利用北斗通信终端实现光伏电站远程监控的装置的制作方法

本实用新型涉及光伏电站远程监控装置技术领域，更具体地说，是涉及一种利用北斗通信终端实现光伏电站远程监控的装置。

背景技术：

随着经济发展与消费水平提高，化石能源消耗所带来的雾霾和温室效应问题越来越严重。为解决这个问题，需要大力发展以光伏发电、生物质能发电、波浪发电等为代表的新能源产业。光伏发电利用太阳能产生电力供应，发电过程没有机械转动部件，无噪声；不消耗不可再生的化石燃料，不排放二氧化碳和其它有毒温室气体，无污染，是一种理想的可再生能源发电技术。

为了节约和利用土地资源，光伏电站一般建在偏远的沙漠或者高高的屋顶，人们不容易轻易到达，给光伏电站的维护与监控增加了困难。

目前，光伏电站的远程通信和监控，主要采用两种方法：

一是利用国际互联网INTERNET，即因特网。因特网采用TCP/IP协议进行信息传输。

二是利用手机运营商提供的移动通信网络，比较典型的有GSM和CDMA。GSM是Global System for Mobile Communication（全球移动通信系统）的缩写，CDMA是Code Division Multiple Access(码分多址)的英文缩写。

这两种方法的缺点在于：

1、覆盖范围窄。在光伏电站建设的偏远和农村地区和沙漠等人口稀少的地区，因特网和移动通信网络都很难到达。

2、通信成本高。在因特网联通的城市，连接到因特网，需要按月或者按流量支付网络通信费，一般在1000元每年左右；因特网没有联通的偏远地区，其成本难以评估。

使用移动网络的成本更高，如果以短信息等形式收发信号，以1分钟一条0.1元计，每天通信10小时，则需要60元每天，一年的通信费高达21900元。

3、安全保密性差。根据2014年国家发改委《电力监控系统安全防护规定》（14号令）、2015国家能源局印发的《关于印发电力监控安全防护方案和评估规范的通知》（国家安全[2015]36号）、2016国家电网《国调中心关于组织签订并网调度协议补充条款的通知》（调技[2016]74号）等文件都对电站监控系统提供了安全要求。使用因特网和手机移动3G、4G网容易受到黑客及恶意代码的入侵和攻击，不利于安全保密通信。

4、无法实现对建筑物的稳性监控。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种系统覆盖范围广的、全面实现光伏电站数据的采集与显示、光伏发电站的调度管理、故障监测与报警的利用北斗通信终端实现光伏电站远程监控的装置，以克服现有技术中所存在的不足。

本实用新型解决其技术问题的技术方案是：一种利用北斗通信终端实现光伏电站远程监控的装置，包括设置在电力调度中心的主站点和多个设置在各个光伏电站的子站点，各子站点设置数据采集模块，数据采集模块通过通信模块与主站点的数据服务中心双向连接，数据服务中心连接客户端数据处理模块，客户端数据处理模块连接国家电力调度网络，各子站点的数据采集模块与主站点数据服务中心之间通过北斗导航定位系统的通信链路进行连接。

所述数据采集模块包括数据采集装置、微控制器、蓄电池充放电控制器、公共传感器，所述微控制器分别与数据采集装置、蓄电池充放电控制器、公共传感器连接，所述公共传感器用于检测温度、湿度、风速数据。

所述北斗导航定位系统包括北斗差分高精度定位系统，北斗终端通过接收差分北斗导航站的修正数据或与多个北斗终端配合，得到高精度的子站点建筑物或电站基座稳定度数据。

本实用新型的有益效果是：

1）本实用新型利用北斗终端的双向通信功能构建光伏电站远程监控系统，实现主站点与子站点之间的数据通信，具有覆盖范围广的、全面实现光伏电站数据的采集与显示、光伏发电站的调度管理、故障监测与报警的优点。

2）本实用新型利用北斗终端的精密定位功能，在通信的同时实现对安装光伏电站的基座和建筑物进行建筑位移和稳定性监控。

附图说明

图1是本实用新型的并网光伏电站监测系统架构图。

图2是本实用新型的基于北斗的通信系统网络拓扑结构示意图。

图3是本实用新型的光伏子站子高精度差分定位结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包含一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接。也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型的具体含义。

本发明利用北斗通信终端实现光伏电站的远程通信和监控，并实现建筑物稳定性监控的附加功能。它包括设置在电力调度中心的主站点和多个设置在各个光伏电站8的子站点7，各子站点设置数据采集模块1，数据采集模块通过通信模块2与主站点的数据服务中心10双向连接，数据服务中心连接客户端数据处理模块4，客户端数据处理模块连接国家电力调度网络SPDnet，各子站点的数据采集模块与主站点数据服务中心之间通过北斗导航定位系统的通信链路进行连接。

