SERIS​基于​CompactRIO​硬件,​搭建​了​一个​坚固​的​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)

“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%。”

- 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​进行​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​的​最大​和​最小​积分​值​和​平均​辐​照度​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