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SERIS创建全天候远程气象站网络

Mark Kubis - Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS)
Andre Nobre - Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS)

SERIES网络工作站

“新加坡天气持续炎热潮湿，这给开发远程监测系统带来了更大的挑战。借助坚固耐用的NI硬件，SERIS搭建了一个极其强大的系统，岛上众多站点的研究数据可用性均高于99.8％。”

- Mark Kubis, Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS)

挑战

实时绘制新加坡的地面太阳辐照度图，以评估和预测光伏应用中的太阳能。

解决方案

基于CompactRIO硬件搭建远程气象站网络，该网络遍布全国，并通过运行LabVIEW系统设计软件的PC进行监控。

随着全球太阳能光伏(PV)装置应用的持续增长，这种可再生能源将越来越多地为解决世界各地的能源需求做出巨大贡献。对于新加坡等热带地区，由于云层覆盖范围和天气条件不断变化，太阳能供电会出现间歇性，使得公用事业单位在将太阳能整合到现有化石燃料发电厂的过程中面临着更多的挑战。

 

SERIS在对新加坡的太阳辐照度进行了研究、评估和预测之后，在5公里x 5公里的网格上，部署了一个覆盖整个国家的气象站网络。所有远程站均使用基于CompactRIO硬件的系统，并使用NI LabVIEW软件编程。采集关键的气象参数需要开发算法来搜索短期和当天日辐照度，然后根据这些气象参数来预测光伏发电模式。此外，测量全年的太阳能资源有助于绘制该国家的季节性和年度辐射图。

 

硬件

在前端，现场部署的25个远程站在cRIO-9075实时控制器上运行。这些站点包含一个NI 9203 C系列模拟电流输入模块和一个NI 9217 C系列RTD模块，该模块连接到相关的气象传感器，比如全球太阳辐射和漫射太阳辐射；环境温度相对湿度；风速和风向以及气压等传感器。在后端，在SERIS PV系统监视实验室中，中央监控站 (CMS) PC运行基于LabVIEW的软件，并通过3G网络与现场的远程站进行实时连接。

 

系统说明

整个系统经配置后，可以执行以下一系列任务：

  • 远程记录 - 以1 Hz的频率采样每个远程站的所有数据，而且每隔一分钟记录一次数据
  • 数据采集 - 与CMS的所有远程站通信都是通过3G网络进行的，可以每秒和每分钟实时传输，也可以在每天结束时以“研究数据包”（为科学家准备的数据）的形式传输
  • 数据存储 - 数据以二进制格式存储，以便在数据库和统计代理中快速传输和处理
  • 数据发布服务 - 历史数据可自动设置或手动设置，以便研究人员轻松使用数据
  • 警报检查 - CMS通过每分钟接收到的“心跳”来监测工作站的运行状况，报告系统的关键特征数据，比如传输状态、内存级别和CPU使用率
  • 时间同步 - 每当CompactRIO时钟与SERIS高精度时间服务器的偏移超过300 ms时，系统就会启用时间校正例程

 

监测系统的主要特征和亮点

新加坡天气持续炎热潮湿，这给开发远程监测系统带来了额外的挑战。借助坚固耐用的NI硬件，SERIS搭建了一个极其强大的系统，岛上众多站点的研究数据可用性均高于99.8％。该系统还提供无缝的时间同步。现场部署的所有CompactRIO系统都同步到研究所的专用时间服务器。这样可以确保时钟之间的漂移不超过300 ms，这一点对于空间分布站的相关性研究至关重要。该系统的其他主要功能包括：

  • 远程诊断—可以针对软件更新等任务对部署到现场的工作站进行远程调整
  • 警报功能（系统）—警报监测站的运行状况
  • 警报功能（传感器）— 使用LabVIEW编写了额外的统计例程，这些例程会对参数范围进行检查，以最大程度减少传感器在现场出现故障时的停机时间
  • 自动下载例程—每天日落之后都会自动下载研究数据，以便科学家可以轻松地研究新算法
  • 按需检索数据—科学家和工程师可以在需要时轻松检索数据
  • 实时系统可视化功能—任何联网的PC的用户界面（或“播放器”）均可一秒钟“实时”显示数据

 

绘制实时辐照图

数据从远程站到达CMS后，科学家可以进入到已设置好的数据库来中运行计算、绘图和算法。此外，SERIS使用NI专为其定制的LabVIEW软件来实时选择和分组数据，然后在SERIS PV系统监测实验室的用户界面上实时创建太阳辐照度图。来自25个站点的辐照度读在一秒钟内提取，并用于开发彩色插值算法。该地图每两到三秒更新一次，具体取决于网络传输延迟。使用地图交互功能，科学家可以读取给定光标位置的辐照度值，也可以通过输入邮政编码选择地理位置并读取辐照度值。

 

该地图还显示了整个新加坡陆地区域太阳辐照的最大和最小累计值和平均值。

 

SERIS将辐照度地图上载到新加坡国家太阳能数据库（NSR， www.solar-repository.sg ），以便公众查看。NSR是一项政府计划，旨在促进新加坡太阳能光伏的使用。

 

SERIS系统优势

SERIS在针对热带地区的太阳能电池、模组、系统和节能建筑研究方面处于最前沿位置。而本文所述的远程气象站综合网络，大大加快了其光伏电网集成研究工作。远程监控网络在NI硬件和软件上运行，为SERIS研究人员和工程师，同时也将在不久的将来为其他利益相关者（例如公用事业）提供了出色的数据可用性和可靠性。

借助这个坚固的空间分辨气象站网络，SERIS研究人员能够开发预测算法，提前预测光伏应用所需的太阳能资源。随着太阳能光伏在全球的应用日益广泛，特别是在热带地区和其他发展中国家尚未开发的新兴市场中，光伏等可再生能源系统为世界各地的电网做出巨大贡献只是时间问题。而在此过程中，利用强大而全面的远程数据监测功能来采集各种参数对于顺利地将可变能源集成到电网中至关重要。

 

作者信息：

Mark Kubis
Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS)
National University of Singapore (NUS) 7 Engineering Drive 1 Block E3A, #06-01
117574
新加坡
mark.kubis@nus.edu.sg