件系统及硬件系统两大块组成，考虑到光伏电站发电的主要影响因素，参考其他资料及相关标准，选取一组易测物理量作为测量参数，如总辐射、倾斜辐射、风速、风向、环境温度、环境湿度、组件背板温度、瞬时辐射值，所有能测试到的物理量均实时展示在本地监控电脑并生成对应历史数据库。考虑到安装点有些为无人或少人值守的屋顶光伏电站，故为拟测量物理量配备技术稳定性强、成熟度高、精度高的传感器，在整套传感器系统中，辐射表占有举足轻重的地位，经过详细考虑对比，在日本EKO、锦州阳光、荷兰KIPP 三家，综合考虑价格、精度、灵敏度系数、辐射表线性度等因素，最终选择日本EKO 作为本次辐射表的供应商。其他物理量国内技术较为成熟，故传感器均采用技术成熟度较高的国内产品。另外，由于海南特殊的气候及地理条件环境，对本次使用的三脚架有一定的特殊要求，在台风频率高、热带气候高温高湿环境、高盐雾环境中需要慎重考虑其材质的强度及抗腐蚀性，经过选择比较，决定选用316 合金钢材代替原来304 钢制作三角塔架的方案，同时塔架工艺上增加其与地面的接触面积，并在地面上多加两孔打上两颗地脚螺栓来增加其抗拔力。再确定光伏电站气象采集子站硬件系统主要部分，硬件主要由总辐射表、倾斜辐射表、风向风速仪、温度湿度计、背板温度、数据采集器组成，能保证基本的气象数据采集并保留扩展功能，按功能可以分为下面模块UPS 电源模块、传感器数据采集模块、远程通信模块组成、数据处理模块。其中，电源模块为系统各部分提供相应电源；远程通信模块负责数据的传输；传感器接入模块提供各类气象数据信号的接入；数据处理模块负责数据的处理与管理，如图1所示。为了减小空间和暴露，除传感器外，其他功能模块尽量经过合理化设计与调整，均一体化集成在设备机箱内，考虑到电磁兼容性，尽可能考虑做强弱电分离。另外，考虑到传感器的所有接线，都需要接入机箱，这些线缆面临着与支架相同的气候环境条件，在线缆选择上需特别注意，应选择带防护层线缆且对线缆需做防晒包扎处理。每个气象子站除了与中心数据服务器通信外，还需接入本地联通光伏监控电脑。此外，气象子站对电源最好从光伏中控室不间断供电电源上获取，以防长时间停电情况下自带UPS 电池耗尽导致的大量数据严重丢失。尤其需要特别注意的是关于背板温度线的处理，需在选点时，协调好温度线与现场光伏组件的距离也是其中的考虑同等要素之一。

3.2 中心站组成

中心站点主要由中心服务器、UPS 供电电源、中心展示大屏三部分组成。其中，数据服务器与其成套搭配的软件较为关键，为了气象数据的稳定性与安全性及后期扩展开发考虑，在服务器上使用厂家较为成熟的气象数据中心软件，并建立相应的可离线使用ACCESS 数据库，能实现每个站点数据实时在线展示与历史数据库生成记录，考虑到生成的25年数据样本容量较小，以及简化网络结构，故此次不专门设置数据服务器，所有数据进行专门的定期备份。中心站点与子站呈放射状结构且有些距离较长，为了解决中心站与子站之间的通信问题，综合考虑成本低、工程周期短、适应性好、扩展性好、设备维护便捷等特点。选定GPRS 通信模式为此次项目的通信模式，每个子站都配置有无线通信模块。另外，出于安全性、长期性、稳定性及为后期项目可持续开发考虑，项目拉专线，设立专网，在架设服务器时申请了公网IP 及相应域名，在子站无线通信模块上做好相应的IP 设置。但由于采用一对多网络模型，为解决和避免服务器物理端口被过分占用的问题，保留物理端口以备扩展需要，此次服务器上创新性地采用虚拟化端口与远程通信模块端口来一一对应，事实证明，公网IP 与虚拟化端口的组合能很好地满足功能需求。中心展示大屏采用拼接屏与成熟技术的拼接屏矩阵管理软件，技术成熟度较高，在此不再进行赘述。由于系统本身常用负荷并不是很大，所以项目UPS 电源采用集成机箱浮充电源，能在断电情况下维持大约3h 的使用时间。

4 中心站与子站系统实现的功能耦合

中心站与子站均可以以分钟为单位实时展示数据测试，中心站点服务器软件“以人机交互性强、操作简单、功能全面、窗口友好”为原则进行开发，保留站点接入扩展功能且为未来气象预测系统保留扩展接口，能主要实现数据接收、本地存储、实时数据库动态展示，方便实现光伏气象历史数据库调用、分钟小时日月年及故障报表生成等功能。中心站服务配备了防火墙及相关反入侵软件来保证服务器安全，同时建立了Access 数据库作为永久历史数据库。中心站点能集中或独立展示气象辐照数据各个气象站点实时数据，以地图的形式展示各个子站点的位置及实时数据情况，能生成曲线图及柱状图。全岛性气象数据服务系统中，子站是基础，子站在系统接入、数据传输上与中心站服务器保证通信协议、规约的一致性，同时子站在后台就地生成实时与历史数据库方便维护员工就地使用及查阅。

5 结论

海南地区近些年来跟随内陆兴起了“光伏热”，海南与内陆地区毕竟环境差异很大，不结合热带海岛气候特点进行设计与建造很有可能不符合实际，该文首要考虑海岛性气候中需常年使用的气象子站如何经受高温、高热、高盐雾、高频台风造成的可能性影响，积极探索用更高标准材料代替原标准材料（如用316 钢代替原304 钢），通过反复讨论在面对众多只有简单收发功能的端口需求，选择用虚拟化端口来代替，既优化了结构，节约了资源，又避免有限物理端口被过度占用，导致后期开发过程中需重新协调某些端口的问题。建设一套覆盖全岛的光伏气象监测系统拼图是一项长期性的工作，由于站点跨区域，面对的环境条件较为复杂，故设计之初系统对子站的稳定性、可靠性和中心站的稳定性、可扩展性有极高要求。现进行的一期项目中，综合考虑了整个海岛环境来进行气象站设计和考虑环境要求及后期扩展需求来进行中心站建设，为以后进行全岛化气象站建设提供技术和经验积累。