【摘要】 本文在分析了现有光伏电站监控技术的基础上，提出了基于4G LTE的光伏发电无线监管系统，现场的数据信息通过CPE设备传送至4G基站，再由基站通过电力专网传送至监控中心，实现对光伏电站的实时监控、故障报警等功能，是一种高效率、高质量的通信方式。

【关键词】 光伏电站 4G CPE 无线监控

引言

研究表明，大约40分钟照射在地球上的太阳能，足以供全球人类一年能量的消费。我国76%的国土光照充沛，由其在内蒙、甘肃、青海、西藏、新疆、四川等地的部分地区，电能稀缺，但太阳光年平均福照度大，若是将这些太阳能有效利用起来，那么这些地区用电就可自给自足，还可将多余电量输送至其他地区，实现电能的自由调度。但这些偏远地区的工作环境比较恶劣，不适合派技术人员或者工作人员长期职守，所以太阳能光伏电站大部分要在无人职守的状态下进行；另外，同一地区光伏电站的站点分布不均匀，也迫切需要集中监控和管理，所以实现对太阳能光伏发电站的远程监控具有十分重要的意义[1]。

一、光伏电站远程监控技术

目前，具有实际工程意义的光伏监控系统采用的通讯手段包括有线方式和无线方式。

有线监控方式主要包括：工业RS485总线、PROFIBUS现场总线、CAN总线等来实现下位机与监控上位机之间的通讯，优点是可靠性和通讯实时性高，缺点是实施成本高；Modern电话线传输速率较慢、传输距离有限；工业以太网相对前两种方法，适用范围更广、距离更长，但安装成本较大。无线方式主要包括：ZIGBEE、GPRS、WIFI、BLUETEETH、IRDA 红外[2]。它主要借助微波站或人造卫星的中继传输技术，如利用移动通讯基站上专用的通讯信号频段进行传输。随着3G技术的不断成熟，无线远程监控还可实现声频和视频数据的传输，但其运营成本较高且信号不稳定。

随着信息技术的不断发展，4G网络应运而生，与传统的通信技术相比，4G LTE通信技术最明显的优势在于通话质量和数据通信速度。如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G LTE通信会是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使用户以无线及三维空间虚拟实境连线，因此我们选取4G LTE通信技术来解决光伏电站远程监控的通信难题，它的高实时性、方便快捷以及较快的传输速率，有效地满足出现突发性、群体性和灾难性事件时的应急指挥调度需要，使得它的应用具有实际意义。

二、监控系统方案设计

如图1所示，本监控系统整体方案为：在光伏电站关键位置设置数据采集器以及IP高清网络摄像头，以进行图像采集，同时将采集的传感数字信号通过室外LTE无线路由设备CPE（Customer Premises Equipment）上传到4G基站，再由基站传回监控指挥中心。基站是智能光伏电站宽带系统的接入设备，通过无线接口与终端通信，通过S1接口与核心交换设备通信。基站与监控中心通讯网络间相距较远，一般为几千米至几十千米，采用工业以太网（TCP/IP），光纤连接。

对于电站的监控点，4G无线网络的中心设置在电站的至高点，各监控点分别通过室外CPE和基站实现连接，前端摄像机通过RJ45 10/100M自适应网口与前端无线CPE连接，然后再通过天线与后端4G基站连接，并把数据传输到控制中心，可以通过PC机或大屏进行集中监控；对于非摄像头监控区域，监控中心可以安排人员通过手持终端的方式进行图像采集；大规模覆盖可以通过微波进行4G基站之间的互连，实现大范围的监控。

2.1 4G与CPE

2.1.1 4G LTE技术

简介：4G LTE（Fourth-generation Long Term Evolution）即是3G主导的通用移动通信系统技术的长期演进，是时分双工（TD-LTE）和频分双工（FDD-LTE）的统称，4G LTE一般特指TD-LTE。

优势：

1、速度快：4G通信系统传输速度可达10～20Mbps，甚至100Mbps，相当于09年最新手机传输速度的1万倍。这一显著性优势可支持光伏电站监控中的双向视频传输功能，为电站的长期稳定运营提供坚实的基础。

2、频谱宽：要想使4G通信速度更高，就应在3G的蜂窝系统基础上拓宽带宽。预计每个4G信道会占有100MHz的频谱，这相当于W-CDMA 3G网路的20倍。

3、通信灵活：未来4G通信不仅可以随时随地通信，更可以双向下载传递资料、图画、影像，更可网上定位，据此，光伏电站监控系统中的对巡检人员以及故障的位置的实时跟踪功能，可完美实现。

4、兼容性能更平滑：未来4G通信系统应当具备全球漫游、接口开放、与多种网络互联、终端多样化以及能从第二代平稳过渡等特点，可使应用更便捷，能随意增加移动终端，完善电站的实时监控。

5、高质量通信：4G通信更多的是应多媒体的传输需求，提升通信质量。即必须可以容纳市场庞大的用户量、改善现有通信品质不良的状况，以及达到高速数据传输的要求。

6、频率使用效率更高：由于利用了几项不同的技术，无线频率的使用更加有效。这种有效性可让更多人使用与以前相同数量的无线频谱做更多事，且速度较快。据相关人员介绍，下载速率有望达到5～10Mbps，这对于光伏电站的远程监控是一个最有价值的技术支持。

7、费用更便宜：由于4G通信引入较多尖端通信技术，使得系统操作方式灵活性较高，所以更加容易部署。同时通信营运商会考虑在3G基础上采用逐步引入的方法，以降低运行者和用户的费用[3]。因此在考虑经济因素的条件下，4G技术同样满足我们光伏电站远程监控的要求。

