本實用新型涉及光伏電站遠程監(jiān)控裝置技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，是涉及一種利用北斗通信終端實現(xiàn)光伏電站遠程監(jiān)控的裝置。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟發(fā)展與消費水平提高，化石能源消耗所帶來的霧霾和溫室效應(yīng)問題越來越嚴重。為解決這個問題，需要大力發(fā)展以光伏發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、波浪發(fā)電等為代表的新能源產(chǎn)業(yè)。光伏發(fā)電利用太陽能產(chǎn)生電力供應(yīng)，發(fā)電過程沒有機械轉(zhuǎn)動部件，無噪聲；不消耗不可再生的化石燃料，不排放二氧化碳和其它有毒溫室氣體，無污染，是一種理想的可再生能源發(fā)電技術(shù)。

為了節(jié)約和利用土地資源，光伏電站一般建在偏遠的沙漠或者高高的屋頂，人們不容易輕易到達，給光伏電站的維護與監(jiān)控增加了困難。

目前，光伏電站的遠程通信和監(jiān)控，主要采用兩種方法：

一是利用國際互聯(lián)網(wǎng)INTERNET，即因特網(wǎng)。因特網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議進行信息傳輸。

二是利用手機運營商提供的移動通信網(wǎng)絡(luò)，比較典型的有GSM和CDMA。GSM是Global System for Mobile Communication（全球移動通信系統(tǒng)）的縮寫，CDMA是Code Division Multiple Access(碼分多址)的英文縮寫。

這兩種方法的缺點在于：

1、覆蓋范圍窄。在光伏電站建設(shè)的偏遠和農(nóng)村地區(qū)和沙漠等人口稀少的地區(qū)，因特網(wǎng)和移動通信網(wǎng)絡(luò)都很難到達。

2、通信成本高。在因特網(wǎng)聯(lián)通的城市，連接到因特網(wǎng)，需要按月或者按流量支付網(wǎng)絡(luò)通信費，一般在1000元每年左右；因特網(wǎng)沒有聯(lián)通的偏遠地區(qū)，其成本難以評估。

使用移動網(wǎng)絡(luò)的成本更高，如果以短信息等形式收發(fā)信號，以1分鐘一條0.1元計，每天通信10小時，則需要60元每天，一年的通信費高達21900元。

3、安全保密性差。根據(jù)2014年國家發(fā)改委《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護規(guī)定》（14號令）、2015國家能源局印發(fā)的《關(guān)于印發(fā)電力監(jiān)控安全防護方案和評估規(guī)范的通知》（國家安全[2015]36號）、2016國家電網(wǎng)《國調(diào)中心關(guān)于組織簽訂并網(wǎng)調(diào)度協(xié)議補充條款的通知》（調(diào)技[2016]74號）等文件都對電站監(jiān)控系統(tǒng)提供了安全要求。使用因特網(wǎng)和手機移動3G、4G網(wǎng)容易受到黑客及惡意代碼的入侵和攻擊，不利于安全保密通信。

4、無法實現(xiàn)對建筑物的穩(wěn)性監(jiān)控。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種系統(tǒng)覆蓋范圍廣的、全面實現(xiàn)光伏電站數(shù)據(jù)的采集與顯示、光伏發(fā)電站的調(diào)度管理、故障監(jiān)測與報警的利用北斗通信終端實現(xiàn)光伏電站遠程監(jiān)控的裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足。

本實用新型解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是：一種利用北斗通信終端實現(xiàn)光伏電站遠程監(jiān)控的裝置，包括設(shè)置在電力調(diào)度中心的主站點和多個設(shè)置在各個光伏電站的子站點，各子站點設(shè)置數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊通過通信模塊與主站點的數(shù)據(jù)服務(wù)中心雙向連接，數(shù)據(jù)服務(wù)中心連接客戶端數(shù)據(jù)處理模塊，客戶端數(shù)據(jù)處理模塊連接國家電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)，各子站點的數(shù)據(jù)采集模塊與主站點數(shù)據(jù)服務(wù)中心之間通過北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的通信鏈路進行連接。

