CN102402213A - 基于异构网络的风光互补电站远程监控*** - Google Patents

基于异构网络的风光互补电站远程监控*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于异构网络的风光互补电站远程监控***，该***包括：现场监控网络单元、异构网络通信转换接口单元、无线通信网络单元、无线网关单元、远程访问和控制单元，五个单元依次连接。本发明由有线监控网络和无线监控网络共同组成，这样既能满足风光互补电站及其所供电设备的现场实时监控需要，又能便于各个电站监控数据的收发、汇聚与远程传送，具备实时性高、可靠性强、建设和运行成本低、监控范围广和可扩展性强的优点。

Description

基于异构网络的风光互补电站远程监控***
技术领域
本发明涉及一种远程监控***，具体涉及一种基于异构网络的风光互补电站远程监控***。
背景技术
近年来，风能和太阳能作为最有潜力和最为理想的清洁能源得到了越来越多国家的关注和研究。两种清洁能源有着可再生、无污染、分布广泛的优点，但同时也有着能量密度低、随机性强等弱点。尤其对于小容量发电***，两者都很难单独作为稳定连续的电能供应源。同时人们研究发现二者有着很好的互补性，若将两者按照合理的容量配置互补运行并安装合适的蓄电池组进行能量存储和负载的均衡，则能够使二者的弱势得以均衡，得到比较稳定的电源输出。这种结构的发电***被称为风光互补发电***。
风光互补发电***的核心是电站控制***，不仅涉及到对光伏发电装置、风力发电装置、蓄电池充放电***的监控，还需要涉及到对交流或直流负载运行状况以及温、湿度等外部环境状况的监测。目前，以边远海岛和农牧区、无人值守的通信基站和气象站、电动车充电桩以及单位或家庭等使用为代表，风光互补发电***的需求量越来越大，对电站控制***的自动化程度要求也越来越高。由于布线成本高和监控手段的缺乏，现有的风光互补电站监控***主要都是基于本地的单一电站监控制方式，控制***的信息化集成度不高，各个电站自成***形成“信息孤岛”，导致同一地区多个电站的运行、操作结果不能集中监视、记录和统计，操作与维护大量依靠手工进行，达不到量化管理的要求，给风光互补发电设备的运行监控、故障诊断与排除带来困难。
为了对分散在同一地区的风光互补电站进行集中实时监控，并将监控数据及时传送给电站管理部门，迫切需要构建一种智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络***，使风光互补电站的监控和管理更多地脱离人工干预，提高自动化程度，实现无人操纵、过程自动控制及远程监控，改善***性能。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于异构网络的风光互补电站远程监控***。
技术方案：为达到上述目的，本发明提供了一种基于异构网络的风光互补电站远程监控***，该***包括：现场监控网络单元、异构网络通信转换接口单元、无线通信网络单元、无线网关单元、远程访问和控制单元，五个单元依次连接。
所述现场监控网络单元由多个风光互补电站现场监控装置组成，每个风光互补电站现场监控装置均通过CAN总线连接各监控节点，通过CC-Link总线或RS485总线连接负载设备。
所述监控节点包括光伏发电监控节点、风力发电监控节点、蓄电池充放电监控节点、外部环境监测节点、DC/AC逆变器监控节点、DC/DC变换器监控节点。
CAN总线连接风光互补电站中的各主要监控节点（核心控制元件为8位或16位微控制器），实现对太阳能跟踪调节装置、光伏电池板输出电压和电流、风能跟踪调节装置、风力发电机输出电压和电流、蓄电池温度、蓄电池电压和电流、直流负载电压和电流、交流负载电压和电流以及外部环境的温度、湿度、光照度、风速等的监控数据采集与传送；考虑到许多用电负载设备内部本身就含有通信总线结构（如CC-Link总线、RS485总线等），因此风光互补电站现场监控网络单元通信接口中也设计包含了一般常用的现场用电设备通信总线，使得现场用电设备可以与风光互补电站间实现数据通信，从而能够通过风光互补电站远程监控网络将现场用电设备的运行状态数据向外传送，也能接收远程监控中心的控制指令，实现对现场用电设备的远程控制。
所述异构网络通信转换接口单元由多个转换节点组成，每个转换节点对应一个风光互补电站。
为了实时准确地完成通信数据转换任务，异构网络通信转换接口单元需要采用8位或16位微控制器作为核心控制元件，该控制器可提供多种总线通信接口，或外扩通信接口，以实现与各种异构通信网络接口的之间连接；同时为了便于对通信数据转换以及数据收发状况及时了解和控制，微控制器***还需外扩人机界面及继电器输出控制。
所述无线通信网络单元由ZigBee网络路由器、ZigBee网络协调器、多个网络收发节点组成，一个风光互补电站配置一个收发节点。
通过无线通信网络单元可以将同一区域中分散在不同位置的风光互补电站及负载工作状态数据以无线方式进行传送、汇聚，为进一步向上位机和用户传送提供保障。反之，也可通过无线通信网络单元将上位机或用户的控制指令向下分发给各个网络收发节点，以便进一步通过异构网络通信转换接口的数据转换向相应的有线通信网络发送，直至到达相应的监控节点。
所述无线网关单元包括ARM嵌入式***，采用基于ARM架构的32位微处理器S3C2440，所述ARM嵌入式***通过串口与网络协调器相连接，ARM嵌入式***通过USB接口与Internet网络无线网卡连接，ARM嵌入式***通过串口与GPRS通信模块相连接。
所述远程访问和控制单元通过两种方式进行远程访问和控制，一是由远程监控中心计算机终端通过Internet网络以网页浏览的方式进行，二是通过用户手机终端通过GPRS网络以短信通信方式进行。
有益效果：本发明的一种基于异构网络的风光互补电站远程监控***，具备实时性高、可靠性强、建设和运行成本低、监控范围广和可扩展性强的优点，通过有线通信网络与无线通信网络相结合的方式，不仅满足了现场监控较高的实时性要求，而且使风光互补电站的监控和管理更多地脱离了人工干预，改善了***性能，进一步提高了***响应的实时性；采用多种通信网络类型、多层通信网络结构、多种微控制器等技术，有效提高了远程监控***的可靠性；通过异构通信网络将风光互补电站远程监控与现场用电设备远程监控联系在一起，现场用电设备可以利用原有的通信方式和通信接口，同时利用已有的社会资源GPRS网络和Internet网络作为信息传递的媒介，能够覆盖绝大部分地区，基本不存在盲区，且使***的投资大幅下降，***运行维护成本降低，传输速度快，为大范围、大批量使用提供了可能，省了人力资源，提高了通信效率，具有很大的实用价值；采用基于ZigBee的无线通信网络，对应于每个风光互补电站的ZigBee终端节点数量可以根据现场实际情况灵活增加，因此具有很强的***扩展性。
