專利名稱：基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉光伏電站控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，我國光伏電站建設(shè)正處于示范項目建設(shè)期到中大規(guī)模普及階段過渡期，在大規(guī)模光伏電站監(jiān)控管理系統(tǒng)上比較薄弱。而光伏電站通常地處偏遠(yuǎn)、交通不便，較低的自動化、信息化管理水平，為電站的管理和維護方面帶來諸多困難。現(xiàn)有跟蹤式光伏電站主要采用單機控制模式或主從模式，多數(shù)是基于PLC的控制解決方案?，F(xiàn)場總線技術(shù)，通過采用全分散、全數(shù)字化、雙向多點的通信控制模式，在實時性、 可靠性、維護性、實現(xiàn)性等方面具有顯著優(yōu)點。現(xiàn)場總線在光伏電站中的應(yīng)用較少，偶有展現(xiàn)也是對其進(jìn)行強行移植到光伏領(lǐng)域，沒有針對該領(lǐng)域而開發(fā)出有針對性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備。由于成本、穩(wěn)定性、系統(tǒng)可靠性、可拓展性等方面的原因，現(xiàn)有跟蹤式光伏電站的控制模式還不能滿足大型跟蹤式光伏電站建設(shè)的需要。在跟蹤式光伏電站，特別是大型跟蹤式光伏電站集散控制中的應(yīng)用，仍然處于初步探索階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的在于針對上述存在的問題，提供一種適用于多樣化跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備的光伏電站智能監(jiān)控管理系統(tǒng)，可對跟蹤平板、跟蹤聚光、單軸跟蹤、雙軸跟蹤等不同類型的跟蹤式光伏發(fā)電機組成的，不同規(guī)模離網(wǎng)/并網(wǎng)型光伏電站進(jìn)行有效的統(tǒng)一監(jiān)測、分散控制和多樣化遠(yuǎn)程管理。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)，其特征在于包括現(xiàn)場控制層、陣列控制層、主控層和管理層；
所述現(xiàn)場控制層包括用于驅(qū)動光伏組件對準(zhǔn)太陽的跟蹤控制器、匯流箱、逆變器、升壓變壓器以及氣象站，同機型的跟蹤控制器或者有共同特征的跟蹤控制器構(gòu)成一個陣列；
所述陣列控制層包括陣列控制器和485集線器，每一個由太陽能光伏組件組成的陣列通過RS485總線與對應(yīng)的陣列控制器連接，所述陣列控制器通過RS485總線與485集線器連接，所述匯流箱、逆變器、升壓變壓器以及氣象站分別通過RS485總線與對應(yīng)的另一個 485集線器連接；
所述主控層包括區(qū)域服務(wù)器以及LINK，所述陣列控制器通過對應(yīng)的485集線器與區(qū)域服務(wù)器連接，所述區(qū)域服務(wù)器通過獲取GPS準(zhǔn)確的UTC時間和經(jīng)緯度來對整個區(qū)域的跟蹤控制器授時進(jìn)行時間同步及信息查詢和控制；
所述管理層由現(xiàn)場管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)構(gòu)成，用于接收主控層傳輸?shù)男盘枺瑢φ麄€電站的設(shè)備進(jìn)行全自動監(jiān)控管理。本發(fā)明所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)，其所述區(qū)域服務(wù)器、陣列控制器、LINK、跟蹤控制器均為具有獨立智能自動控制的基于ARM + RTOS嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)，其在管理層中，所述現(xiàn)場管理系統(tǒng)用于對整個電站所有區(qū)域服務(wù)器、氣象站、跟蹤控制器、匯流箱、逆變器進(jìn)行全自動監(jiān)控管理；所述遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程電站監(jiān)控和移動監(jiān)控。本發(fā)明所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)，其在遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)中，所述遠(yuǎn)程電站監(jiān)控通過INTERNET實現(xiàn)對整個電站所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理，所述移動監(jiān)控通過GPRS實現(xiàn)對整個電站所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理。一種根據(jù)上述權(quán)利要求任意一項所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括以下步驟
