太陽能(也稱光伏)電站大多是由數(shù)以百計(jì)、千計(jì)的光伏電池板組成的。光伏電站工作的穩(wěn)定性和輸出功率與光伏陣列是相關(guān)的，甚至與每一塊光伏電池板的工作狀態(tài)相關(guān)。如何對龐大的光伏陣列進(jìn)行監(jiān)測和故障診斷是維持光伏電站正常工作的首要問題。目前，光伏陣列的主要問題是熱斑現(xiàn)象。所謂的熱斑現(xiàn)象就是光伏電池板中部分光伏電池單體由于長時(shí)間被遮擋，導(dǎo)致其產(chǎn)生的電流小于其他沒被遮擋的光伏電池單體產(chǎn)生的電流，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，這些被遮擋的光伏電池單體會(huì)帶負(fù)電壓，成為電路中的負(fù)載，并以熱量形式消耗其他正常工作的光伏電池單體產(chǎn)生的功率，這種熱量的長時(shí)間積累會(huì)損壞光伏電池板的封裝材料，甚至破壞光伏電池板的物理結(jié)構(gòu)，并將造成永久損壞。
目前，光伏陣列的監(jiān)測方法主要有直接法和間接法。直接法是直接測量每塊電池板的電壓和電流，用總線技術(shù)將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)判斷。該方法存在規(guī)劃布線、預(yù)設(shè)接口、線路檢測、線路擴(kuò)容等一系列與傳輸路徑有關(guān)的問題。間接法是通過測量電池的溫差來判斷電池的工作狀態(tài)。然而此種方法存在一些缺陷，如不能區(qū)分溫度相差不明顯的狀態(tài)，實(shí)時(shí)性差，故障檢測的精度和效率取決于檢測設(shè)備(紅外熱像儀)的等級(jí)，不易實(shí)現(xiàn)在線故障分析和報(bào)警等等。
對比上述兩種監(jiān)測方法，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對光伏陣列進(jìn)行監(jiān)測具有無可比擬的優(yōu)越性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向三維空間傳送數(shù)據(jù)，中間無需導(dǎo)體介質(zhì)，節(jié)省人力和維護(hù)費(fèi)。網(wǎng)絡(luò)自組織性和容錯(cuò)性高，易于重新布網(wǎng)。監(jiān)測數(shù)據(jù)無人為干擾，所獲數(shù)據(jù)資料原始準(zhǔn)確，有利于科學(xué)研究及系統(tǒng)后續(xù)改進(jìn)與優(yōu)化。
該方案基于ZigBee技術(shù)的光伏陣列監(jiān)測系統(tǒng)，采用四信ZigBee設(shè)備組網(wǎng)。
1 項(xiàng)目架構(gòu)實(shí)施方案
該項(xiàng)目有５０個(gè)分區(qū)，每分區(qū)有１４個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)之間的距離在１００米左右，根據(jù)ZigBee的組網(wǎng)優(yōu)勢最適合于此網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)組網(wǎng)方式，ZigBee最大傳輸距離可達(dá)２０００米，其中還支持路由中繼功能增強(qiáng)通信距離，達(dá)到短距離與遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。
1. 1 系統(tǒng)組成
整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)劃分為三層：采集終端層、數(shù)據(jù)傳輸層和應(yīng)用管理層。采集終端層起執(zhí)行者的作用，包含監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)以多跳的形式傳輸給中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將ZigBee監(jiān)測區(qū)域子網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)傳輸層。數(shù)據(jù)傳輸層起通信橋梁的作用，負(fù)責(zé)整合采集層上傳的數(shù)據(jù)并發(fā)送至應(yīng)用管理層。應(yīng)用管理層主要是監(jiān)控中心，起決策者的作用，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析判斷和系統(tǒng)的管理維護(hù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控查詢和預(yù)警。
1.1.1采集終端層設(shè)備
