基于NB-IoT的光伏陣列運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝志遠(yuǎn)，張 信

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071000)

0 引言

近年來，分布式光伏發(fā)電憑借自身投資小、收益高、用電方便等特點(diǎn)在國內(nèi)迅速發(fā)展。此外，我國政府也在推進(jìn)分布式光伏發(fā)電建設(shè)，并在《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出：計(jì)劃到2020年建成100個(gè)分布式光伏應(yīng)用示范區(qū),園區(qū)內(nèi)80%的新建建筑屋頂、50%的已有建筑屋頂安裝光伏發(fā)電，在中東部等有條件的地區(qū)，開展“人人1 kW光伏”示范工程[1]。由此可見，分布式光伏發(fā)電已成為光伏發(fā)電的主要趨勢(shì),在未來擁有巨大的發(fā)展前景。

在分布式光伏電站迅速發(fā)展的同時(shí)，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)所面臨的問題也隨之而來。文獻(xiàn)[2]利用有線通信方式來實(shí)現(xiàn)光伏陣列監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但布線復(fù)雜、成本較高、傳輸距離短。文獻(xiàn)[3]介紹了一種基于ZigBee的光伏組件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但組網(wǎng)復(fù)雜、穩(wěn)定性差。文獻(xiàn)[4]介紹了一種基于GPRS的光伏陣列發(fā)電參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但功耗大、容量小。此外現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方式皆采用PC端監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)部署地點(diǎn)固定，靈活性差，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本高。文中提出的基于NB-IoT的光伏陣列運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，憑借基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT自身具備的廣覆蓋、低功耗、低速率、大連接等[5]優(yōu)勢(shì)，不僅完美地彌補(bǔ)了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方式的不足，同時(shí)為NB-IoT在微網(wǎng)中的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要包括2部分：一是監(jiān)測(cè)環(huán)境的實(shí)際情況分析；二是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體構(gòu)成。

1.1 監(jiān)測(cè)環(huán)境分析

監(jiān)測(cè)環(huán)境分析主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取、監(jiān)測(cè)參數(shù)的確定、監(jiān)測(cè)量程的測(cè)量、安全性分析等。按照目前分布式光伏電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分布式光伏電站主要由光伏太陽能電池板陣列、匯流箱、直流配電柜、光伏逆變器、交流配電柜等部分組成[6]。結(jié)合光伏電站設(shè)計(jì)理論并針對(duì)河北省某地120 kW分布式光伏發(fā)電站的實(shí)際情況，最終確定各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由于匯流箱是電站穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，且線路集中，易于監(jiān)測(cè)和取電，故將匯流箱確定為監(jiān)測(cè)點(diǎn)；監(jiān)測(cè)參數(shù)為直流電壓電流、匯流箱與光伏組件表面溫度、光伏組件表面光照強(qiáng)度；監(jiān)測(cè)量程為直流電壓20 ～600 V、直流電流0.1～9 A、溫度-30～+110 ℃、光照強(qiáng)度0～1.2×105Lx；由于大電流監(jiān)測(cè)采用開口式霍爾傳感器進(jìn)行非接觸式監(jiān)測(cè)，大電壓監(jiān)測(cè)在具有電路保護(hù)單元的匯流箱接線處接線，故滿足數(shù)據(jù)采集的安全性設(shè)計(jì)。120 kW分布式光伏發(fā)電站共需4個(gè)設(shè)備完成整體的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，其中每個(gè)設(shè)備均可完成1組光伏陣列運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)環(huán)境框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)環(huán)境框圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

基于NB-IoT的分布式光伏電站光伏陣列運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3部分構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

感知層由STM32、霍爾傳感器、DS18B20、高精度電阻分壓電路、BH1750及供電電源構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)獲取傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。網(wǎng)絡(luò)層由NB-IoT模塊、移動(dòng)基站、OneNET云端構(gòu)成，負(fù)責(zé)將感知層處理后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過各個(gè)基站上傳至設(shè)備云平臺(tái)，并在平臺(tái)端進(jìn)行設(shè)備的創(chuàng)建、注冊(cè)、添加、訂閱及對(duì)數(shù)據(jù)流規(guī)則的設(shè)置等。應(yīng)用層由云端服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、手機(jī)客戶端、監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)構(gòu)成，主要提供人機(jī)交互功能，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、應(yīng)用、分析及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊、電源模塊、串口開關(guān)模塊、NB-IoT模塊5部分構(gòu)成。主控模塊選取高性能、低功耗，同時(shí)具備16路外部ADC通道的STM32作為主控芯片；電源模塊采用鋰電池供電，同時(shí)設(shè)計(jì)12、5、3.3 V電壓轉(zhuǎn)化電路為設(shè)備供電。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 霍爾電流傳感器