a)、區(qū)域服務(wù)器從GPS獲取當(dāng)前的UTC時間和當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息對各個陣列進(jìn)行時間同
步；
b)、區(qū)域服務(wù)器采用以C0RTEX-M3內(nèi)核的高性能CPU作為控制核心，對各個陣列進(jìn)行信息查詢和重要控制；
C)、現(xiàn)場跟蹤控制器在時間同步后，根據(jù)實時時間和經(jīng)緯度信息按照地平坐標(biāo)系計算出太陽當(dāng)前位置，驅(qū)動電機進(jìn)行跟蹤。本發(fā)明所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)的控制方法，在現(xiàn)場控制層中，氣象站實時采集現(xiàn)場各項參數(shù)與逆變器和匯流箱等設(shè)備通過MODBUS協(xié)議接入主控層的LINK，并經(jīng)由主控層的485集線器通過光纖傳輸至管理層，由現(xiàn)場管理系統(tǒng)清晰展示整個電站的環(huán)境和運行情況。本發(fā)明所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)的控制方法，在管理層中，管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源分為主動訪問和自動上傳兩種方式；所述主動詢問方式是上層軟件對本區(qū)域每臺跟蹤控制器的訪問都是通過地址查詢來得到，當(dāng)上層軟件需要訪問某臺或某陣列設(shè)備時，需給出該設(shè)備準(zhǔn)確的地址，而設(shè)備地址=區(qū)域服務(wù)器地址+陣列控制器地址+跟蹤控制器地址。跟蹤控制器在收到命令后會及時應(yīng)答；所述自動上傳方式是跟蹤控制器自發(fā)的向上層傳遞數(shù)據(jù)，傳遞時跟蹤控制器需要添加自己的地址，陣列控制器在收到后又需要添加陣列控制器的地址然后將數(shù)據(jù)再上傳，區(qū)域服務(wù)器在收到后再將區(qū)域服務(wù)器自己的地址添加發(fā)送出去，然后管理層在收到最終的數(shù)據(jù)后便知道該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確來源， 由于自動上傳會引起總線繁忙，所以每臺跟蹤控制器，陣列控制器，區(qū)域服務(wù)器在主動向上傳遞數(shù)據(jù)的時候會探測總線是否處于繁忙狀態(tài)，在總線空閑時才允許上傳數(shù)據(jù)。本發(fā)明基于對現(xiàn)場跟蹤設(shè)備類型以及分散控制集中管理的理念對大型光伏電站進(jìn)行區(qū)域劃分，區(qū)域與區(qū)域隔離，區(qū)域內(nèi)陣列與陣列隔離，陣列內(nèi)跟蹤控制器與跟蹤控制器相互獨立運行，這樣的劃分使得電站內(nèi)區(qū)域的擴展、維護或者其中一個區(qū)域出現(xiàn)故障都不會影響其他區(qū)域的運行，區(qū)域內(nèi)陣列的擴展、維護或者其中一個陣列出現(xiàn)故障都不會影響本區(qū)域內(nèi)其他陣列的運行，陣列內(nèi)跟蹤控制器的擴展、維護或者其中一個跟蹤控制器出現(xiàn)故障都不會影響本陣列內(nèi)其他跟蹤控制器的運行。而區(qū)域的控制則基于易操作、易維護、控制簡單的設(shè)計理念為基礎(chǔ)，通過授時的方式可實現(xiàn)現(xiàn)場所有設(shè)備的時間同步；通過廣播的方式實現(xiàn)現(xiàn)場所有設(shè)備進(jìn)入防風(fēng)，防雪狀態(tài)；通過對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的尋址可逐層找到現(xiàn)場控制層的每一臺設(shè)備進(jìn)行單獨操作。在管理方面分為了現(xiàn)場管理和遠(yuǎn)程管理兩大模塊，而對于遠(yuǎn)程管理又分為internet和GPRS兩種不同的模式，加入GPRS模式的遠(yuǎn)程管理可以實現(xiàn)隨時隨地的移動管理和維護，讓電站維護工程師可以隨時隨地的了解電站的運行狀態(tài)，與傳統(tǒng)電站的管理相比會節(jié)省大量的人力物力且能明顯提高效率。本系統(tǒng)不論是網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)還是控制理念以及現(xiàn)代化的管理方式都能有效提升大型跟蹤式光伏電站穩(wěn)定性、可擴展性、 易維護、易監(jiān)控易管理性，對推動大規(guī)模跟蹤式光伏電站尤其是聚光光伏電站的建設(shè)有積極意義。


