基于LoRa的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)

韓文征，姚曉東，黃煊赫

(上海電機學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 201306)

0 引言

光伏發(fā)電作為一種清潔、無污染、可再生的能源受到人們越來越多的關(guān)注。我國的光伏產(chǎn)業(yè)在國家政策的支持下得到迅猛發(fā)展[1]。但太陽能光伏發(fā)電易受太陽輻照度、溫度、天氣狀況等因素的影響，所以對其監(jiān)控是必不可少的。由于光伏電站多建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)，不便于現(xiàn)場監(jiān)測，并且遠(yuǎn)程有線監(jiān)控布線困難，所以將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的要求日益迫切[2]。

文獻(xiàn)[3]采用WiFi無線通信模塊，開發(fā)出一套基于WiFi無線通訊的光伏監(jiān)控系統(tǒng)。雖然WLAN 技術(shù)通信帶寬滿足要求，但無線信號傳輸距離和可靠性無法滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控需要[4]。文獻(xiàn)[5]采用ZigBee 和GPRS構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)采集及上傳。對于ZigBee模塊來說，其適用于短距離數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)其應(yīng)用于大規(guī)模光伏電站時，需通過組網(wǎng)中繼延長傳輸距離，這就增加了監(jiān)控系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。LoRa相對于ZigBee和WiFi具有傳輸距離遠(yuǎn)、低功耗的優(yōu)勢。本文提出了基于LoRa的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對光伏電站實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢等操作，可以提高光伏發(fā)電的效率，實現(xiàn)光伏發(fā)電監(jiān)控的智能化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)主要由LoRa采集節(jié)點、LoRa匯聚節(jié)點、服務(wù)器組成。該系統(tǒng)框圖如圖1所示。LoRa采集節(jié)點包括電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、輻照度傳感器和單片機最小系統(tǒng)以及LoRa模塊，數(shù)據(jù)采集節(jié)點通過各傳感器采集光伏數(shù)據(jù)，將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)在STM8內(nèi)部進(jìn)行處理分析[6]，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)LoRa模塊通過LoRa網(wǎng)絡(luò)上傳至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點對各采集節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，GPRS模塊建立TCP連接與服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控人員可以隨時通過瀏覽器實現(xiàn)對太陽能電站的監(jiān)控(見圖1)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件設(shè)計

光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分主要包括光伏數(shù)據(jù)采集節(jié)點和匯聚節(jié)點。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，便于調(diào)試和開發(fā)。

STM8L151K4基于8位STM8內(nèi)核，內(nèi)部集成實時時鐘、定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、比較器等，具備高性能與超低功耗等特性。其最大工作頻率為16 MHz,具有4～32 Kbyte內(nèi)存,其具有的5種功耗模式，可滿足系統(tǒng)低功耗的要求。

SX1278無線模塊是基于SX1278芯片研發(fā)的無線數(shù)傳模塊、供電電壓為3.3 V，接口可直接與3.3 V供電的單片機連接，該模塊可采用LoRa調(diào)制方式，使通信距離得到延長，并且具有抗干擾能力強、功耗低的優(yōu)勢。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，通過電壓和電流傳感器采集電網(wǎng)及蓄電池中的電壓和電流，通過輻照度傳感器采集太陽輻照度數(shù)據(jù)，通過溫度傳感器采集環(huán)境溫度。采集的數(shù)據(jù)在單片機STM8L151K4內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過SPI將數(shù)據(jù)傳給SX1278無線模塊。SX1278負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點，同時負(fù)責(zé)接收匯聚節(jié)點下發(fā)的指令。電源模塊主要負(fù)責(zé)給傳感器及單片機最小系統(tǒng)和SX1278無線模塊供電。STM8L151K4通過控制SX1278完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點框圖