文中選用了一種工作于閉環(huán)方式的開口型霍爾電流傳感器采集直流電流。該傳感器是在零磁通原理上制作的，具有非接觸、高精度、快響應(yīng)、廣范圍、好線性等優(yōu)點(diǎn)。其原理如圖4所示。

圖4 霍爾電流傳感器原理圖

由圖4可知，運(yùn)算電路對(duì)霍爾元件輸出信號(hào)進(jìn)行處理，并產(chǎn)生電流信號(hào)送于補(bǔ)償線圈用以抵消測(cè)量電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，建立零磁通狀態(tài)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)平衡。最終測(cè)量數(shù)據(jù)由測(cè)量電阻及信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出，輸出電壓與輸入電流成線性關(guān)系[7]。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集電路模塊主要包括8路直流電壓、8路直流電流、匯流箱內(nèi)部及光伏組件表面溫度、光伏組件兩側(cè)光照強(qiáng)度的采集電路設(shè)計(jì)。根據(jù)測(cè)量參數(shù)的量程，并結(jié)合最大測(cè)量誤差為±2.5%的設(shè)計(jì)需求，最終確定數(shù)據(jù)采集方案：電壓采集利用分壓電路完成；電流采集利用霍爾傳感器完成；溫度采集利用工作于單總線方式的DS18B20完成；光照采集利用IIC通信的BH1750完成。注意霍爾傳感器的輸出電壓為±5 V，不可直接接入STM32引腳，需在兩者之間加量程轉(zhuǎn)換電路。分壓電阻選用精度為0.05%、溫漂為25 ppm的EE系列電阻。電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

2.2 串口開關(guān)模塊硬件設(shè)計(jì)

若設(shè)備出現(xiàn)問題，為方便設(shè)備模塊化測(cè)試，專門設(shè)計(jì)了串口開關(guān)電路。其主要由2個(gè)6腳2檔的撥碼開關(guān)與串口轉(zhuǎn)USB電路構(gòu)成，撥動(dòng)開關(guān)1主要控制BC95通信模塊的連接選擇，撥動(dòng)開關(guān)2主要控制USART1的連接選擇。當(dāng)開關(guān)1往上撥動(dòng)，便可利用串口助手完成NB-IoT模塊單獨(dú)的通信測(cè)試；往下?lián)軇?dòng)，便可進(jìn)行設(shè)備整體的通信測(cè)試。當(dāng)開關(guān)2往上撥動(dòng)，便可利用USART1打印交互信息實(shí)現(xiàn)設(shè)備模塊化測(cè)試；往下?lián)軇?dòng)，便關(guān)閉USART1，正常運(yùn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2.3 NB-IoT模塊硬件設(shè)計(jì)

BC95模塊是我國首款基于3GPPR13標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)模化商用NB-IoT模塊,于2017年7月推出，現(xiàn)有版本的BC95模塊支持900、850、800、700 MHz頻段[8]。文中選擇了一款可支持中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)卡，工作于900 MHz的高性能、廣覆蓋、低功耗、低成本的BC95-B8作為NB-IoT無線通信模塊，并根據(jù)設(shè)計(jì)需求及官方設(shè)計(jì)手冊(cè)完成NB-IoT模塊硬件電路設(shè)計(jì)，如圖6所示。

(a)電阻分壓電路

(b)量程轉(zhuǎn)化電路

(c)溫度監(jiān)測(cè)電路

(d)光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)電路圖5 數(shù)據(jù)采集模塊電路圖