圖1是本發(fā)明其中一個區(qū)域的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖1和2所示，一種基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)，包括現(xiàn)場控制層、陣列控制層、主控層和管理層。所述現(xiàn)場控制層包括若干個跟蹤控制器、逆變器、匯流箱、升壓變壓器以及氣象站，同機型的跟蹤控制器或者有共同特征的跟蹤控制器構(gòu)成一個陣列，其中，所述跟蹤控制器采用ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，具有工業(yè)應(yīng)用和專業(yè)電機動控制的功能模塊，將系統(tǒng)控制模塊化，簡化了控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，提高了控制系統(tǒng)的可穩(wěn)定性和降低了開發(fā)難度縮短了開發(fā)周期。所述陣列控制層包括陣列控制器和485集線器，每一個由太陽能光伏組件組成的陣列通過RS485總線與對應(yīng)的陣列控制器連接，所述陣列控制器通過RS485總線與485集線器連接，所述匯流箱、逆變器、升壓變壓器以及氣象站分別通過RS485總線與對應(yīng)的另一個485集線器連接。所述主控層包括區(qū)域服務(wù)器、485集線器以及LINK，所述陣列控制器通過對應(yīng)的 485集線器與區(qū)域服務(wù)器連接，所述區(qū)域服務(wù)器通過獲取GPS準(zhǔn)確的UTC時間和經(jīng)緯度來對整個區(qū)域的跟蹤控制器授時進(jìn)行時間同步及信息查詢和控制，所述LINK集成逆變器、匯流箱、氣象站等通信協(xié)議，將這些設(shè)備數(shù)據(jù)采集管理再上傳到高層網(wǎng)絡(luò)，其中，所述區(qū)域服務(wù)器、陣列控制器以及LINK為具有獨立智能自動控制的基于ARM + RTOS嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。所述區(qū)域服務(wù)器核心為授時系統(tǒng)和管理模塊。其中授時系統(tǒng)負(fù)責(zé)在規(guī)定的時間對其下的跟蹤控制器進(jìn)行授時，時間同步；而管理模塊則統(tǒng)一管理向上的報警信息和向下的控制命令，由于整個電站是按照片區(qū)的規(guī)劃模式劃分的，所以每臺區(qū)域服務(wù)器也有在電站中的唯一標(biāo)示地址，整個電站中區(qū)域服務(wù)器地址=其自身的標(biāo)示地址。所述陣列控制器以管理為核心， 連接上層和管理下層。陣列控制器是太陽能跟蹤控制器最直接的管理者，同理，每臺陣列控制器在區(qū)域服務(wù)器下面具有唯一的標(biāo)示地址，在整個電站中，陣列控制器的地址=區(qū)域服務(wù)器地址+此服務(wù)器下陣列控制器地址。所述485集線器具有非常重要的網(wǎng)絡(luò)特性，它能夠?qū)⒚總€陣列控制器獨立開來，在硬件上做到光耦隔離，這樣危險和故障在某一個陣列上產(chǎn)生的時候不會傳遞到其他陣列，同時也不會影響到上層系統(tǒng)。采用多臺485集線器串接的方式可以大大擴展整個區(qū)域服務(wù)器的容量。所述管理層包括現(xiàn)場管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。其中現(xiàn)場管理系統(tǒng)的主要功能是以最近最快的方式對整個電站的運行情況進(jìn)行監(jiān)控。現(xiàn)場管理系統(tǒng)可以方便而快捷的對整個電站的所有設(shè)備進(jìn)行控制，查詢。在發(fā)現(xiàn)異常時根據(jù)異常嚴(yán)重性進(jìn)行不同類別的報警；遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)包括internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)的管理和監(jiān)控。Internet連接到企業(yè)總服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存和顯示，GPRS網(wǎng)絡(luò)則可以實現(xiàn)隨時隨地的監(jiān)控?，F(xiàn)場管理系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)較高等級的異常后會分別向企業(yè)總部和高級工程師發(fā)送報警信息，讓電站工程師能夠在第一時間了解情況進(jìn)而快速分析和提出解決方案。一種根據(jù)上述權(quán)利要求任意一項所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括以下步驟
