基于LabVIEW的智能化分布式光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

涂希，張佳偉（通訊作者），朱文歡（通訊作者）

（1.雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川成都，610000；2.河海大學(xué)，江蘇南京，211100；3.上海交通大學(xué)，上海，200240）

最近，國(guó)家出臺(tái)了一系列政策，用于大力助推分布式光伏電站的發(fā)展。2021年6月，國(guó)家能源局綜合司下發(fā)了《關(guān)于報(bào)送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)試點(diǎn)方案的通知》文件，為進(jìn)一步加速分布式光伏發(fā)展鋪平了道路。為了便于對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行全過(guò)程管理，使其能夠更安全、更經(jīng)濟(jì)、更高效地運(yùn)行，需要配置一套獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，用來(lái)監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電過(guò)程中的各種參數(shù)和狀態(tài)，從而發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)預(yù)警，并根據(jù)預(yù)置管理邏輯下達(dá)控制指令，控制系統(tǒng)狀態(tài)的切換和有關(guān)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。

但是目前，大多分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)沒(méi)有配備獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，只具備太陽(yáng)能控制器和光伏逆變器等產(chǎn)品自帶的一些簡(jiǎn)易監(jiān)控功能。檢修維護(hù)人員只能通過(guò)狹小的液晶顯示屏完成一些基本的監(jiān)測(cè)和控制操作。這類監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在擴(kuò)展性差、功能單一、開(kāi)發(fā)環(huán)境封閉等問(wèn)題。而如果直接選用針對(duì)集中式光伏發(fā)電的監(jiān)控系統(tǒng)，往往會(huì)存在系統(tǒng)匹配度低的問(wèn)題，而且過(guò)高的采購(gòu)成本對(duì)于較小規(guī)模的分布式光伏發(fā)電站來(lái)說(shuō)，是十分不經(jīng)濟(jì)且難以接受的。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一種專用的分布式光伏發(fā)電狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。我們知道，LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有龐大的函數(shù)庫(kù)，且功能強(qiáng)大、使用靈活。本文基于它開(kāi)發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，能夠?yàn)榉植际焦夥l(fā)電系統(tǒng)提供了一種便捷、高效、低成本的監(jiān)控平臺(tái)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：實(shí)時(shí)采集模塊、通訊管理模塊、監(jiān)控顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊這四個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，實(shí)時(shí)采集模塊由自制的采集板卡和光照傳感器組成，負(fù)責(zé)采集分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電壓、電流、溫度和光照等模擬量信號(hào)，再通過(guò)RS-232或RS-485接口將信息上送；通訊管理模塊使用ZLAN5443A串口服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)多路串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)TCP/IP，上位機(jī)只需一根網(wǎng)線就可高速獲取下位機(jī)采集的所有數(shù)據(jù)；監(jiān)控顯示模塊以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用Modbus TCP協(xié)議與下位機(jī)通訊，借助監(jiān)控面板以數(shù)值和圖表的形式直觀地將獲取的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，由LabVIEW通過(guò)數(shù)據(jù)連接工具與SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，再通過(guò)自帶的Database工具庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的刪、增、查、改、比等操作，從而做到對(duì)數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)、管理和利用。

2 系統(tǒng)子模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

■2.1 實(shí)時(shí)采集模塊

采集模塊中，采集卡由電源電路、STM32F103主控芯片、復(fù)位電路、ST-Link接口電路、信號(hào)調(diào)理電路、RS-485通訊接口電路組成。主控芯片、電源電路和復(fù)位電路構(gòu)成STM32的最小系統(tǒng)。信號(hào)調(diào)理電路將采集的電壓、電流、溫度等信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成0-10V的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波，然后送入主控芯片內(nèi)置的AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；RS-485通訊接口電路實(shí)現(xiàn)采集板與外部的通訊；ST-Link接口既可以作為調(diào)試接口，也可以作為程序下載接口。光照傳感器選用自帶RS-485輸出接口的工業(yè)產(chǎn)品，其采集的光照強(qiáng)度信號(hào)不需要送入采集板，直接送入通訊管理機(jī)。采集板的功能框圖見(jiàn)圖2。

圖2 采集板功能框圖

電源電路選用MP2359芯片，外部電源輸入DC12V，轉(zhuǎn)換成3.3V給采集板主控芯片及其他電路供電，電路原理圖如圖3所示。

圖3 電源電路原理圖

由于采集信號(hào)的類型不同，所以調(diào)理電路也會(huì)相應(yīng)不同。電壓、電流信號(hào)均利用閉環(huán)霍爾傳感器采集，其輸出皆為電流信號(hào)，調(diào)理電路也基本一致；溫度信號(hào)選用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻NTC作為傳感器，它接入采集板后，由采集板給它提供1mA的恒定電流，通過(guò)監(jiān)測(cè)其兩端的電壓來(lái)獲取溫度信號(hào)。圖4為信號(hào)調(diào)理電路的原理圖。

RS-485通訊接口，選用SP3485芯片，它是+3.3V低功耗半雙工收發(fā)器，能夠滿足RS-485串行協(xié)議的要求，其電路原理圖如圖5所示。

圖5 RS-485通訊接口電路原理圖

■2.2 通訊管理模塊

ZLAN5443A是一款通用的通訊管理設(shè)備。它有4路串口和1路網(wǎng)口，4路串口均支持RS-232、RS-422/RS-485，它們互不干擾，可設(shè)置不同的波特率。使用時(shí)，需要安裝ZLVircom軟件來(lái)管理設(shè)備，界面如圖6所示。