圖6 NB-IoT模塊硬件電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)、串口軟件設(shè)計(jì)、STM32與BC95軟件設(shè)計(jì)、OneNET云端軟件設(shè)計(jì)4部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)都在keil5編譯環(huán)境中完成，主要包括16路ADC采集電壓電流程序、I2C通信采集光照強(qiáng)度程序、單總線通信采集溫度程序。為提高測(cè)量精度，加快數(shù)據(jù)讀取速度，文中通過配置高速暫存器Byte4將DS18B20分辨率設(shè)置為12位，并采用DMA讀取采集的數(shù)據(jù)，最終數(shù)據(jù)采集結(jié)果為多次測(cè)量的平均值。具體流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2 串口軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)間的通信方式除串行數(shù)據(jù)通信與I2C通信外，更關(guān)鍵的是串口通信。文中主要完成了USART1和USART3的軟件設(shè)計(jì)。USART1波特率設(shè)置為115 200，主要負(fù)責(zé)打印設(shè)備工作及通信的交互信息便于調(diào)試；USART3波特率設(shè)置為9 600，主要負(fù)責(zé)NB-IoT模塊與STM32的通信。此外同時(shí)開啟了兩者的接收中斷，將USART1接收的數(shù)據(jù)通過USART3發(fā)送給NB模塊，并將USART3接收到的數(shù)據(jù)利用USART1打印，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信的可視化。

3.3 STM32與BC95軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備接入OneNET設(shè)備云平臺(tái)，我們通過搭載BC95模組與NB基站以及核心網(wǎng)等網(wǎng)元連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和OneNET之間的交互，同時(shí)與bootstrap服務(wù)器建立UDP連接。具體方式為設(shè)備上電后通過發(fā)送AT指令給模組，同時(shí)攜帶endpoint name參數(shù)(即鑒權(quán)信息IMEI、IMSI等)實(shí)現(xiàn)設(shè)備和平臺(tái)之間的UDP連接。連接建立成功后，服務(wù)器會(huì)返回LWM2M協(xié)議接入服務(wù)器的地址和端口[9]。

BC95模塊在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上需完成由OneNET平臺(tái)提供的基礎(chǔ)通信套件SDK的移植工作、AT指令封裝及驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)等才可完成該模塊的設(shè)置。待BC95設(shè)置完成，STM32便可通過USART3發(fā)送AT指令完成對(duì)該模塊資源的操作。BC95模塊初始化主要包括測(cè)試、報(bào)告移動(dòng)終端錯(cuò)誤、查詢信號(hào)連接狀態(tài)、查詢網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)、省電模式設(shè)置、獲取信號(hào)強(qiáng)度等。除初始化外，STM32與BC95的交互皆可看成終端設(shè)備與OneNET平臺(tái)的交互，即BC95扮演中間傳遞者的角色。終端設(shè)備與OneNET平臺(tái)的交互皆由STM32控制BC95模塊發(fā)送AT指令完成，具體的交互過程如圖8所示。

圖8 終端設(shè)備與OneNET平臺(tái)的交互圖

3.4 OneNET云端軟件設(shè)計(jì)

中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)OneNET是中國移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)為SaaS應(yīng)用和設(shè)備層搭建連接橋梁，同時(shí)為終端層提供設(shè)備接入能力和為SaaS層提供應(yīng)用開發(fā)能力[10]。充分利用OneNET提供的硬件接入與應(yīng)用開發(fā)功能，對(duì)降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期起著至關(guān)重要的作用[11]。云端軟件設(shè)計(jì)主要包括平臺(tái)與應(yīng)用設(shè)計(jì)2部分。

3.4.1 OneNET平臺(tái)設(shè)計(jì)

平臺(tái)端設(shè)計(jì)主要包括創(chuàng)建產(chǎn)品、創(chuàng)建設(shè)備、確定資源模型等。創(chuàng)建設(shè)備時(shí)需注意IMEI、IMSI信息需與設(shè)備終端保持一致。待兩者創(chuàng)建完成后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，目前OneNET平臺(tái)支持LWM2M和IPSO定義的標(biāo)準(zhǔn)資源模型，用戶可以根據(jù)所需傳感器類型從中選擇適合的資源模型進(jìn)行數(shù)據(jù)流的創(chuàng)建。資源模型為Object(某類傳感器類型)/Instance(同類傳感器的編號(hào))/Resource(傳感器值與單位)3層結(jié)構(gòu)。根據(jù)需求最終確定創(chuàng)建6個(gè)對(duì)象、29個(gè)實(shí)例、58個(gè)屬性。

