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摘要：为解决了站点数量庞大的离网光伏系统的数据传输与监控问题，通过技术筛选对比，本文提出了应用ZigBee技术实现远程控制终端数据采集、多点路由、集中远程无线传输、PC机上全覆盖监测与监控兼备的无线远程监控系统，可以有效解决边远地区的离网光伏发电系统的无线传输网络构建问题。
关键词：离网光伏；数据传输；ZigBee
离网光伏发电系统通常由太阳能组件、控制器、逆变器、蓄电池组和支架系统组成，适用于没有并网或并网电力不稳定的地区。离网光伏系统一般安装于较为偏远地区，目前情况下受制于成本和能耗等问题，在离网光伏发电系统的远程实时监控网络应用较少。
目前远程监控的实现方式主要包括有线远程传输和无线远程传输方式，有线传输方式主要有专用工业总线有线传输和采用公用有线网络两种方式；无线传输方式主要指采用无线电台或基于GSM／GPRS的无线移动通讯网络的传输方式。
1 离网型光伏系统应用现状
离网型光伏发电系统的主回路由太阳能电池板（组件）、控制变换器（控制器或逆变器）、储能设备及负载四部分组成。为保证供电品质，提高太阳能利用率，必须对这些设备实施有效监控，通过获取各设备的运行参数，及时判断和分析系统运行的情况，使发电系统稳定、可靠、高效运行。由于很多光发电系统建在边远山区、荒岛，自然条件恶劣，加之当地居民受地理条件影响文化水平有限，很难按照常规方式进行分散维护和人工监控，因此采用远程监控是一种必要且行之有效的方法。对监控系统的研究国外较早，相关产品也较多，但主要是针对并网系统；而国内应用较多的小型独立光伏发电系统，实施远程监控的还很少，很多系统还停留在有人工定期维护的阶段，国内研究生产这类监控产品的并不多。因此，设计开发具有自主知识产权且造价低廉的光伏发电系统监控装置，对推动我国小型离网光伏发电系统的普及应用具有重要意义。
离网型光伏发电系统远程监控系统和并网系统监控系统最大的区别在于，单个并网系统投资大，开发监控系统成本占比低，而且工业监控系统可以轻松移植。而对于离网型光伏远程监控系统，由于受使用地点各种条件差、监控系统供电能力不足、远程传输点数量庞大、监控系统造价占比较高等因素的影响，一直影响着监控系统的推广应用。
本技术的开发的系统和设备主要针对太阳能路灯系统、道路监控系统和位置较为集中的其它小型离网光伏系统，同时也可以使用在灯塔、航标，山区（或高速）公路收费站、充电站，偏远地区哨所、雷达站，原始森林管理、看护站，铁路道口等小型独立光伏供电设备管理、评估的需求。
2 ZigBee简介
ZigBee是把各种不同设备连接在一起工作来提高人们生活的全球性无线语言。与目前普遍应用的WIFI、Bluetooth等短距离无线通讯技术相比较，ZigBee无线网络的特点主要有：
（1）工作周期短、低功耗；
（2）低成本；
（3）低速率、短延时；
（4）近距离，高容量；
（5）高可靠性和高安全性。
ZigBee具备强大的设备联网功能，它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星型结构（Star）、网状结构（Mesh）和簇状型结构（Cluster Tree）。星型拓扑网络结构网络由协调器组建和维护，其他的设备都是终端设备，都直接与协调器一对一通信。在簇状型和网状结构拓扑网路结构中，协调器负责组建网络并决定一些关键的网络参数，如网络ID，网络使用的信道等。网络中主要通过路由器来拓展网络覆盖范围。簇状型网络中，路由器发送数据是通过层次的路由方法。簇状型网络可以使用网络信标通信，路由器和终端节点以跟踪信标的方式与协调器通信；也可以使用非信标方式通信，终端节点定时轮询路由器或协调器来提取自己的信息。网状结构网络可以进行点对点对等交流，但是不能使用信标。ZigBee设备都有一个64位的IEEE地址，IEEE地址是唯一的绝对地址，设备可以用这个地址在PAN中进行通信，但在设备加入网络后，协调器后会为它分配一个16位的网络地址，网络地址只在该网络内是唯一的，是相对地址，设备也可以用这个网络地址在PAN内进行通信。