所述数据采集模块包括数据采集装置、微控制器、蓄电池充放电控制器、公共传感器，所述微控制器分别与数据采集装置、蓄电池充放电控制器、公共传感器连接，所述公共传感器用于检测温度、湿度、风速数据。

所述北斗导航定位系统包括北斗差分高精度定位系统，北斗终端6通过接收差分北斗导航站的修正数据或与多个北斗终端配合，得到高精度的子站点建筑物或电站基座稳定度数据。

1、系统总体结构

本实用新型系统的结构如图1所示。系统设计主要分为三个层级结构：从下往上依次包括：光伏电站信号采集层、通信链路层和多电站集中监控层，主站点位于集中监控层。从而整个系统由四大模块组成：数据采集模块1、通信模块2、数据服务模块3、客户端数据处理模块4。系统构架如图1所示。

系统涉及光伏电站的数据采集、控制和通信，特别涉及北斗全天候通信终端的高精度定位与远程通信。系统包含一个设置在电力调度中心的主站点和多个设置在各个光伏电站的子站点。主站点是光伏发电系统的通信指挥和监控中心，主站点的客户端数据处理模块通过调度数据服务中心模块，采用北斗通信终端实现与N个子站点的双向通信，数据的安全性和稳定性有足够的保障。主站点根据各个子站点的信息，对光伏电站进行综合调度与管理，优化电网潮流分布，降低电网损耗。

2、基于北斗的通信系统网络拓扑结构

基于北斗的通信系统结构由安装在各个光伏电站子站点和升压变电所端的测量装置和主站点的电力管理监控系统组成。各子站点的数据测量装置与监控系统主站点之间通过北斗导航定位系统的通信链路以及地面的高速数据链路进行连接，通信系统的网络拓扑结构图如图2所示。

主站点服务器（客户端）和数据服务中心是电力管理监控系统的控制核心，数据服务中心通过北斗终端接收来自各子站点信息，数据服务中心对接收到的数据初步处理后提供两个数据通路：一路给将信息经过卫星5转发到各子站点进行相应的控制。另一路发送给主服务器9，可通过INTERNET 网，连接到国家电力调度网络SPDnet。主站点服务器和数据处理中心联合对接收到的数据进行相应的存储、分析、处理、监控等。国家电网及电站监控系统主站点对变电所和发电站的操作指令信号则以相反的路径方式传达，可以对各光伏发电子站点完成电力调度，动态调控以及远程遥控功能。

国家电力调度网络SPDnet(state Power Dispatching Network)是电力生产实时信息传输的网络，网络传输的主要信息是电力调度实时数据、生产治理数据、通信监测数据等，是电力指挥安全生产和调度自动化的重要基础，在协调电力系统发、送、变、配、用电等组成部分的联合运转及保证电网安全、经济、稳定、可靠的运行方面发挥要害的作用。目前，全国已形成五级调度治理系统。电力调度数据网主要由国家电力调度数据一级网，区域二级网，省级三级网，地市四级网和县级五级网，覆盖各级调度中心和直调发电厂、变电站。目前一级网基本建成，二、三级网工程正在实施，少数省市已经开始建设四级网。其主要是用于调度实时数据间的通信 它连接的是调度中心的一区和二区 该两区主要有EMS SCADA等系统 方便各级调度中心这两个分区内部之间的通信。

3、光伏电站所在建筑物或光伏电站基座位移监控

两个及以上的北斗导航系统终端，与差分数据结合，可以实现厘米甚至更高级别的定位精度。如果光伏电站建立在高楼大厦的顶端，或者电站基座不牢，则可以利用北斗导航系统的高精度定位功能，实现对它们的实时监控，预防因为建筑物因过度摇摆或位移，导致的倾覆风险。这项应用使得光伏电站监控系统在实现二次侧电气数据通信的同时，对建筑物的稳定性同时监控，保证了光伏电站及建筑物的安全。

变形观测主要包括沉降观测、位移观测、挠度观测、转动角度观测和振动观测等，观测光伏电站的基座稳定性是保证电站正常运营的基础之一。对于建设在建筑物屋顶的电站，在对电站基座的变形观测的同时实现对建筑物的安全监测也具有重要意义。变形观测是对建筑物及其地基由于荷重和地质条件变化等外界因素引起的各种变形（空间位移）的测定工作。利用北斗导航系统和实时差分算法（Real Time Kinematic，RTK），可以实现高精度的定位，用来了解建筑物的稳定性，监视建筑物的安全情况和变形规律，在发生异常时，检查是光伏基座还是建筑物本身的问题，可提前预防和采取措施，保证系统的可靠性。在本系统，北斗导航系统兼顾定位与通信功能，实现了高效利用。