3.4.2 OneNET應(yīng)用設(shè)計(jì)

OneNET設(shè)備云平臺(tái)具備API調(diào)用和數(shù)據(jù)推送功能，可支持第三方應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)。針對(duì)文中產(chǎn)品，為縮短設(shè)備開發(fā)周期，直接采用OneNET提供的應(yīng)用管理功能進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)。選擇在手機(jī)頁面的編輯區(qū)對(duì)應(yīng)用界面進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)完成后即可下載設(shè)備云APP，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外還添加了觸發(fā)器功能，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)流都進(jìn)行警報(bào)功能設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)備監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)并上傳云端時(shí)會(huì)觸發(fā)警報(bào)，設(shè)備云平臺(tái)會(huì)將包含有異常數(shù)據(jù)流與設(shè)備信息的郵件發(fā)送至用戶，用以提醒用戶設(shè)備異常。在應(yīng)用界面用戶可以通過數(shù)據(jù)流切換功能切換到其他設(shè)備，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。應(yīng)用界面如圖9所示。

圖9 應(yīng)用界面圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在室外樓頂對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了為期兩個(gè)月的精度與穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以驗(yàn)證其整體性能?；诎踩钥紤]皆采用直流信號(hào)源模擬太陽能電池板發(fā)電參數(shù)，用以檢測(cè)系統(tǒng)的性能。

4.1 測(cè)量精度測(cè)試

此次測(cè)試以工業(yè)級(jí)數(shù)字光照強(qiáng)度測(cè)試器、溫度測(cè)試器、電流鉗形表、萬用表測(cè)量的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)備采集的數(shù)據(jù)為測(cè)量值，進(jìn)行大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，用以分析系統(tǒng)的測(cè)量精度。將0.1～9 A電流等分為若干個(gè)區(qū)間進(jìn)行測(cè)量，第一路至第八路為八路電流測(cè)量值，每個(gè)測(cè)量值皆由采集的10次數(shù)據(jù)取平均獲得。電壓、溫度、光照亦采用相同的方式進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量結(jié)果如表1、表2、表3所示。

由表1、表2、表3可得，電流的測(cè)量誤差相對(duì)較小，最大誤差在±1%以內(nèi)，分析原因是霍爾傳感器測(cè)量精度高、溫度影響小等。大電壓測(cè)量誤差比較明顯，最大誤差在±2.1%以內(nèi)，誤差與分壓電阻的溫漂、精度等因素相關(guān)。溫度的測(cè)量誤差隨溫度的升高而變大，最大測(cè)量誤差在±2%以內(nèi)，原因與器件的溫漂有關(guān)。光照強(qiáng)度的測(cè)量誤差較為隨機(jī)，最大測(cè)量誤差在±2%以內(nèi)，原因不詳。綜上所述所有測(cè)量數(shù)據(jù)誤差均在±2.5%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)需求。

表1 電流測(cè)量數(shù)據(jù) A

表2 電壓測(cè)量數(shù)據(jù) V

表3 溫度、光照測(cè)量數(shù)據(jù)

4.2 應(yīng)用測(cè)試

利用OneNET設(shè)備云平臺(tái)提供的應(yīng)用設(shè)計(jì)功能，完成光伏陣列運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。為驗(yàn)證該系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)需求，專門針對(duì)系統(tǒng)通信質(zhì)量及其穩(wěn)定性進(jìn)行了大量測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，該設(shè)備在1個(gè)月的測(cè)試期間共上傳數(shù)據(jù)6萬多條，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、通信質(zhì)量高、應(yīng)用平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠很好地滿足設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于NB-IoT的分布式光伏電站光伏陣列運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)的新方法，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)通過手機(jī)APP可以隨時(shí)隨地了解其運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能部署于固定地點(diǎn)的缺陷。

(2)采用NB-IoT對(duì)光伏陣列進(jìn)行監(jiān)測(cè)，克服了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本高、功耗大、組網(wǎng)復(fù)雜、連接量小等缺點(diǎn)，同時(shí)為NB-IoT在微網(wǎng)中的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(3)添加了觸發(fā)器功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)到異常時(shí)會(huì)通過郵件提醒用戶，用戶可以及時(shí)處理異常，保障光伏陣列高效運(yùn)行。

(4)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)皆在云端進(jìn)行存儲(chǔ)，節(jié)約了本地存儲(chǔ)的成本，同時(shí)為研究影響光伏組件在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)電性能的主要因素提供大量數(shù)據(jù)。

(5)具有高擴(kuò)展性，可以在該系統(tǒng)上添加視頻監(jiān)控功能或利用獲取的大量數(shù)據(jù)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做發(fā)電量的預(yù)測(cè)，對(duì)未來的特殊情況進(jìn)行提前準(zhǔn)備。