基于Cat.1的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)

張恒琦,汪旭東,孫 彥,習(xí)曉飛,辛沅栩

(上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306)

0 引言

隨著光伏行業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)逐漸暴露出了一些問題。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]采用NB-IoT通信技術(shù)，這種技術(shù)功耗低，必須對現(xiàn)有基站升級改造或新建基站才能通訊，傳輸速度慢，延遲高，不適合大量數(shù)據(jù)雙向傳輸。文獻(xiàn)[3]使用了GPRS技術(shù)進(jìn)行通訊，目前各大運(yùn)營商2G退網(wǎng)，這種通訊方式逐漸被淘汰。文獻(xiàn)[4]介紹的管理系統(tǒng)把環(huán)境和電壓電流參數(shù)分開采集再通過LoRa通訊匯總，多級網(wǎng)絡(luò)增大了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，且LoRa需要額外建設(shè)基站。此外現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)只實現(xiàn)監(jiān)測不能遠(yuǎn)程控制，且人機(jī)交互體驗不佳。Cat.1是4G網(wǎng)絡(luò)的一個分支，使用時不需要對LTE基站進(jìn)行升級[5]。本文提出的基于Cat.1的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)憑借Cat.1網(wǎng)絡(luò)的中速率、低功耗、高覆蓋、低延時等特點，搭配云組態(tài)的使用，彌補(bǔ)了現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的不足，能減小運(yùn)維投入，增強(qiáng)了光伏發(fā)電的安全性，同時為中速率物聯(lián)網(wǎng)在光伏行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行研。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

目前并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由光伏板陣列、匯流箱、交直流配電柜、逆變器和變壓器等部分組成。其中承擔(dān)使線路連接有序和匯流作用的是匯流箱，因而其線路集中，便于對光伏發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測[2]。監(jiān)測數(shù)據(jù)包括輸出電壓、輸出電流、光伏組件所處環(huán)境的溫濕度和光照強(qiáng)度，監(jiān)測數(shù)據(jù)范圍為：直流電壓0～200 V、直流電流0～5 A、溫度-40～80 ℃、相對濕度0～99%、光照強(qiáng)度1～65 535 Lx。

圖1 并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

基于Cat.1的新型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)分3層，傳感器、執(zhí)行器和STM32共同構(gòu)成了感知層，系統(tǒng)工作時各種傳感器把感知到的數(shù)據(jù)傳輸給STM32進(jìn)行處理，繼電器控制光伏板開關(guān)。網(wǎng)絡(luò)層包括Cat.1模塊、LTE基站和Cat.1平臺，負(fù)責(zé)將處理好的數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用層，應(yīng)用層的云服務(wù)器接收數(shù)據(jù)，云平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存入數(shù)據(jù)庫中，用戶使用計算機(jī)或手機(jī)端的云組態(tài)查看系統(tǒng)運(yùn)行情況并可以對系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖2 系統(tǒng)總體框架圖

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集電路、固態(tài)繼電器模塊、Cat.1模塊、主控芯片、時鐘電路、復(fù)位和供電電路組成。主控芯片選用主頻為72 MHz，有112個引腳和16路ADC，同時選用具有擴(kuò)展性強(qiáng)、低功耗、運(yùn)算效率高等特性的STM32F103，時鐘電路和復(fù)位電路保證主控芯片的穩(wěn)定運(yùn)行，電源模塊通過電壓轉(zhuǎn)換為STM32(3.3 V)和Cat.1模塊(3.8 V)供電，系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計

2.1.1 電壓采集電路

電壓采集電路圖如圖4所示，使用STM32的ADC對光伏輸出的直流電壓進(jìn)行測量，針對系統(tǒng)的直流電壓測量范圍(0～200 V),采用電阻分壓電路，使被測電壓降至0～3.3 V，以滿足ADC的電壓測量范圍。

圖4 電壓采集電路圖

2.1.2 電流采集電路

選用ACS712霍爾電流傳感器對直流電流進(jìn)行測量，具有高精度、溫漂小、連接方便等優(yōu)點。原理為流經(jīng)電流通過霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)化為成比例的電壓，再經(jīng)過其內(nèi)部的調(diào)理電路后從端口輸出，根據(jù)ADC采集電壓大小計算出直流電流大小。應(yīng)用電路圖如圖5所示，經(jīng)調(diào)理電路將靈敏度系數(shù)由185 mV/A增益到610 mV/A，提高測量精度。

