SERIS 運用 NI CompactRIO 硬體與 LabVIEW 系統設計軟體，為遠端氣象觀測站設置了堅固耐用的網路

隨著太陽能光電 (PV) 於世界各地日趨普及，這項再生能源在全球能源的所佔比重也逐漸增加。由於太陽能光電容易受瞬息萬變的雲層覆蓋率及天候所擾，對新加坡等熱帶地區而言，若要將這項再生能源與現行的石油發電量相互整合，勢必得面臨諸多挑戰。

SERIS 透過研究專案來評估與預測太陽能輻射，該機構以 5 公里乘以 5 公里為單位，部署了涵蓋全島的全方位氣象觀測站網路。所有遠端觀測站都會執行以 NI LabVIEW 軟體編寫程式碼的 CompactRIO 硬體。為了取得重要的氣象參數，SERIS 會運用演算法開發來取得短期與當天的輻射預測，再使用這些內容來預測 PV 電力產生模式。此外，全年無休的太陽能資源量測作業，也有助於建立新加坡的季節性與年度輻射圖。

硬體

在前端，現場已部署 25 個執行 cRIO-9075 即時控制器的遠端觀測站。這些觀測站都設有一個 NI 9203 C 系列電流輸入模組，以及一個 NI 9217 C 系列 RTD 模組，用來連接相關的氣象感測器，例如全域與擴散太陽能輻射、環境溫度、風速與風向，以及氣壓。而在後端，裝載於 SERIS PV 系統監控實驗室內的中央監控站 (CMS) 電腦則會執行以 LabVIEW 為基礎的軟體，並透過 3G 網路即時介接位於現場的遠端觀測站。

系統說明

系統整體可透過設定來執行下列作業：

• 遠端記錄—每個遠端觀測站的所有資料都會以 1 Hz 的速率進行取樣，並每隔 1 分鐘記錄一次
• 資料收集—所有遠端觀測站都會透過 3G 網際網路與 CMS 通訊，透過即時 (每秒與每分鐘) 與「研究封包」(於每天結束前傳送給科學家的預備資料) 等方式進行傳輸。
• 資料儲存—資料會以二進位格式儲存，以利資料庫與統計代理程式迅速傳輸與處理
• 資料發佈服務—研究人員可以輕鬆取得歷史資料集 (可自動設定或手動整理)
• 警示檢查—CMS 會透過每分鐘接收「心跳」的方式來監控觀測站的健全狀態，進而回報傳輸狀態、記憶體等集與 CPU 使用量等系統關鍵特性
• 時間同步—只要 CompactRIO 與 SERIS 精確時間伺服器的時脈偏移超過 300 毫秒，系統就會套用時間修正常式

關鍵的監控基礎架構與焦點

新加坡長年高溫多濕，此一氣候形態也對遠端監控系統元件帶來了額外的挑戰。拜堅固耐用的 NI 硬體之賜，SERIS 才能打造出堅若磐石的系統，透過位居全島各處的大量觀測站收集研究資料，進而實現超過 99.8% 的可用性。該系統也提供順暢的時間同步功能。部署於現場的所有 CompactRIO 系統都會與機構內的專屬時間伺服器同步。如此即可確保時脈偏移低於 300 毫秒；若要透過分散各地的觀測站進行研究，這項功能將是一大關鍵。系統所包含的其他關鍵功能則包含：

• 遠端診斷—部署於現場的觀測站可進行遠端調整，以利軟體更新等作業
• 警示功能 (系統)—透過警示來監控觀測站健全狀態
• 警示功能 (感測器)—使用 LabVIEW 撰寫的額外統計常式會執行參數範圍檢查，進而在現場感測器故障時盡可能縮短停機時間
• 自動下載常式—研究資料會於每天日落後下載，好讓科學家能著手開發新的演算法
• 隨選資料—科學家與工程師可在必要時輕鬆擷取資料
• 即時的系統視覺化功能—提供使用者介面 (或「播放器」)，只需一秒就能顯示「即時」資料，而且可供連接網際網路的任何電腦使用

即時建立輻射圖

當遠端觀測站的資料送抵 CMS 後，科學家就能透過量身打造的資料庫來執行計算、繪製與演算法。此外，只要使用客制化設計的 LabVIEW 即時選取即時資料，並將其分成不同子集，SERIS 就能建立即時太陽能輻射對應功能，並透過 SERIS PV 系統監控實驗室內的使用者介面來加以提供。來自 25 個觀測站的輻射讀數會於 1 秒之內完成擷取，並提供給色彩內插演算法使用。視網路傳輸延遲狀況而定，輻射圖會每隔 2 至 3 秒更新一次。科學家可以使用輻射圖的互動式功能來讀取指定游標位置的輻射值，或輸入郵遞區號來選擇地點，以讀取該地的輻射值。

輻射圖也會顯示整個新加坡島的最大與最小整體輻射值與平均輻射值。

若要公開顯示研究成果，SERIS 可將輻射圖上傳至新加坡的國家太陽能儲存庫 (NSR，www.solar-repository.sg)，這是由新加坡政府所設置的網站，旨在推行太陽能 PV 的運用。

SERIS 系統的優勢

SERIS 在熱帶地區的太陽能電池、模組、系統與節能建築領域上有著卓越的研究成果。而本文所提及的全方位遠端氣象觀測站網路，正是他們賴以推動 PV 電網整合研究的重要依據。此一遠端監控網路採用多項 NI 軟硬體來確保絕佳的資料可用性與穩定性，進而讓 SERIS 研究人員、工程師，以及其他相關人士 (例如公共設施) 從中受惠。

有了這個堅固耐用且透過空間解析的氣象觀測站網路，SERIS 研究人員就能著手開發預報演算法來提前預測太陽能資源，以利 PV 應用。目前，太陽能 PV 已廣泛運用於世界各地，對熱帶地區的新興、未開發市場與其他開發中國家而言，PV 等再生能源系統終將在供電來源中佔有一席之地；屆時，若能運用強大且全面的遠端資料監控功能，將有助於收集額外的必要參數，進而順暢整合各種可變能源。

作者資訊：

Mark Kubis
新加坡太陽能研究所 (SERIS)
National University of Singapore (NUS) 7 Engineering Drive 1 Block E3A, #06-01
117574
新加坡
mark.kubis@nus.edu.sg