基于LabVIEW的聚光式光伏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韋明澤，吳賀利*，楊 帆，羅晨暉，吳 滿

基于LabVIEW的聚光式光伏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韋明澤1，吳賀利*1，楊 帆2，羅晨暉2，吳 滿2

（1.武漢城市學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)部，湖北 武漢 436500； 2.武漢外語(yǔ)外事職業(yè)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)部，湖北 武漢 430202）

針對(duì)現(xiàn)實(shí)聚光式光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的碎片化現(xiàn)狀，且未在新能源汽車中得到充分應(yīng)用，文章提出了利用可視化圖形化編程軟件LabVIEW設(shè)計(jì)出專門的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)回顧查詢，采集數(shù)據(jù)本地保存，完成上位機(jī)和下位機(jī)通信，并留有與車載控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信接口，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、冷卻模塊、逆變并網(wǎng)模塊以及逆變并網(wǎng)模塊的集中監(jiān)控與管理，使得聚光式光伏系統(tǒng)軟件具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和開發(fā)性。此設(shè)計(jì)對(duì)新能源汽車中的清潔能源應(yīng)用起到了促進(jìn)作用。

聚光式光伏；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；數(shù)據(jù)監(jiān)控

太陽(yáng)能作為一種可以廣泛應(yīng)用的清潔能源，其能流密度低決定了需要太陽(yáng)能收集器來(lái)提高能量收集效率。然而太陽(yáng)光與太陽(yáng)收集器存在一定角度差別，其對(duì)太陽(yáng)能的工作效能會(huì)產(chǎn)生極大影響，特別是聚光或者聚熱型收集器，對(duì)太陽(yáng)跟蹤更為重要。例如對(duì)于一個(gè)聚光比為1 000的塔式系統(tǒng)，其跟蹤精度要達(dá)到±0.058°。針對(duì)這種高精度的要求，聚光式光伏系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)反饋提出了更高要求，根據(jù)反饋的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整太陽(yáng)系統(tǒng)的跟蹤控制策略[1-2]。

隨著時(shí)代不斷發(fā)展，目前已出現(xiàn)了不少數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工具，但是由于技術(shù)壁壘的存在，這些軟件大多針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景而設(shè)計(jì)，存在著通用性不足、缺乏友好人機(jī)界面等問題。因此，本文提出一種基于 LabVIEW的聚光式光伏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用 LabVIEW圖形化編程軟件 LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際環(huán)境需求設(shè)計(jì)了地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊與逆變并網(wǎng)模塊的聚光式光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)模塊的溫度、電壓和電流等相關(guān)數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行保存，并利用 LabVIEW軟件完成上位機(jī)與下位機(jī)的通信。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了上位機(jī)和下位機(jī)通信協(xié)議，可以完成多路采集數(shù)據(jù)的采集與處理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的回放、查詢和分析，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和開發(fā)性。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備聚光光伏電站的環(huán)境地質(zhì)參數(shù)測(cè)量與監(jiān)控，以及光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣化參數(shù)的反饋與調(diào)整[3-4]功能，同時(shí)擁有下位機(jī)和上位機(jī)兩層架構(gòu)。下位機(jī)作為光伏系統(tǒng)的執(zhí)行器和傳感器，實(shí)時(shí)提供地質(zhì)環(huán)境參數(shù)，例如溫度、濕度、風(fēng)速、輻照強(qiáng)度、氣壓、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）定位經(jīng)緯度等，同時(shí)還采集光伏系統(tǒng)自身的電氣化參數(shù)，例如單體聚光組件電壓、電流、組件溫度、冷卻系統(tǒng)水溫與流速，以及光伏系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出的電壓、電流、頻率、功率因素和輸出波形的畸變率。上位機(jī)作為光伏系統(tǒng)控制器，是整個(gè)系統(tǒng)的控制監(jiān)控中心，為光伏系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢以及系統(tǒng)故障報(bào)警，也為光伏電站管理者提供集中化管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

聚光光伏系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。上位機(jī)監(jiān)測(cè)與控制聚光模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、冷卻系統(tǒng)以及逆變并網(wǎng)系統(tǒng)。每個(gè)聚光模塊中又包括冷卻模塊、無(wú)線通信模塊、跟蹤器模塊和電力輸出模塊，通信模塊將聚光模塊中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過無(wú)線通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)可以通過統(tǒng)籌數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)作出決策調(diào)整，將動(dòng)作數(shù)據(jù)提供給聚光模塊中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟蹤模塊。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊為上位機(jī)提供地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)太陽(yáng)能輻照度、風(fēng)速、溫度、濕度以及經(jīng)緯度。冷卻系統(tǒng)采用的是水冷散熱，將聚光模塊中的熱量通過水帶走，將冷卻系統(tǒng)的水壓、進(jìn)水溫度和出水溫度數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，隨后上位機(jī)根據(jù)散熱量計(jì)算來(lái)控制水泵，實(shí)現(xiàn)對(duì)水流的流量控制。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)將各聚光模塊產(chǎn)生的電能匯集逆變并網(wǎng)，并將實(shí)時(shí)電力數(shù)據(jù)提供上位機(jī)，如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件集成