整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)參數(shù)的運(yùn)行狀況，采集終端層設(shè)備就是用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的參數(shù)采集，例如，光伏組件電壓、電流采樣模塊負(fù)責(zé)采樣光伏組件的電壓電流數(shù)值，判斷光伏組件是否發(fā)生故障，溫度、濕度、光照等傳感器負(fù)責(zé)采樣環(huán)境數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)優(yōu)化和光伏組件調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持，采集終端層設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過RS232/RS485串口發(fā)送給四信ZigBee傳輸設(shè)備，或者也可以通過四信ZigBee設(shè)備直接采集系統(tǒng)的模擬量數(shù)據(jù)。
1.1.2 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備
ZigBee數(shù)據(jù)傳輸層主要由F8914和F8125設(shè)備組成，F(xiàn)8914是純ZigBee終端產(chǎn)品，負(fù)責(zé)子節(jié)點(diǎn)及路由的網(wǎng)絡(luò)組建，而F8125是ZigBee網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，一般作為協(xié)調(diào)器來負(fù)責(zé)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的管理及ZigBee數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，支持轉(zhuǎn)發(fā)到局域網(wǎng)或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)控平臺(tái)。當(dāng)ZigBee設(shè)備從采集終端層接收到數(shù)據(jù)后，通過自組建的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)送到應(yīng)用管理層，同時(shí)，應(yīng)用管理層也可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)對各個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信以達(dá)到遙測、遙控的目的。
1.1.3 應(yīng)用管理層
應(yīng)用管理層主要為中心監(jiān)控系統(tǒng)，中心監(jiān)控系統(tǒng)主要由服務(wù)器機(jī)組和平臺(tái)軟件主組成，當(dāng)中心監(jiān)控系統(tǒng)接收到傳輸層發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行各種控制操作，如發(fā)出告警信息、向終端監(jiān)控設(shè)備發(fā)出控制指令等。
1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
如下圖：
A、一個(gè)小網(wǎng)絡(luò)由14個(gè)匯流箱與1個(gè)逆變器組成，之間的距離一般在200米范圍內(nèi)，14個(gè)匯流箱通過RS232/RS485串口連接14個(gè)F8914-E作為終端模式，在逆變器中裝配1個(gè)F8914-E作為路由器模式；
B、再通過逆變器中的F8914與監(jiān)控中心的F8125建立連接，逆變器與監(jiān)控中心的距離如果超出1公里以上，建議在每一公里處加1個(gè)F8914作為中繼器，由中繼器與協(xié)調(diào)器連接；
C、作為中繼器的F8914-E，只要現(xiàn)場安裝在合理的距離位置，做好供電及防水防塵即可工作；
D、協(xié)調(diào)器采用F8125與現(xiàn)場的F8914通信，F(xiàn)8125通過RJ45與控制中心電腦連接。
E、天線采用1米-3米的7DB高增益天線，通過吸盤安裝于機(jī)箱外，同時(shí)為避免大風(fēng)吹掉在吸盤位置加以螺絲固定。
F、以14個(gè)終端為一個(gè)子網(wǎng)，50個(gè)子網(wǎng)，加上中繼器，共700多個(gè)F8914終端，網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品F8125需要數(shù)個(gè)。
單個(gè)片區(qū)的組網(wǎng)如下圖所示：
監(jiān)控中心與采集片區(qū)距離較遠(yuǎn)時(shí)，可采用ZigBee+GPRS的方式組網(wǎng)，通過ZigBee設(shè)備F8914傳輸?shù)綆PRS的中心節(jié)點(diǎn)F8114上，然后中心節(jié)點(diǎn)F8114將ZigBee數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，然后通過GPRS運(yùn)營商網(wǎng)傳輸?shù)綉?yīng)用管理層的監(jiān)控中心。
組網(wǎng)如下圖：
1.3 其他組網(wǎng)方式
四信ZigBee設(shè)備不僅可以使用數(shù)據(jù)透明傳輸，同時(shí)支持IO采集，在該方案中，我們也可以使用ZigBee設(shè)備當(dāng)作終端IO采集和數(shù)據(jù)傳輸。四信ZigBee設(shè)備提供5路IO，3路模擬量輸入、2路數(shù)字量、脈沖輸入輸出。模擬量輸入為電壓量和電流量，電壓的輸入量程為0-5V，電流的輸入量程為0-20mA，數(shù)字量輸入輸出的量程為0-3.3V，采集精度為12位。