圖6 ZLVircom搜索到的ZLAN5443A

圖6 出現(xiàn)的4行分別對(duì)應(yīng)ZLAN5443A內(nèi)部的4個(gè)串口，默認(rèn)設(shè)置下，串口1-4分別對(duì)應(yīng)的IP地址為192.168.1.200~192.168.1.203，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要，雙擊其中一行，可以對(duì)其進(jìn)行配置和編輯。設(shè)置界面如圖7所示。

圖7 通訊管理機(jī)串口設(shè)置界面

上面的操作界面中，能夠設(shè)置串口的參數(shù)包括：波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位，以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中的IP地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼等。

ZLAN5443A的通訊端口中，1路串口分配給采集板；1路串口分配給光照傳感器；另外2路串口用作預(yù)留，用于后期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和擴(kuò)展；上位機(jī)與網(wǎng)口連接，利于上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化部署。

■2.3 監(jiān)控顯示模塊

監(jiān)控顯示模塊以LabVIEW為平臺(tái)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，它主要由通訊子模塊、登錄界面、主界面、設(shè)備詳情界面和實(shí)時(shí)曲線界面組成。通訊子模塊使用DSC工具包中提供的Modbus庫(kù)函數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)基于Modbus TCP協(xié)議的通訊。Modbus采用的是典型的主從通訊模式，其對(duì)話是由主站發(fā)出，從站被動(dòng)地響應(yīng)。在監(jiān)控顯示模塊與下位機(jī)的通訊中，監(jiān)控顯示模塊為主站，下位機(jī)為從站，其通訊子模塊程序框圖如圖8所示。

圖8 通訊接口程序框圖

登錄系統(tǒng)后，默認(rèn)進(jìn)入主界面。如圖9所示，單線圖可以直觀地顯示系統(tǒng)的拓?fù)洌⑼ㄟ^(guò)數(shù)值元件和圖表元件實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)及各個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵信息，包括光照強(qiáng)度、當(dāng)前發(fā)電功率、當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)日發(fā)電量、累計(jì)發(fā)電量、系統(tǒng)運(yùn)行模式、蓄電池電量、開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。界面左側(cè)有4個(gè)快捷按鈕，通過(guò)單擊，可跳轉(zhuǎn)到不同的界面，也可點(diǎn)擊拓?fù)鋱D中的設(shè)備圖片進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

設(shè)備詳情界面能夠顯示光伏板、蓄電池以及逆變器的品牌、型號(hào)、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)等基本信息，包括光伏板的額定輸出電壓、額定輸出電流、開(kāi)路電壓、短路電流、當(dāng)前輸出電壓、當(dāng)前輸出電流，以及蓄電池的電壓、電流、工作狀態(tài)等。

采集的數(shù)據(jù)中，有些需要觀察它在一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)或者變化過(guò)程，因此在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)曲線界面。它能通過(guò)曲線的形式，更加直觀地展示當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)以及前一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，并實(shí)時(shí)更新，更新周期可根據(jù)項(xiàng)目需要進(jìn)行調(diào)整。實(shí)時(shí)曲線界面如圖10所示。

圖10 檢測(cè)通用信息處理板FPGA外部管腳間粘連的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 實(shí)時(shí)曲線界面

后期系統(tǒng)中，還將增加智能報(bào)警功能，當(dāng)某項(xiàng)數(shù)據(jù)超出正常值范圍時(shí)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)予以提醒或報(bào)警，從而有效避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

■2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

當(dāng)LabVIEW調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，其首先要與數(shù)據(jù)庫(kù)建立有效的連接關(guān)系，一般有3種方式：(1)利用DSN連接數(shù)據(jù)庫(kù)；(2)利用UDL連接數(shù)據(jù)庫(kù)；(3)利用連接字符串連接數(shù)據(jù)庫(kù)。這3種方式的連接過(guò)程，如圖11所示。與第1種方式相比，本文中采用第2種方式，其優(yōu)點(diǎn)為：ODBC僅支持關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，而ADO對(duì)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)都能提供支持。方法是，在LabVIEW界面中單擊“工具”菜單下的“Create Data Link”選項(xiàng)，創(chuàng)建UDL，雙擊該文件，配置“連接屬性”對(duì)話框，選擇“SQL Server”后，在“連接”選項(xiàng)卡上選擇需要的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，并測(cè)試連接狀態(tài)。系統(tǒng)連接成功后，UDL文件將自動(dòng)記錄連接數(shù)據(jù)庫(kù)的有關(guān)信息。系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，使用“Database”工具包中的庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。

圖11 LabVIEW與數(shù)據(jù)庫(kù)連接的三種方式

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由實(shí)時(shí)采集模塊、通訊管理模塊、監(jiān)控顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等較為完備的功能，能夠滿足預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。該監(jiān)控系統(tǒng)具有開(kāi)放性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、配置及維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電站（尤其是小規(guī)模電站），為分布式光伏發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)、安全、高效運(yùn)行提供有效的數(shù)據(jù)管理和決策支撐。