如图3所示，对于需要进行建筑位移监控即精确定位的子站点，它们可以用两种方法提供定位精度，一是接收差分北斗导航站11发送的无线广播数据，进行自身的定位数据修正。另一种方法是通过已经精确定位的基准站点12，将实际位置与北斗计算的定位位置比较得到定位误差修正数据，然后将定位误差修正数据以无线数据广播或者北斗通信链路的方式传送给目标子站点。

综上所述，本实用新型利用北斗通信终端实现光伏电站远程监控，其特点如下：

1、覆盖范围广

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯GLONASS卫星导航系统之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗系统为用户提供了精确定位、精密授时以及独有的短报文通信功能，为用户提供了一个全球化、全天候的双向通信平台。北斗目前的覆盖范围东经约70°~140°，北纬5°~55°，已经实现对整个中国和东南亚地区的全覆盖。

利用北斗终端的通信功能，可以实现全天侯的数据采集与通信，只要在能够见到天空的地方都能良好的通信，这与光伏发电的特性一致。采用北斗通信的系统利用无线的方法，不需要进行线路的维护，可靠性非常高；对于大型的光伏电力公司，只要一个监控中心即可实现对下属所有电站的监控。

2、功能全面。

按照 “无人值班、少人值守”的原则设计光伏电站监控系统，在电气二次侧可以全面实现对光伏电站的数据采集、监控以及相关的维护工作。

1）实现光伏电站数据的采集与显示

在光伏电站，每个发电单元包括光伏阵列、汇流箱、直流防雷柜、逆变器、分裂变压器及相应的监控、保护设备组成。实时动态监测发电站的发电相关信息，监测数据反映系统发电的动态特征。包括各太阳能电池组件模块的电压、电流、上网功率、逆变器、汇流箱、电池板、蓄电池组及其控制器、环境温度等底层设备的实时数据及状态的采集。

2）光伏发电站的调度管理

光伏电站的运营，需要进行一些维护性的工作，实现对电站的远程动态控制如逆变器并网开关的通断、光伏电池阵列的清洗以及异常天气的应对等类似的维护工作。系统还要实现远距离和本地对光伏电站设备的调度管理，通过简单易用的参数设置功能，简化值班人员工作。系统要实现远距离测试、远距离控制、远距离通信以及远距离调度多功能为一体，具备高可靠性，保证整个电站的安全可靠运行和全年不间断稳定工作。需要进行设置和修改的参数包括数据采集间隔时间、故障诊断的阈值、太阳光辐射警告阀值、需要开启图像采集等。

3）故障监测与报警

监控系统所有设备的运行状态，当设备出现故障时立即报警提示，并存储故障信息，包括故障发生的时间和故障原因供分析人员查看。光伏电站运行故障包括电网电压和频率异常，逆变器过载、短路、温度超高、孤岛运行，蓄电池充电异常、温度过高以及控制器和通信链路等。这些故障需要及时处理，呼叫维护人员修理设备，恢复通信。基于北斗导航的光伏电站管理系统具备事故与紧急事件处理和报警的功能。当某个设备发生异常时，系统能够迅速识别、定位发出报警信号，从而采取相应的处理措施。

4）实现电力管理系统的精确授时

由于各个光伏电站大多采用各自独立的时钟，因而彼此之间存在较大的时间偏差，没有统一的时间基准，不利于运行维护和数据分析。北斗卫星导航定位系统的常规时间精度可达1us以下，通过建立统一的时间同步系统，可以统一所有设备、系统时间，较好地满足运行监控和事故后故障分析、处理的需要，实现电力系统的同步。

5）电站基座与建筑物异常监控

利用北斗导航系统和实时差分算法（Real Time Kinematic，RTK），可以实现高精度的定位，用来了解建筑物的稳定性，监视建筑物的安全情况和变形规律，在发生异常时，检查是光伏基座还是建筑物本身的问题，可提前预防和采取措施，保证系统的可靠性。在本系统，北斗导航系统兼顾定位与通信功能，实现了高效利用。

6）电网数据传输的实时有效保密传输

电力管理系统可以利用北斗卫星通信链路实现监控中心与各个子光伏发电站之间或者光伏电站相互之间的通信能力，从而保证系统运行与控制数据的实时传输。除了保证通信的可靠性与实时性，也必须保证通信的保密性，防止外界攻击与干扰。

3、经济价值高。本发明的方法，在经济价值上可以拓展北斗系统使用范围，有利于北斗系统的推广应用，其硬件价格和通信成本都比较低，安装调试方便，有市场前景。

4、在因特网覆盖区域，还可以采用北斗与因特网联合的方式进行监控，重要的安全数据采用北斗系统进行保密通信，而电站现场视频等不太重要的数据采用因特网或移动网络传输，从而实现多网络协同通信。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同替换所限定，在未经创造性劳动所作的改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。