四信ZigBee設(shè)備IO口采集數(shù)據(jù)時(shí)，需要將設(shè)備應(yīng)用模式設(shè)置為AT或者API模式才可以，這種應(yīng)用模式與數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐競髂Ｊ絽^(qū)別在于，透傳模式，主要用于數(shù)據(jù)的透傳，中心發(fā)送的數(shù)據(jù)以廣播的方式發(fā)送，不能指定終端，除非每次修改透傳地址；AT模式，用于數(shù)據(jù)采集端和接收端監(jiān)控模式，IO采集上報(bào)數(shù)據(jù)以AT指令形式上報(bào)，同時(shí)AT模式下中心節(jié)點(diǎn)可使用AT+TXA=網(wǎng)絡(luò)地址，數(shù)值來指定發(fā)送給哪個(gè)ZigBee終端；API模式，與AT模式功能是一樣的，API模式是采用16進(jìn)制數(shù)發(fā)送的，而且發(fā)送的值都有校驗(yàn)碼，異或和檢驗(yàn)。
使用ZigBee設(shè)備IO口采集數(shù)據(jù)時(shí)，將設(shè)備應(yīng)用模式設(shè)置為AT模式下，當(dāng)IO口采集到數(shù)據(jù)時(shí)，有兩種上報(bào)數(shù)據(jù)模式，當(dāng)上報(bào)時(shí)間設(shè)置為非0數(shù)值時(shí)，則為主動(dòng)上報(bào)，IO口采集的數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置的每幾秒上報(bào)一次；當(dāng)上報(bào)時(shí)間設(shè)置為0時(shí)，則為被動(dòng)上報(bào)，需要上位機(jī)軟件發(fā)送指令A(yù)T+NVn=<網(wǎng)絡(luò)地址> 來查看采集到的數(shù)據(jù)，模擬量采集需要根據(jù)公式換算之后才得到真正的值，換算公式如下：
電壓 =（采集值）*3.3*20.16/(2047*12.1) (V)
3.3：電壓
20.16：電阻值 //內(nèi)部用了兩個(gè)電阻 12.1（電阻1）+8.06（電阻2）
2047：ADC量程 2的11次方
12.1：電阻1
電流 =（采集值）*3.3*1000/(2047*150) （mA）
3.3：電壓
1000: mA單位轉(zhuǎn)換
2047：ADC量程 2的11次方
150：電阻值
同時(shí)，使用ZigBee設(shè)備IO采集時(shí)，上位機(jī)軟件需要根據(jù)四信的協(xié)議開發(fā)，也就是要根據(jù)說明書上的AT指令格式開發(fā)才可以。
2 方案特點(diǎn)
ZigBee以其靈活、可靠、易于布置等特點(diǎn)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。將其應(yīng)用于光伏陣列監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：
1、無線化，減少光伏陣列監(jiān)測系統(tǒng)的連線的復(fù)雜度。
2、成本低，ZigBee協(xié)議簡單且免收專利費(fèi)。
3、智能化，各ZigBee節(jié)點(diǎn)自動(dòng)搜索建立連接。
4、支持星型，樹型，網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大網(wǎng)絡(luò)連接能力強(qiáng)，可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。
5、傳輸模塊采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，金屬外殼，外接電源DC 12V/500mA；通信電流：<250mA (12V)；工作環(huán)境溫度 -25~+65ºC；儲(chǔ)存溫度 -40~+85ºC；相對濕度 95%(無凝結(jié))；多重軟硬件看門狗設(shè)計(jì)，適用于油井野外工作。
6、ZigBee終端空曠視距離良好環(huán)境無線通信距離2000米。
7、ZigBee通訊不需要任何費(fèi)，為整個(gè)項(xiàng)目節(jié)省大量的費(fèi)用支出。
8、設(shè)備配置操作簡單，易懂 ，集成化程度高，技術(shù)成熟，安裝方便。
隨著需求的增長和技術(shù)的進(jìn)一步成熟，ZigBee在各種遠(yuǎn)程監(jiān)測應(yīng)用中會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用前景。
3 方案總結(jié)
ZigBee無線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采集穩(wěn)定、可靠、方便、實(shí)用。安裝費(fèi)用低廉，維護(hù)簡單，無優(yōu)升級(jí)，不需要租用公網(wǎng)，也無須巨額運(yùn)行費(fèi)用。這是現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的最優(yōu)解決方案。