SX1278無線模塊外圍電路包括發(fā)射與接收電路，STM8L151K4單片機通過SPI和SX1278無線模塊進(jìn)行雙向通訊，SX1278工作在從機狀態(tài)，SX1278的SCK、MISO、MOSI、NSS分別與STM8L151K4的PB5、PB7、PB6、PB4相連。SX1278是半雙工的收發(fā)器，需要在發(fā)送和接收之間切換模式，當(dāng)CTRL為高電平且VDD為低電平時，開啟接收功能；當(dāng)CTRL為低電平且VDD為高電平時，開啟發(fā)射功能,數(shù)據(jù)通過STM8L151K4的PB7引腳發(fā)送到SX1278的MISO引腳，然后由射頻模塊發(fā)出。采集節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)電路圖如圖3所示。

圖3 SX1278外圍電路圖

2.2 匯聚節(jié)點硬件設(shè)計

LoRa網(wǎng)關(guān)模塊主要包括STM32F103單片機最小系統(tǒng)、GPRS模塊和LoRa模塊以及其擴展模塊。STM32F103單片機采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz。該系列MCU具有16 KB～1 MB Flash、多種外設(shè)接口，符合設(shè)計要求。ATK-SIM900A模塊是高性能工業(yè)級GSM/GPRS模塊,接口豐富，功能完善，通過AT指令對其進(jìn)行配置，完成與服務(wù)器的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件流程圖如圖5所示，首先對STM8L151K4單片機系統(tǒng)及其外設(shè)進(jìn)行初始化，數(shù)據(jù)采集節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)，每隔10 s中斷1次，檢測是否有數(shù)據(jù)返回，當(dāng)查詢到有數(shù)據(jù)返回時，讀取數(shù)據(jù)，檢測到喚醒節(jié)點的前導(dǎo)碼及數(shù)據(jù)幀后，數(shù)據(jù)采集節(jié)點進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，等待匯聚節(jié)點下發(fā)的命令，通過MCU對命令進(jìn)行解析并開始執(zhí)行命令，STM8L151K4SPI接口配置SX1278的工作頻率并選擇合適的發(fā)射信道對數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)。

匯聚節(jié)點流程圖如圖6所示，當(dāng)GPRS模塊與服務(wù)器連接成功以后，通過AT指令查詢GPRS模塊是否接收到服務(wù)器下發(fā)的指令，當(dāng)GPRS接收到下發(fā)指令后，MCU對指令進(jìn)行解析，并將數(shù)據(jù)下發(fā)到數(shù)據(jù)采集節(jié)點，當(dāng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點返回數(shù)據(jù)后，通過SX1278接收數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

用戶可以通過瀏覽器對Web服務(wù)器進(jìn)行訪問，獲取光伏電站的歷史及實時數(shù)據(jù)?？梢栽谟脩艚缑娌榭慈罩疚募械臄?shù)據(jù)。默認(rèn)情況下，端口80用于Web服務(wù)器，Web服務(wù)器使用apache、PHP、JavaScript和CSS等技術(shù)實現(xiàn)，一個HTTP請求將通過端口80發(fā)送至監(jiān)控PC用于顯示網(wǎng)頁。

圖5 采集節(jié)點流程圖

圖6 匯聚節(jié)點軟件流程圖

通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對實驗平臺進(jìn)行搭建，獲取的數(shù)據(jù)的可視化是通過Web頁面看到的。

圖7為1:25PM時刻的各個光伏數(shù)據(jù)。通過各個數(shù)據(jù)可以監(jiān)測光伏電站的運行狀態(tài)，當(dāng)某一個值超過設(shè)定的閾值時，可以通知相應(yīng)的維修人員進(jìn)行維修。

圖7 實時監(jiān)控界面

圖8為歷史數(shù)據(jù)查詢界面，該圖顯示了某天9:25am～10:20am的蓄電池電壓和電流、PV電壓和電流以及通過逆變器轉(zhuǎn)換后的電壓及電流等部分?jǐn)?shù)據(jù)。通過該界面可以查詢光伏電站的歷史監(jiān)控狀態(tài)。

圖8 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

5 結(jié)論

本文提出的基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對光伏電站的遠(yuǎn)程監(jiān)測。通過對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行檢修，對于保障光伏電站的正常運行及實現(xiàn)電網(wǎng)智能化重要意義。該系統(tǒng)具有低功耗，傳輸距離遠(yuǎn)、可拓展性強，可以根據(jù)不同需要應(yīng)用于其他領(lǐng)域。