综上所述，目前4G LTE无论在技术上还是运营成本上都要比其他布网方式有优势，同样的成本却能获得更快的通信速度、更高的通讯质量和更准确的定位，那么相比于其他方面的劣势，我们秉持宽容，并在发展中不断改进。

2.1.2无线CPE

无线CPE是一种接收WIFI信号的新型的无线终端接入设备，可接收无线路由器、无线AP、无线基站等的无线信号。同时，它也是一种将高速4G信号转换成WIFI信号的设备，距无线覆盖基站的距离可以达到标准WIFI客户端的4倍。终端数量较多，可大量应用于生产生活区域的无线网络接入，能节省铺设有线网络的费用。

但在实际应用中，难以找到视距无遮挡的环境，通过无线传播模型的测算和经验表明，采用CPE的客户端与基站的传输距离可以达到1～5Km[4]。因此，在多个位置放置CPE设备即可实现WIFI对光伏电站全覆盖，这对远程监控的实现提供了有效途径。

2.2 网络架构

如图2所示，系统由平台层、网络层和终端层组成，终端层主要负责信息的采集和编码，网络层负责4G网络的传输，平台层负责控制、调度、显示设备组成，整个平台完成了信息的采集、编码、传输、显示和控制功能。

网络层是光伏电站前端设备与后端平台的桥梁。网络层实现了前端设备与后端平台的数据交互。大大提高了光伏电站的自动化程度，提高了电站的安全等级，降低了人员开支等运营成本。

三、系统功能

太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池组、逆变器和监控系统构成，监控系统软件又由上位机程序和下位机程序组成，共同实现对整个光伏系统的实时监测与控制。本系统所具有的功能如下：

1）实时数据采集：实时数据由无线传感器来采集，如汇流箱电流、逆变器功率和发电量、环境监测仪温度和风向、安防装置视频数据、光伏阵列位置角度、高压开关状态、直流接地状态、计量装置（电量/电压/电能质量等计量仪器数据）[5]等，并上传至由磁盘阵列组成的数据库，用于专家对监控系统的改善及升级。当网络信号较弱时，可将采集到的数据进行本地缓存，待网络信号较强时再上传。实时数据存储在主机内存中，历史数据存储于磁盘阵列。

磁盘阵列作为独立系统在主机外直连或通过网络与主机相连。它为数据服务器和应用服务器工作。

2）视频监控：分为定点视频监控和动态视频监控，定点视频监控通过安装固定摄像头，实时调取各监控区域作业情况；动态视频监控通过4G手持终端、实现重点监控区域动态的视频回传。

3）故障报警：可以实时显示底层设备报警及故障信息数据，具有声光报警功能，由监控中心人员发现报警并通过相应措施消除报警，如安排检修人员现场排除故障。系统具备任意时段的历史报警的筛选查询功能；针对电站运行的关键参数信息设置阀值预警机制，并通过预警监视画面实时展示预警信息，提前预知设备的使用情况、合理安排检修计划，最大程度的减少经济损失。

4）视频、语音通话：监控中心与调度系统之间或各终端之间可实现语音、视频通话，这是4G网络最鲜明的特征。系统可以随时向巡检人员发送文字、图片、视频等信息，进行双向的高清720p音视频通信，起到通知、指令下达、行动指引等作用；巡检人员具有GPS定位功能，其位置可以实时显示在地图上，指挥人员可以随时看到他们的位置，可以实时确定其行进路线，进行实时指挥。

5）报表管理：采用自动生成与手工填报结合方式，对可实现系统自动根据历史数据库信息对报表进行自动填报，对需用语言描述的进行手工填报，最大限度保证填报数据的可靠性，且报表功能采用指标填报方式，各个报表中指标数据唯一、准确。

6）系统管理：可对通讯调度管理系统的基础数据的配置进行维护域修改，添加、删除、更改访问权限等，以方便用户的使用。

四、结论

本文总结了现有的光伏电站无线监控技术，分析了各个技术的利弊以及应用范围，并在此基础上提出了基于4G LTE的网络传输方案。整个光伏电站通过CPE设备，将基站的4G网络转换成WIFI以对光伏电站进行全覆盖，监控各个设备的工作状况，实时了解现场状况，较高的通话质量和更快的通信速度，更加便于专家进行决策并下发命令，保证在出现故障后的最短时间内让系统恢复工作，最大程度上减少经济损失，提升发电效率，解决更多地区的用电问题。此外，实时数据与历史数据的记录功能，为电站评估和设备质保问题提供有效的数据依据，可有效的利用历史数据来对系统进行定期升级。4G的诞生，实现了光伏电站的智能化、规范化、科学化、信息化，为无线监管系统开辟了一个新的篇章。

参 考 文 献

[1]S.V.Natarajan，S.C.Subramanian，S.Darb-ha and K.R.Rajagopal.A model of the relay valve used in an air brake system[J].Nonlnear Snalysis：Hybrid Systems.2007，12（5）：430-442.

[2]张巍，彭良平，杜毅，张黎，曾捷.光伏电站监控系统分析[J].太阳能.2014.8.

[3]4G LTE，搜狗百科.http：//baike.sogou.com/v69841168.htm.

[4]无线CPE，百度百科.http：//baike.baidu.com/subview/6094834/6173915.htm.

[5]张巍，彭良平，杜毅，张黎，曾捷. 光伏电站监控系统分析[J]. 太阳能，2014，08：17-21+38.