所述數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集裝置、微控制器、蓄電池充放電控制器、公共傳感器，所述微控制器分別與數(shù)據(jù)采集裝置、蓄電池充放電控制器、公共傳感器連接，所述公共傳感器用于檢測溫度、濕度、風速數(shù)據(jù)。

所述北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)包括北斗差分高精度定位系統(tǒng)，北斗終端通過接收差分北斗導(dǎo)航站的修正數(shù)據(jù)或與多個北斗終端配合，得到高精度的子站點建筑物或電站基座穩(wěn)定度數(shù)據(jù)。

本實用新型的有益效果是：

1）本實用新型利用北斗終端的雙向通信功能構(gòu)建光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)主站點與子站點之間的數(shù)據(jù)通信，具有覆蓋范圍廣的、全面實現(xiàn)光伏電站數(shù)據(jù)的采集與顯示、光伏發(fā)電站的調(diào)度管理、故障監(jiān)測與報警的優(yōu)點。

2）本實用新型利用北斗終端的精密定位功能，在通信的同時實現(xiàn)對安裝光伏電站的基座和建筑物進行建筑位移和穩(wěn)定性監(jiān)控。

附圖說明

圖1是本實用新型的并網(wǎng)光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖2是本實用新型的基于北斗的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實用新型的光伏子站子高精度差分定位結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“橫向”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包含一個或者更多個該特征。在本實用新型的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)作廣義理解，例如，可以是固定連接。也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本實用新型的具體含義。

本發(fā)明利用北斗通信終端實現(xiàn)光伏電站的遠程通信和監(jiān)控，并實現(xiàn)建筑物穩(wěn)定性監(jiān)控的附加功能。它包括設(shè)置在電力調(diào)度中心的主站點和多個設(shè)置在各個光伏電站8的子站點7，各子站點設(shè)置數(shù)據(jù)采集模塊1，數(shù)據(jù)采集模塊通過通信模塊2與主站點的數(shù)據(jù)服務(wù)中心10雙向連接，數(shù)據(jù)服務(wù)中心連接客戶端數(shù)據(jù)處理模塊4，客戶端數(shù)據(jù)處理模塊連接國家電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)SPDnet，各子站點的數(shù)據(jù)采集模塊與主站點數(shù)據(jù)服務(wù)中心之間通過北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的通信鏈路進行連接。

所述數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集裝置、微控制器、蓄電池充放電控制器、公共傳感器，所述微控制器分別與數(shù)據(jù)采集裝置、蓄電池充放電控制器、公共傳感器連接，所述公共傳感器用于檢測溫度、濕度、風速數(shù)據(jù)。

所述北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)包括北斗差分高精度定位系統(tǒng)，北斗終端6通過接收差分北斗導(dǎo)航站的修正數(shù)據(jù)或與多個北斗終端配合，得到高精度的子站點建筑物或電站基座穩(wěn)定度數(shù)據(jù)。

1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本實用新型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計主要分為三個層級結(jié)構(gòu)：從下往上依次包括：光伏電站信號采集層、通信鏈路層和多電站集中監(jiān)控層，主站點位于集中監(jiān)控層。從而整個系統(tǒng)由四大模塊組成：數(shù)據(jù)采集模塊1、通信模塊2、數(shù)據(jù)服務(wù)模塊3、客戶端數(shù)據(jù)處理模塊4。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