聚光光伏系統(tǒng)硬件組成為上位機(jī)、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、聚光模塊、冷卻系統(tǒng)以及逆變并網(wǎng)系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)測(cè)和控制各下位機(jī)模塊，下位機(jī)各模塊是并聯(lián)連接，相互依存又相互獨(dú)立。

2.1 上位機(jī)

上位機(jī)作為監(jiān)控整個(gè)聚光光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，由四核J1900嵌入式工控機(jī)搭載上位機(jī)軟件LabVIEW為主體，其作為系統(tǒng)核心，可以完成與下位機(jī)的通信。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為數(shù)據(jù)采集卡USB-3110，可以實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)輸入、4路模擬信號(hào)輸出、4路數(shù)字信號(hào)輸入和4路數(shù)字信號(hào)輸出。其中，模擬信號(hào)輸入包括溫度、電壓、電流、溫度傳感器信號(hào)、電壓傳感器信號(hào)和電流傳感器信號(hào)；模擬信號(hào)輸出包括繼電器控制端的狀態(tài)、繼電器觸點(diǎn)斷開和接通等；數(shù)字信號(hào)輸入包括開關(guān)量輸出和開關(guān)量輸入，其中開關(guān)量輸入脈沖輸出和開關(guān)量輸入脈沖輸出等；數(shù)字信號(hào)輸出包括數(shù)字開關(guān)量輸出等。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.2 聚光器模塊

聚光器模塊采用菲涅爾聚光鏡收集能量密度低的太陽(yáng)能，利用砷化鎵聚光太陽(yáng)能電池進(jìn)行光電效應(yīng)而發(fā)電。聚光器由散熱冷卻模塊、為保持太陽(yáng)能電池處于最大功率點(diǎn)而追跡太陽(yáng)的跟蹤模塊、保護(hù)并保持電力的輸出模塊，以及進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信模塊（型號(hào)：TP306）組成。

2.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊由太陽(yáng)光總輻射傳感器STBQ OW:RS485、風(fēng)速傳感器HSTL-MIFS01、溫濕度傳感器C2000-S1-TH03N02-E01等組成。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過串口通信上傳至上位機(jī)，同時(shí)其風(fēng)速、溫度和濕度等參數(shù)在上位機(jī)中能夠?qū)崟r(shí)顯示。

STBQ OW是一種可以遠(yuǎn)距離、大范圍、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的太陽(yáng)能總輻射傳感器，其安裝在聚光器頂部，對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行反射接收，經(jīng)過處理后將太陽(yáng)光總輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過RS485總線發(fā)送至上位機(jī)。風(fēng)速傳感器HSTL-MIFS01可以檢測(cè)太陽(yáng)光、風(fēng)速、風(fēng)向和溫度等參數(shù)，采用Lab- VIEW軟件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，能夠根據(jù)需要設(shè)計(jì)多路傳感器采集接口和協(xié)議，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

2.4 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)由水溫表、水壓表、流量表、散熱器、風(fēng)扇以及電源等組成。水溫表可以實(shí)時(shí)顯示溫度，水壓表和流量表分別用來(lái)顯示壓力和流量的大小，通過串口通信技術(shù)將溫度和壓力數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)主機(jī)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)主機(jī)計(jì)算后，對(duì)溫控閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以達(dá)到良好的冷卻效果。

2.5 逆變并網(wǎng)系統(tǒng)

逆變并網(wǎng)系統(tǒng)選用陽(yáng)光能源逆變器SG6K-D為主體，其額定輸出功率為6 kW；額定電網(wǎng)電源為220 Vac；電網(wǎng)頻率范圍為45～55 Hz；總電流畸變率小于3%；功率因素大于0.99。逆變器采用了三相 LCL濾波器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、損耗小等特點(diǎn)，由三個(gè)并聯(lián)LC濾波器組成，通過高頻開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)頻率相位同步。逆變器采用基于數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing, DSP）控制技術(shù)的正弦脈寬調(diào)制（Sinu- soidal Pulse Width Modulation, SPWM）控制方式，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的數(shù)字控制功能和逆變器并網(wǎng)電流波形的優(yōu)化處理，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的模擬控制方式。

3 軟件框架設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)由工控機(jī)裝在LabVIEW圖形化軟件開發(fā)的上位機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面[5]，并通過上位機(jī)配置無(wú)線和串口通信接口，與下位機(jī)聚光模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、冷卻系統(tǒng)、逆變并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行通信握手。若通信握手成功，則可以實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，監(jiān)控界面顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)都存入上位工控機(jī)硬盤，后期可以通過界面調(diào)取工控機(jī)內(nèi)歷史數(shù)據(jù)，以供查詢。軟件框架實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

3.1 軟件界面設(shè)計(jì)