圖5 電流采集電路圖

2.1.3 溫濕度采集電路

溫濕度采集電路圖如圖6所示，采用單總線與STM32通訊的DHT22完成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由1個濕敏電阻和1個負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻組成，可同時對溫度和濕度進(jìn)行高精度測量。由于采用了單總線的通訊方式，其連接簡單、可靠性高，DATA引腳使用了1個上拉電阻克服較長電路產(chǎn)生的寄生電容，從而確保了溫濕度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖6 溫濕度采集電路圖

2.1.4 光照強(qiáng)度采集電路

用BH1750采集光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括光電二極管、運(yùn)算放大器、ADC和晶振等。光電二極管在不同的光照強(qiáng)度下產(chǎn)生不同的電動勢，經(jīng)運(yùn)放放大和線性處理后，通過I2C通信把數(shù)據(jù)傳輸給STM32，電路如圖7所示。

圖7 光照強(qiáng)度采集電路圖

2.2 Cat.1模塊硬件設(shè)計

Cat.1模塊硬件電路設(shè)計如圖8所示，WH-GM5是一款基于LTE Cat.1網(wǎng)絡(luò)制式的通訊模組，采用LCC+LGA封裝，方便調(diào)試和安裝。覆蓋國內(nèi)主流頻段運(yùn)營商的LTE Cat.1網(wǎng)絡(luò)，使用各大運(yùn)營商的普通SIM卡即可聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)波動時可以自動切換到備用的2G網(wǎng)絡(luò)，實時性和網(wǎng)絡(luò)覆蓋好，可以保證可靠的網(wǎng)絡(luò)連接?？蓪崿F(xiàn)系統(tǒng)和云平臺間的雙向透傳通訊和多路Socket通訊，支持心跳包功能，使連接更穩(wěn)定，滿足云平臺的數(shù)據(jù)傳輸需求。根據(jù)官方設(shè)計手冊完成Cat.1模塊硬件電路設(shè)計，硬件電路包括模塊功能電路、電源電路、SIM接口電路、復(fù)位電路、Reload電路、RF電路和運(yùn)行狀態(tài)指示燈電路等。

圖8 Cat.1模塊硬件電路圖

2.3 繼電器模塊硬件設(shè)計

通過STM32的IO口控制固態(tài)繼電器的通斷，實現(xiàn)光伏板的開關(guān)操作。由于固態(tài)繼電器的無機(jī)械運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，通斷時沒有火花出現(xiàn)，提升了線路安全性[6]。針對系統(tǒng)的監(jiān)測電壓范圍為0～200 V，監(jiān)測電流范圍為0～5 A，選用負(fù)載電壓12～220 V，輸出電流為10 A，控制電壓為3～32 V，控制電流為5～20 mA的直流控直流型固態(tài)繼電器作為控制器。STM32的PD2和GND引腳分別接入繼電器的控制電源接口，當(dāng)PD2引腳輸出低電平時，繼電器斷開，光伏板處于關(guān)閉狀態(tài)，PD2引腳輸出高電平時，繼電器閉合，光伏板開始工作。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)、傳感器、Cat.1模塊依次進(jìn)入初始化，隨后系統(tǒng)檢測是否成功連接Cat.1網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)連接成功后，STM32循環(huán)采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過Cat.1網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絋link云平臺上，直至用戶將監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)閉，主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊的程序用Keil對STM32編程實現(xiàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型分為電壓、電流、溫濕度和光照強(qiáng)度采集程序。電壓和電流通過STM32的ADC采集后進(jìn)行換算，溫濕度通過單總線通訊完成采集，DHT22最小讀取間隔為2 s，大于其他傳感器的讀取間隔，所以數(shù)據(jù)采集模塊的讀取間隔周期應(yīng)大于2 s，光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過I2C通訊進(jìn)行采集，需對STM32的I2C進(jìn)行配置。數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2 Cat.1模塊軟件設(shè)計

通過使用WH-GM5模塊，可以把監(jiān)控設(shè)備與Tlink云平臺連接實現(xiàn)交互功能。WH-GM5模塊有3種通訊模式：網(wǎng)絡(luò)透傳模式是將打包好的數(shù)據(jù)按設(shè)定的地址進(jìn)行傳輸，并不對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行加工的數(shù)據(jù)透明通信；HTTPD模式是模塊向HTTP服務(wù)器發(fā)送請求并接收來自服務(wù)器的反饋信息；短信透傳模式是用戶可以通過短信的方式查看和控制運(yùn)行設(shè)備。根據(jù)云平臺的配置需求，選用網(wǎng)絡(luò)透傳作為系統(tǒng)和云平臺的通訊模式。