附图说明
图1是本发明的风光互补电站远程监控***总体结构示意图；
图2为本发明的异构网络通信转换接口单元结构示意图；
图3为本发明的无线网关单元结构示意图。
具体实施方式
如图1所示的本发明的风光互补电站远程监控***总体结构示意图，该***包括：现场监控网络单元1、异构网络通信转换接口单元2、无线通信网络单元3、无线网关单元4、远程访问和控制单元5五个单元，现场监控网络单元1由多个风光互补电站现场监控装置组成，每个风光互补电站现场监控装置均通过CAN总线连接各监控节点，通过CC-Link总线或RS485总线连接负载设备，通过CAN总线连接的监控节点主要有光伏发电监控节点6、风力发电监控节点7、蓄电池充放电监控节点8、外部环境监测节点9、DC/AC逆变器监控节点10、DC/DC变换器监控节点11。异构网络通信转换接口单元2由若干转换节点12组成，每个转换节点12对应一个风光互补电站，实现CAN总线、CC-Link总线及RS485总线网络通信数据与ZigBee无线网络通信数据之间的数据转换。各风光互补电站的现场监控数据经转换后形成的无线通信数据均经由无线通信网络单元3中的ZigBee网络路由器13向ZigBee网络协调器14传送，再经ZigBee网络协调器14向无线网关单元4传送。ZigBee网络路由器13由ZigBee的全功能设备组成，其主要的功能就是对现场监控网络单元转换并传送来的数据进行路由。协调器主要负责将路由器路由来的数据暂时保存，等待上位机进行访问。另外，协调器还负责对其所管辖的ZigBee网络进行维护，接收上位机的命令信息并更改网络的参数。无线网关单元4的核心是ARM嵌入式***15，采用基于ARM架构的32位微处理器S3C2440。ARM嵌入式***15通过串口与ZigBee网络协调器14相连接，通过USB接口与Internet网络无线网卡16相连接，通过串口与GPRS通信模块17相连接，实现无线通信网络单元3与GPRS网络和Internet网络之间的通信数据转换和通信连接。无线网卡16通过局域网无线路由器18将ARM嵌入式***15加入Internet网，便可由远程监控中心19的计算机终端访问无线通信网络所采集并传送到的监控数据，还可以通过计算机终端人机操作界面远程控制风光互补电站内的执行器件，维护***稳定。远程监控中心19具有丰富友好的图形用户界面，实时的电站控制、状态显示、故障报警、数据统计，报表生成等功能，实现风光互补电站管理自动化。GPRS通信模块17可使远程用户手机终端20通过手机短信的方式来了解风光互补电站内外部环境的各项数据指标，控制风光互补电站内的执行器件。
如图2所示的本发明的异构网络通信转换接口单元结构示意图，异构网络通信转换接口单元2的核心控制元件是微控制器21，采用内嵌CAN总线控制器的8位单片机AT89C51CC03。CAN总线连接风光互补电站各监控节点。AT89C51CC03通过自带的CAN总线接口经光电隔离后与CAN总线驱动器22相连接。CAN总线驱动器22可采用82C250芯片，82C250是CAN控制器与物理总线间的接口，可以提供对总线的差动发送和接收能力，与ISO11898标准完全兼容，并具有抗瞬间干扰及保护总线的能力。CC-Link总线和RS485总线分别连接风光互补电站的供电负载设备，分别实现与含有CC-Link总线和RS485总线的用电设备的通信连接。AT89C51CC03通过数据总线、地址总线和控制信号与CC-Link总线远程设备站控制器23相连接。CC-Link总线远程设备站控制器采用CC-Link总线远程设备站专用通信控制芯片MFP3。MFP3具有标准总线结构，可以作为标准总线设备与智能控制芯片（MCU）相连，进行位数据及字数据传输，内部集成轮询、响应、错误诊断和接收/发送功能。AT89C51CC03负责MP3初始化并与MP3进行数据交换，采集风光互补电站电能所供应设备的工作状态信息，输出设备控制信号。MP3***电路包括波特率、站号配置开关、状态显示LED输出。AT89C51CC03通过数据/地址总线，RD（读）、WR（写）或CE（片选）信号线对MP3进行总线访问。AT89C51CC03与RS485总线的连接通过其自带的异步通信接口UART，外接RS485收发器24，RS485收发器采用75LBC184芯片，与AT89C51CC03之间采用高速光耦进行电气隔离。通过AT89C51CC03的分析处理与控制，实现CAN总线、CC-Link总线和RS485总线数据与ZigBee无线通信网络数据之间的转换。ZigBee无线通信网络的数据收发通过ZigBee无线通信收发节点控制器25进行，采用用来实现嵌入式ZigBee 应用的片上***CC2430。CC2430支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee协议，内部主要由三部分模块组成，分别为：CPU模块，电源、测试和时钟分配模块，无线模块。AT89C51CC03通过自带的SPI接口与CC2430自带的SPI接口相连接。串行***接口SPI接口是一种同步串行外设接口，它可以使微控制器与各种***设备以串行方式进行通信以交换信息。CC2430再接上外接天线模块26便可与无线通信网络进行数据通信。为了便于对通信数据转换以及数据收发状况及时了解和控制，微控制器***还扩展了LCD显示器、键盘、语音播报及继电器输出控制等外设。
如图3所示的本发明的无线网关单元结构示意图，无线网关以基于ARM架构的32位微处理器27为核心元件，选用ARM920T内核的高性能的32位处理器S3C2440，其主频高达400MHz，采用5级流水线和哈佛结构。S3C2440通过USB接口与无线网卡28相连接，无线网卡28采用100M自适应以太网芯片DM9000，其特点是：支持8位、16位、32位数据总线宽度；寄存器操作简单有效，有成熟的Linux驱动程序支持。通过无线网卡28和局域网无线路由器可接入Internet网。S3C2440还通过UART接口分别与ZigBee协调器29和GPRS模块30相连接。S3C2440的主要外设还有：FLASH程序存储器31、SDRAM数据存储器32、触摸屏接口33等。