軟件界面設(shè)計(jì)以圖形界面設(shè)計(jì)為主要原則，反映聚光數(shù)據(jù)系統(tǒng)所包含的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)、冷卻系統(tǒng)數(shù)據(jù)、逆變并網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及可擴(kuò)展的聚光模塊數(shù)據(jù)。整個(gè)界面布局如圖3所示，界面緊湊，且數(shù)據(jù)顯示豐富，作為數(shù)據(jù)系統(tǒng)與用戶進(jìn)行人機(jī)交互的窗口，直觀透明且簡(jiǎn)單易用。軟件能支持歷史數(shù)據(jù)查詢，清晰地顯示動(dòng)態(tài)歷史數(shù)據(jù)。

圖3 前面板界面功能圖

系統(tǒng)軟件包括以下兩個(gè)功能模塊：1）主界面：該界面主要顯示實(shí)時(shí)溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)，而且系統(tǒng)數(shù)據(jù)以餅狀圖和柱狀圖的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，其中餅狀圖由溫度柱狀圖組成，而柱狀圖由各個(gè)模塊的電壓電流柱狀圖組成（見圖3）。2）數(shù)據(jù)分析與管理：該系統(tǒng)可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放、查詢和分析，統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)情況。例如：在開始階段，對(duì)溫度曲線進(jìn)行繪制；在結(jié)束階段對(duì)溫度曲線進(jìn)行查詢；查詢和統(tǒng)計(jì)每一個(gè)模塊的數(shù)據(jù)記錄，最后生成曲線趨勢(shì)圖、趨勢(shì)變化圖、方差分析圖、平均值趨勢(shì)圖等。

3.2 軟件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

利用雙循環(huán)架構(gòu)，使用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式的應(yīng)用框架模式程序。一個(gè)循環(huán)用于執(zhí)行數(shù)據(jù)流分析以及數(shù)據(jù)處理，或者在以不均勻速率產(chǎn)生數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源中進(jìn)行觸發(fā)采集。當(dāng)然數(shù)據(jù)也可以被實(shí)時(shí)展示和分析，并且保存與歷史瀏覽；另一個(gè)循環(huán)以事件驅(qū)動(dòng)的方式，生成消息隊(duì)列，讓消息隊(duì)列形成排隊(duì)項(xiàng)，同時(shí)通過響應(yīng)事件實(shí)現(xiàn)代碼的異步執(zhí)行，對(duì)用戶的動(dòng)作做出不同響應(yīng)。這一循環(huán)替代了常用的“用戶界面事件處理器”模式，因此，不影響用戶界面的響應(yīng)速度，后面板軟件程序框架圖（程序源碼）如圖4所示。

圖4 后面板軟件程序框架圖（程序源碼）

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的聚光光伏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，且能與歷史數(shù)據(jù)交互、繪制曲線，為聚光光伏系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源，也為系統(tǒng)工作提供準(zhǔn)確的預(yù)判依據(jù)，增補(bǔ)了光伏系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)技術(shù)內(nèi)容。

同時(shí)，此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和開發(fā)性、良好的人機(jī)交互界面，可用于各種數(shù)據(jù)采集和處理，同時(shí)在功能上達(dá)到了較高水平，對(duì)于開發(fā)更多、更復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)具有重要的參考意義，且具備一定的實(shí)用性和可拓展性。

[1] DUFFIE J A.Solar Engineering of Thermal Processes [M].New York:Jone Wiley & Sons,2006.

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[3] 盛慶博,王濤,鄒林,等.模塊化光伏電站參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2023(1):67-71.

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Design of Data Acquisition System for Concentrated Photovoltaic Based on LabVIEW

WEI Mingze1, WU Heli*1, YANG Fan2, LUO Chenhui2, WU Man2

( 1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan City College, Wuhan 436500, China; 2.Department of Mechanical and Electrical Technology, Wuhan College of Foreign Language & Foreign Affairs, Wuhan 430202, China )

Aiming at the fragmentation of data acquisition and monitoring data in the real concen- trating photovoltaic power generation system,which has not beenfully applied in new energy vehicles, this paper proposes to design a special data acquisition system by using the visual graphical programming software LabVIEW.The data acquisition system realizes real-time display of monitor- ing data, review and query of historical data, local storage of collected data, and communication between upper computer and lower computer, and there is a communication interface with the onboard controller area network(CAN),realizes the centralized monitoring and management of geological environment monitoring module, cooling module, inverter grid connection module and inverter grid connection module,which makes the concentrating photovoltaic system have strong expansibility and development.This design promotes the application of clean energy in new energy vehicles.

Concentrated photovoltaic;LabVIEW;Data acquisition system;Data monitoring

U473.4

A

1671-7988(2023)19-67-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.013

韋明澤（2001－），男，碩士，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電及數(shù)據(jù)采集，E-mail:1376736859@qq.com。

吳賀利（1983－），男，碩士，講師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電及數(shù)據(jù)采集，E-mail:yunflyen@163.com。

屋頂光伏/光熱與儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（S202213235011）；新形勢(shì)下基于大學(xué)生遠(yuǎn)程競(jìng)賽與教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法實(shí)踐（2022CYYBJY015）。