系統(tǒng)涉及光伏電站的數(shù)據(jù)采集、控制和通信，特別涉及北斗全天候通信終端的高精度定位與遠程通信。系統(tǒng)包含一個設(shè)置在電力調(diào)度中心的主站點和多個設(shè)置在各個光伏電站的子站點。主站點是光伏發(fā)電系統(tǒng)的通信指揮和監(jiān)控中心，主站點的客戶端數(shù)據(jù)處理模塊通過調(diào)度數(shù)據(jù)服務(wù)中心模塊，采用北斗通信終端實現(xiàn)與N個子站點的雙向通信，數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性有足夠的保障。主站點根據(jù)各個子站點的信息，對光伏電站進行綜合調(diào)度與管理，優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布，降低電網(wǎng)損耗。

2、基于北斗的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

基于北斗的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由安裝在各個光伏電站子站點和升壓變電所端的測量裝置和主站點的電力管理監(jiān)控系統(tǒng)組成。各子站點的數(shù)據(jù)測量裝置與監(jiān)控系統(tǒng)主站點之間通過北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的通信鏈路以及地面的高速數(shù)據(jù)鏈路進行連接，通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

主站點服務(wù)器（客戶端）和數(shù)據(jù)服務(wù)中心是電力管理監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，數(shù)據(jù)服務(wù)中心通過北斗終端接收來自各子站點信息，數(shù)據(jù)服務(wù)中心對接收到的數(shù)據(jù)初步處理后提供兩個數(shù)據(jù)通路：一路給將信息經(jīng)過衛(wèi)星5轉(zhuǎn)發(fā)到各子站點進行相應(yīng)的控制。另一路發(fā)送給主服務(wù)器9，可通過INTERNET 網(wǎng)，連接到國家電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)SPDnet。主站點服務(wù)器和數(shù)據(jù)處理中心聯(lián)合對接收到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的存儲、分析、處理、監(jiān)控等。國家電網(wǎng)及電站監(jiān)控系統(tǒng)主站點對變電所和發(fā)電站的操作指令信號則以相反的路徑方式傳達，可以對各光伏發(fā)電子站點完成電力調(diào)度，動態(tài)調(diào)控以及遠程遙控功能。

國家電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)SPDnet(state Power Dispatching Network)是電力生產(chǎn)實時信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕畔⑹请娏φ{(diào)度實時數(shù)據(jù)、生產(chǎn)治理數(shù)據(jù)、通信監(jiān)測數(shù)據(jù)等，是電力指揮安全生產(chǎn)和調(diào)度自動化的重要基礎(chǔ)，在協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)發(fā)、送、變、配、用電等組成部分的聯(lián)合運轉(zhuǎn)及保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定、可靠的運行方面發(fā)揮要害的作用。目前，全國已形成五級調(diào)度治理系統(tǒng)。電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)主要由國家電力調(diào)度數(shù)據(jù)一級網(wǎng)，區(qū)域二級網(wǎng)，省級三級網(wǎng)，地市四級網(wǎng)和縣級五級網(wǎng)，覆蓋各級調(diào)度中心和直調(diào)發(fā)電廠、變電站。目前一級網(wǎng)基本建成，二、三級網(wǎng)工程正在實施，少數(shù)省市已經(jīng)開始建設(shè)四級網(wǎng)。其主要是用于調(diào)度實時數(shù)據(jù)間的通信 它連接的是調(diào)度中心的一區(qū)和二區(qū) 該兩區(qū)主要有EMS SCADA等系統(tǒng) 方便各級調(diào)度中心這兩個分區(qū)內(nèi)部之間的通信。

3、光伏電站所在建筑物或光伏電站基座位移監(jiān)控

兩個及以上的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)終端，與差分數(shù)據(jù)結(jié)合，可以實現(xiàn)厘米甚至更高級別的定位精度。如果光伏電站建立在高樓大廈的頂端，或者電站基座不牢，則可以利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度定位功能，實現(xiàn)對它們的實時監(jiān)控，預(yù)防因為建筑物因過度搖擺或位移，導(dǎo)致的傾覆風險。這項應(yīng)用使得光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)在實現(xiàn)二次側(cè)電氣數(shù)據(jù)通信的同時，對建筑物的穩(wěn)定性同時監(jiān)控，保證了光伏電站及建筑物的安全。