Claims (7)

1.一种基于异构网络的风光互补电站远程监控***，其特征在于：该***包括：现场监控网络单元（1）、异构网络通信转换接口单元（2）、无线通信网络单元（3）、无线网关单元（4）、远程访问和控制单元（5），五个单元依次连接。
2.根据权利要求1所述的基于异构网络的风光互补电站远程监控***，其特征在于：所述现场监控网络单元（1）由多个风光互补电站现场监控装置组成，每个风光互补电站现场监控装置均通过CAN总线连接各监控节点，通过CC-Link总线或RS485总线连接负载设备。
3.根据权利要求2所述的基于异构网络的风光互补电站远程监控***，其特征在于：所述监控节点包括光伏发电监控节点（6）、风力发电监控节点（7）、蓄电池充放电监控节点（8）、外部环境监测节点（9）、DC/AC逆变器监控节点（10）、DC/DC变换器监控节点（11）。
4.根据权利要求1所述的基于异构网络的风光互补电站远程监控***，其特征在于：所述异构网络通信转换接口单元（2）由多个转换节点（12）组成，每个转换节点（12）对应一个风光互补电站。
5.根据权利要求1所述的基于异构网络的风光互补电站远程监控***，其特征在于：所述无线通信网络单元（3）由ZigBee网络路由器（13）、ZigBee网络协调器（14）、多个网络收发节点组成，一个风光互补电站配置一个收发节点。
6.根据权利要求1所述的基于异构网络的风光互补电站远程监控***，其特征在于：所述无线网关单元（4）包括ARM嵌入式***（15），采用基于ARM架构的32位微处理器S3C2440，所述ARM嵌入式***（15）通过串口与网络协调器（14）相连接，ARM嵌入式***（15）通过USB接口与Internet网络无线网卡（16）连接，ARM嵌入式***（15）通过串口与GPRS通信模块（17）相连接。
7.根据权利要求1所述的基于异构网络的风光互补电站远程监控***，其特征在于：所述远程访问和控制单元（5）通过两种方式进行远程访问和控制，一是由远程监控中心（19）计算机终端通过Internet网络以网页浏览的方式进行，二是通过用户手机终端（20）通过GPRS网络以短信通信方式进行。
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