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

Mark Kubis - 新加坡​太陽能​研究所 (SERIS)
​Andre Nobre - 新加坡​太陽能​研究所 (SERIS)

「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。」

- Mark Kubis,​新加坡​太陽能​研究所 (SERIS)

挑戰

即時​比對​新加坡​的​地面​太陽能​輻射,​以​評估​與​預測 PV 應用​領域​所需​的​太陽能​資源。

解決​方案

使用 CompactRIO 硬體​為​基礎​來​建立​網路,​進而​連結​位於​全國​各地​的​遠端​氣象​觀測站,​並​透過​執行 LabVIEW 系統​設計​軟體​的​電腦​加以​監​控。

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