變形觀測主要包括沉降觀測、位移觀測、撓度觀測、轉(zhuǎn)動角度觀測和振動觀測等，觀測光伏電站的基座穩(wěn)定性是保證電站正常運營的基礎(chǔ)之一。對于建設(shè)在建筑物屋頂?shù)碾娬?，在對電站基座的變形觀測的同時實現(xiàn)對建筑物的安全監(jiān)測也具有重要意義。變形觀測是對建筑物及其地基由于荷重和地質(zhì)條件變化等外界因素引起的各種變形（空間位移）的測定工作。利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和實時差分算法（Real Time Kinematic，RTK），可以實現(xiàn)高精度的定位，用來了解建筑物的穩(wěn)定性，監(jiān)視建筑物的安全情況和變形規(guī)律，在發(fā)生異常時，檢查是光伏基座還是建筑物本身的問題，可提前預(yù)防和采取措施，保證系統(tǒng)的可靠性。在本系統(tǒng)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)兼顧定位與通信功能，實現(xiàn)了高效利用。

如圖3所示，對于需要進行建筑位移監(jiān)控即精確定位的子站點，它們可以用兩種方法提供定位精度，一是接收差分北斗導(dǎo)航站11發(fā)送的無線廣播數(shù)據(jù)，進行自身的定位數(shù)據(jù)修正。另一種方法是通過已經(jīng)精確定位的基準站點12，將實際位置與北斗計算的定位位置比較得到定位誤差修正數(shù)據(jù)，然后將定位誤差修正數(shù)據(jù)以無線數(shù)據(jù)廣播或者北斗通信鏈路的方式傳送給目標子站點。

綜上所述，本實用新型利用北斗通信終端實現(xiàn)光伏電站遠程監(jiān)控，其特點如下：

1、覆蓋范圍廣

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)為用戶提供了精確定位、精密授時以及獨有的短報文通信功能，為用戶提供了一個全球化、全天候的雙向通信平臺。北斗目前的覆蓋范圍東經(jīng)約70°~140°，北緯5°~55°，已經(jīng)實現(xiàn)對整個中國和東南亞地區(qū)的全覆蓋。

利用北斗終端的通信功能，可以實現(xiàn)全天侯的數(shù)據(jù)采集與通信，只要在能夠見到天空的地方都能良好的通信，這與光伏發(fā)電的特性一致。采用北斗通信的系統(tǒng)利用無線的方法，不需要進行線路的維護，可靠性非常高；對于大型的光伏電力公司，只要一個監(jiān)控中心即可實現(xiàn)對下屬所有電站的監(jiān)控。

2、功能全面。

按照 “無人值班、少人值守”的原則設(shè)計光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)，在電氣二次側(cè)可以全面實現(xiàn)對光伏電站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控以及相關(guān)的維護工作。

1）實現(xiàn)光伏電站數(shù)據(jù)的采集與顯示

在光伏電站，每個發(fā)電單元包括光伏陣列、匯流箱、直流防雷柜、逆變器、分裂變壓器及相應(yīng)的監(jiān)控、保護設(shè)備組成。實時動態(tài)監(jiān)測發(fā)電站的發(fā)電相關(guān)信息，監(jiān)測數(shù)據(jù)反映系統(tǒng)發(fā)電的動態(tài)特征。包括各太陽能電池組件模塊的電壓、電流、上網(wǎng)功率、逆變器、匯流箱、電池板、蓄電池組及其控制器、環(huán)境溫度等底層設(shè)備的實時數(shù)據(jù)及狀態(tài)的采集。