a)、區(qū)域服務(wù)器從GPS獲取當(dāng)前的UTC時間和當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息對各個陣列進(jìn)行時間同
步；
b)、區(qū)域服務(wù)器采用以C0RTEX-M3內(nèi)核的高性能CPU作為控制核心，對各個陣列進(jìn)行信息查詢和重要控制；
C)、現(xiàn)場跟蹤控制器在時間同步后，根據(jù)實時時間和經(jīng)緯度信息按照地平坐標(biāo)系計算出太陽當(dāng)前位置，驅(qū)動電機進(jìn)行跟蹤。在現(xiàn)場控制層中，氣象站實時采集現(xiàn)場各項參數(shù)與逆變器和匯流箱等設(shè)備通過 MODBUS協(xié)議接入主控層的LINK，并經(jīng)由主控層的485集線器通過光纖傳輸至管理層，由現(xiàn)場管理系統(tǒng)清晰展示整個電站的環(huán)境和運行情況。在管理層中，管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源分為主動訪問和自動上傳兩種方式；所述主動詢問方式是上層軟件對本區(qū)域每臺跟蹤控制器的訪問都是通過地址查詢來得到，當(dāng)上層軟件需要訪問某臺或某陣列設(shè)備時，需給出該設(shè)備準(zhǔn)確的地址，而設(shè)備地址=區(qū)域服務(wù)器地址+ 陣列控制器地址+跟蹤控制器地址。跟蹤控制器在收到命令后會及時應(yīng)答；所述自動上傳方式是跟蹤控制器自發(fā)的向上層傳遞數(shù)據(jù)，傳遞時跟蹤控制器需要添加自己的地址，陣列控制器在收到后又需要添加陣列控制器的地址然后將數(shù)據(jù)再上傳，區(qū)域服務(wù)器在收到后再將區(qū)域服務(wù)器自己的地址添加發(fā)送出去，然后管理層在收到最終的數(shù)據(jù)后便知道該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確來源。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)，其特征在于包括現(xiàn)場控制層、陣列控制層、主控層和管理層；所述現(xiàn)場控制層包括用于驅(qū)動光伏組件對準(zhǔn)太陽的跟蹤控制器、匯流箱、逆變器、升壓變壓器以及氣象站，同機型的跟蹤控制器或者有共同特征的跟蹤控制器構(gòu)成一個陣列；所述陣列控制層包括陣列控制器和485集線器，每一個由太陽能光伏組件組成的陣列通過RS485總線與對應(yīng)的陣列控制器連接，所述陣列控制器通過RS485總線與485集線器連接，所述匯流箱、逆變器、升壓變壓器以及氣象站分別通過RS485總線與對應(yīng)的另一個 485集線器連接；所述主控層包括區(qū)域服務(wù)器以及LINK，所述陣列控制器通過對應(yīng)的485集線器與區(qū)域服務(wù)器連接，所述區(qū)域服務(wù)器通過獲取GPS準(zhǔn)確的UTC時間和經(jīng)緯度來對整個區(qū)域的跟蹤控制器授時進(jìn)行時間同步及信息查詢和控制；所述管理層由現(xiàn)場管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)構(gòu)成，用于接收主控層傳輸?shù)男盘?，對整個電站的設(shè)備進(jìn)行全自動監(jiān)控管理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)，其特征在于所述區(qū)域服務(wù)器、陣列控制器、LINK、跟蹤控制器均為具有獨立智能自動控制的基于 ARM + RTOS嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)，其特征在于在管理層中，所述現(xiàn)場管理系統(tǒng)用于對整個電站所有區(qū)域服務(wù)器、氣象站、跟蹤控制器、匯流箱、逆變器進(jìn)行全自動監(jiān)控管理；所述遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程電站監(jiān)控和移動監(jiān)控。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)，其特征在于在遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)中，所述遠(yuǎn)程電站監(jiān)控通過INTERNET實現(xiàn)對整個電站所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理，所述移動監(jiān)控通過GPRS實現(xiàn)對整個電站所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理。