TCP在收發(fā)數(shù)據(jù)前，通過3次握手協(xié)議建立可靠連接?？勺远x數(shù)據(jù)格式的特性使其靈活性很高，相比UDP協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸更安全，穩(wěn)定性更高，常應(yīng)用于遠(yuǎn)程檢測控制領(lǐng)域中。具有長協(xié)議連接、同連接傳輸不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)等特點。選用TCP作為傳輸協(xié)議，傳輸格式如圖11所示。

圖11 TCP協(xié)議傳輸格式

通過STM32發(fā)送AT指令對WH-GM5模塊進(jìn)行配置，工作模式為網(wǎng)絡(luò)透傳模式，連接類型為TCP長連接，并寫入云平臺的網(wǎng)絡(luò)地址和端口。WH-GM5通過串口與STM32通信，還應(yīng)將USART1波特率設(shè)置為115200，校驗、數(shù)據(jù)、校驗位分別設(shè)置為NONE、8、1，并且開啟串口的接收中斷，STM32接收來自WH-GM5的信息進(jìn)行下一步操作。每次發(fā)送完畢后，WH-GM5對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢查，若超過60 s網(wǎng)絡(luò)異常，則WH-GM5進(jìn)行重啟。

3.3 Tlink云平臺設(shè)計

系統(tǒng)采用Tlink云平臺的云組態(tài)技術(shù)，Tlink集成了TCP、HTTP、MQTT、UDP、CoAP等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，連接了云平臺、邊緣計算網(wǎng)關(guān)、傳感終端，實現(xiàn)了工業(yè)數(shù)字化，用戶可以自定義搭建監(jiān)控系統(tǒng)，具有安全性高、可靠性強(qiáng)、使用靈活等特點，已應(yīng)用于電力、化工、環(huán)境等工業(yè)領(lǐng)域。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使用云組態(tài)技術(shù)可以根據(jù)使用者的需求靈活搭建組態(tài)界面，將其運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)中可以方便地對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控運(yùn)維[7]。與傳統(tǒng)組態(tài)相比主要優(yōu)勢：使用便捷，直接通過瀏覽器即可配置和使用組態(tài)，支持不同操作系統(tǒng)的設(shè)備；只需簡單操作即可搭建實用的組態(tài)界面；方便大數(shù)據(jù)處理和分析，傳統(tǒng)組態(tài)長時間運(yùn)行后無用數(shù)據(jù)堆積，導(dǎo)致運(yùn)行效率變低，數(shù)據(jù)分析功能也需要大量的操作才能實現(xiàn)，云組態(tài)的數(shù)據(jù)自動存儲至云端，通過數(shù)據(jù)庫和智能算法滿足數(shù)據(jù)采集和分析功能。

云平臺的設(shè)計首先進(jìn)行設(shè)備添加和編輯，根據(jù)STM32向Cat.1模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)格式建立相應(yīng)的TCP協(xié)議標(biāo)簽，包括數(shù)據(jù)頭、分隔符、數(shù)據(jù)和結(jié)束符標(biāo)簽，進(jìn)入云組態(tài)的編輯界面，調(diào)整畫布大小，添加文字說明、時間、天氣等基本信息。然后添加和配置用到的交互和監(jiān)測組件，如數(shù)值顯示、開關(guān)、連接狀態(tài)、可選時段曲線等，通過這些組件可以完成與云組態(tài)的人機(jī)交互，設(shè)置各個數(shù)據(jù)的報警區(qū)間，最后調(diào)整云組態(tài)的布局后保存并上傳。圖12為云組態(tài)的實時監(jiān)控界面。

圖12 云組態(tài)實時監(jiān)控界面

4 測試結(jié)果

用戶可以使用手機(jī)或計算機(jī)登錄云組態(tài)對光伏發(fā)電設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測和控制，實時性好，也可以通過報警記錄和運(yùn)行記錄查看歷史運(yùn)行狀況，平臺根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)自動生成曲線圖和報表。通過監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控界面，可以直觀了解光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信息并通知運(yùn)維人員處理故障。圖13為運(yùn)行記錄界面，通過對運(yùn)行記錄進(jìn)行分析可以避免出現(xiàn)安全事故，提升光伏系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

圖13 云組態(tài)運(yùn)行記錄界面

5 結(jié)論

本文提出的基于Cat.1的新型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了隨時隨地通過云組態(tài)對光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控，相對現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)，采用云組態(tài)技術(shù)提升了人機(jī)交互能力，采用Cat.1網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)刷新率高、實時性強(qiáng)，操作反應(yīng)迅速，對中速率物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)監(jiān)測和工業(yè)控制方面的使用進(jìn)行了探索。