2）光伏發(fā)電站的調(diào)度管理

光伏電站的運營，需要進行一些維護性的工作，實現(xiàn)對電站的遠程動態(tài)控制如逆變器并網(wǎng)開關(guān)的通斷、光伏電池陣列的清洗以及異常天氣的應(yīng)對等類似的維護工作。系統(tǒng)還要實現(xiàn)遠距離和本地對光伏電站設(shè)備的調(diào)度管理，通過簡單易用的參數(shù)設(shè)置功能，簡化值班人員工作。系統(tǒng)要實現(xiàn)遠距離測試、遠距離控制、遠距離通信以及遠距離調(diào)度多功能為一體，具備高可靠性，保證整個電站的安全可靠運行和全年不間斷穩(wěn)定工作。需要進行設(shè)置和修改的參數(shù)包括數(shù)據(jù)采集間隔時間、故障診斷的閾值、太陽光輻射警告閥值、需要開啟圖像采集等。

3）故障監(jiān)測與報警

監(jiān)控系統(tǒng)所有設(shè)備的運行狀態(tài)，當設(shè)備出現(xiàn)故障時立即報警提示，并存儲故障信息，包括故障發(fā)生的時間和故障原因供分析人員查看。光伏電站運行故障包括電網(wǎng)電壓和頻率異常，逆變器過載、短路、溫度超高、孤島運行，蓄電池充電異常、溫度過高以及控制器和通信鏈路等。這些故障需要及時處理，呼叫維護人員修理設(shè)備，恢復(fù)通信。基于北斗導(dǎo)航的光伏電站管理系統(tǒng)具備事故與緊急事件處理和報警的功能。當某個設(shè)備發(fā)生異常時，系統(tǒng)能夠迅速識別、定位發(fā)出報警信號，從而采取相應(yīng)的處理措施。

4）實現(xiàn)電力管理系統(tǒng)的精確授時

由于各個光伏電站大多采用各自獨立的時鐘，因而彼此之間存在較大的時間偏差，沒有統(tǒng)一的時間基準，不利于運行維護和數(shù)據(jù)分析。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的常規(guī)時間精度可達1us以下，通過建立統(tǒng)一的時間同步系統(tǒng)，可以統(tǒng)一所有設(shè)備、系統(tǒng)時間，較好地滿足運行監(jiān)控和事故后故障分析、處理的需要，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的同步。

5）電站基座與建筑物異常監(jiān)控

利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和實時差分算法（Real Time Kinematic，RTK），可以實現(xiàn)高精度的定位，用來了解建筑物的穩(wěn)定性，監(jiān)視建筑物的安全情況和變形規(guī)律，在發(fā)生異常時，檢查是光伏基座還是建筑物本身的問題，可提前預(yù)防和采取措施，保證系統(tǒng)的可靠性。在本系統(tǒng)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)兼顧定位與通信功能，實現(xiàn)了高效利用。

6）電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r有效保密傳輸

電力管理系統(tǒng)可以利用北斗衛(wèi)星通信鏈路實現(xiàn)監(jiān)控中心與各個子光伏發(fā)電站之間或者光伏電站相互之間的通信能力，從而保證系統(tǒng)運行與控制數(shù)據(jù)的實時傳輸。除了保證通信的可靠性與實時性，也必須保證通信的保密性，防止外界攻擊與干擾。

3、經(jīng)濟價值高。本發(fā)明的方法，在經(jīng)濟價值上可以拓展北斗系統(tǒng)使用范圍，有利于北斗系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，其硬件價格和通信成本都比較低，安裝調(diào)試方便，有市場前景。

4、在因特網(wǎng)覆蓋區(qū)域，還可以采用北斗與因特網(wǎng)聯(lián)合的方式進行監(jiān)控，重要的安全數(shù)據(jù)采用北斗系統(tǒng)進行保密通信，而電站現(xiàn)場視頻等不太重要的數(shù)據(jù)采用因特網(wǎng)或移動網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而實現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信。

盡管已經(jīng)示出和描述了本實用新型的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的范圍由權(quán)利要求及其等同替換所限定，在未經(jīng)創(chuàng)造性勞動所作的改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。