5.一種根據(jù)上述權(quán)利要求任意一項所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括以下步驟a)、區(qū)域服務(wù)器從GPS獲取當(dāng)前的UTC時間和當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息對各個陣列進(jìn)行時間同止少；b)、區(qū)域服務(wù)器采用以C0RTEX-M3內(nèi)核的高性能CPU作為控制核心，對各個陣列進(jìn)行信息查詢和重要控制；C)、現(xiàn)場跟蹤控制器在時間同步后，根據(jù)實時時間和經(jīng)緯度信息按照地平坐標(biāo)系計算出太陽當(dāng)前位置，驅(qū)動電機進(jìn)行跟蹤。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于在現(xiàn)場控制層中，氣象站實時采集現(xiàn)場各項參數(shù)與逆變器和匯流箱等設(shè)備通過MODBUS協(xié)議接入主控層的LINK，并經(jīng)由主控層的485集線器通過光纖傳輸至管理層，由現(xiàn)場管理系統(tǒng)清晰展示整個電站的環(huán)境和運行情況。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于在管理層中，管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源分為主動訪問和自動上傳兩種方式；所述主動詢問方式是上層軟件對本區(qū)域每臺跟蹤控制器的訪問都是通過地址查詢來得到，當(dāng)上層軟件需要訪問某臺或某陣列設(shè)備時，需給出該設(shè)備準(zhǔn)確的地址，而設(shè)備地址=區(qū)域服務(wù)器地址+陣列控制器地址+跟蹤控制器地址，跟蹤控制器在收到命令后會及時應(yīng)答；所述自動上傳方式是跟蹤控制器自發(fā)的向上層傳遞數(shù)據(jù)，傳遞時跟蹤控制器需要添加自己的地址，陣列控制器在收到后又需要添加陣列控制器的地址然后將數(shù)據(jù)再上傳，區(qū)域服務(wù)器在收到后再將區(qū)域服務(wù)器自己的地址添加發(fā)送出去，然后管理層在收到最終的數(shù)據(jù)后便知道該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確來源，由于自動上傳會引起總線繁忙，所以每臺跟蹤控制器，陣列控制器，區(qū)域服務(wù)器在主動向上傳遞數(shù)據(jù)的時候會探測總線是否處于繁忙狀態(tài)，在總線空閑時才允許上傳數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于現(xiàn)場總線的大型跟蹤式光伏電站集散控制系統(tǒng)，包括現(xiàn)場控制層、陣列控制層、主控層和管理層，所述現(xiàn)場控制層包括跟蹤控制器、匯流箱、逆變器、升壓變壓器以及氣象站；所述陣列控制層包括陣列控制器和485集線器；所述主控層包括區(qū)域服務(wù)器、LINK以及485集線器；所述管理層由現(xiàn)場管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)構(gòu)成，用于接收主控層傳輸?shù)男盘?，對整個電站的設(shè)備進(jìn)行全自動監(jiān)控管理。本系統(tǒng)不論是網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)還是控制理念以及現(xiàn)代化的管理方式都能有效提升大型跟蹤式光伏電站穩(wěn)定性、可擴展性、易維護、易監(jiān)控易管理性，對推動大規(guī)模跟蹤式光伏電站尤其是聚光光伏電站的建設(shè)有積極意義。
文檔編號G05B19/418GK102541031SQ201210029418
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月10日
發(fā)明者黃忠 申請人:四川鐘順太陽能開發(fā)有限公司