图1 ZigBee网络拓扑分类图
3 硬件支持
ZigBee技术标准中有两种类型的设备：精简功能设备RFD（Reduced Function Device）和全功能设备FFD（Full Function Device）。RFD具备一个精简的协议栈，只需少量的RAM和ROM即可实现简单的收发操作，RFD则是最简单的ZigBee节点，它只实现一组最少的ZigBee服务。FFD则具备一个完全功能的协议栈，需32KROM容量，具有充足的系统资源，能够容纳网络内所有节点的设备信息。ZigBee提出这样两种类型的设备的目的是简化网络中大部分节点的功能，减小设备体积和成本，降低系统功耗。
4 离网型光伏发电系统无线传输网络的构建
在离网光伏系统中，每一个主要电器（如控制器、逆变器等）应设置一个ZigBee节点，每一ZigBee节点按照实际情况设置ZigBee设备类型。
对于单一离网光伏系统（即只有一台控制器、一台逆变器、一组光伏组件和一组蓄电池的情况例如互用光伏发电系统），可采用ZigBee星型结构构建通信网络，整个通信系统由一台FFD设备作为协调器组建和维护，控制器和逆变器作为终端设备使用RFD设备都直接与协调器一对一通信，协调器上接至GPRS设备，数据可直接传输至Internet网络，最终监控终端设备通过Internet网络实现和离网光伏系统实时通信。
对于多个单一离网光伏系统集合组成系统（如太阳能路灯）可采用ZigBee簇状型结构构建通信网络。簇状型网络中，整个通信系统由一台FFD设备协调器组建和维护，离协调器物理距离较近的ZigBee节点作为路由器节点使用FFD设备，离协调器物理距离较远的ZigBee节点作为终端节点使用RFD设备，终端节点通过层次路由的方法发送数据至协调器，路由节点通过层次路由的方法发送数据至协调器，各节点定时轮询路由器或协调器来提取自己的信息，协调器上接至GPRS设备，数据可直接传输至Internet网络，最终监控终端设备通过Internet网络实现和离网光伏系统实时通信。
对于较复杂的微电网系统（即在同一系统中存在多组蓄电池，多组光伏组件，多个控制器、逆变器）由于每个主要电器都可能存在工作或休眠状态，网络节点处于可变状态，可采用网状结构网络的方式组网。网状结构网络中，整个通信系统由一台FFD设备协调器组建和维护，每一ZigBee节点都为FFD设备节点，每一ZigBee节点均可进行点对点对等交流，各节点定时轮询其他节点或协调器来提取自己的信息，协调器上接至GPRS设备，数据可直接传输至Internet网络，最终监控终端设备通过Internet网络实现和离网光伏系统实时通信。
5 应用实例
下面以太阳能路灯系统应用为实例进行说明。
现有太阳能路灯20套，分别安装于村庄道路沿线，每盏路灯平均间距25米，可选择地理位置较为居中的一盏路灯为协调器节点，配备有GPRS设备，其余路灯，按和此盏路灯的距离划分为两类，离协调器路灯物理距离较近的ZigBee节点作为路由器节点使用FFD设备，离协调器路灯物理距离较远的ZigBee节点作为终端节点使用RFD设备，各盏太阳能路灯的实时运行数据通过层次路由的方法发送数据至协调器，协调器上接至GPRS设备，数据可直接传输至Internet网络，通过Internet网络即可远距离实时监控这20套太阳能路灯的运行状况，方便维护使用。
图2 多点太阳能路灯无线通信框图
6 结论
根据实际情况合理使用ZigBee技术可以有效的解决可以有效解决边远地区的离网光伏发电系统的无线传输网络构建问题，低能耗、低成本的构建离网光伏发电系统的无线传输网络。
作者简介：
傅洪波（1971—），男，高级工程师，工程硕士，长期从事光伏系统应用技术及功能性新材料研究。
论文作者:傅洪波1,王剑2,李云2,王伟1
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/15
标签：节点论文; 系统论文; 光伏论文; 网络论文; 设备论文; 路灯论文; 监控系统论文; 《电力设备》2017年第20期论文;