趙義滿，孟　，陳玉潔，孫以澤

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上?！?01620)

0　引言

隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，光伏電站越來越多。為了維持光伏電站的正常運(yùn)行、簡化電站的維護(hù)，應(yīng)對電站的突發(fā)狀況，設(shè)計(jì)和開發(fā)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、界面友好、操作簡單、智能化程度高的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)記錄的光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)對于電站系統(tǒng)的管理、設(shè)備的維護(hù)及以后的科研分析都具有重要的參考價(jià)值[1-2]。光伏電站的監(jiān)控技術(shù)已成為光伏發(fā)電推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

LabVIEW語言是一種功能強(qiáng)大的圖形化開發(fā)語言，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化測量和控制[3]。文中利用LabVIEW軟件、工控機(jī)和PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)了獨(dú)立光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光伏電站運(yùn)行參數(shù)的采集、處理和存儲(chǔ)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、界面友好、操作簡單、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。

1　監(jiān)控系統(tǒng)整體方案

光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要由傳感器電路模塊、信號調(diào)理電路、PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)組成。利用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的監(jiān)控界面。

圖1　監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)監(jiān)控的光伏電站運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)有太陽輻照度、光伏組件的溫度、風(fēng)速、光伏組件陣列輸出的直流電壓和直流電流。傳感器采集的參數(shù)，經(jīng)信號調(diào)理后，接入到CB-37F-HVD接線盒，再通過電纜送至安裝在工控機(jī)上的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端；經(jīng)卡內(nèi)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換得到16位的數(shù)據(jù)通過板載緩存送至工控機(jī)；通過LabVIEW程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后在監(jiān)控界面上顯示被測參量的值。同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Microsoft Access 2003數(shù)據(jù)庫文件中，保存到監(jiān)控的工控機(jī)中。

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1數(shù)據(jù)采集卡

NI PCI-6221(37Pin)是低價(jià)位多功能M系列數(shù)據(jù)采集卡，有AI0 ～ AI15共16個(gè)模擬輸入通道，模擬輸入電壓范圍為-10～+10 V，分辨率為16位，單通道采樣率為250 kS/s，卡上存儲(chǔ)容量為4095個(gè)樣本。為避免接地回路干擾和抑制共模電壓干擾等，系統(tǒng)采集的5路信號采用差分接法，使用了AI0～AI4和AI8～AI12模擬輸入通道。PCI-6221被安裝在工控機(jī)的PCI插槽里，通過電纜和CB-37F-HVD接線盒引出PCI-6221的所有接口。

2．2傳感器的選擇

2．2．1太陽輻照度傳感器

太陽的輻照是導(dǎo)致光伏電池產(chǎn)生伏特效應(yīng)的直接影響因素，輻照強(qiáng)度的大小直接影響光伏電池發(fā)電量的大小，光伏電池接收的輻照量和電池的發(fā)電量成正比。系統(tǒng)選用PH-HTZD輻射計(jì)測量太陽的輻射度。其測量范圍為0～2 000 W/m2，測量結(jié)果以0～5 V直流電壓的形式輸出。該輻射計(jì)穩(wěn)定性好、精度高。輸出的輻射量值r與測量輸出電壓u、輻射計(jì)靈敏度系數(shù)α之間的關(guān)系是：

r=u/α

2．2．2直流電壓傳感器

霍爾電流電壓傳感器是先進(jìn)的能隔離主電流回路與電子控制電路的電檢測元件，它綜合了互感器和分流器的優(yōu)點(diǎn)，克服了互感器和分流器的不足，同一個(gè)檢測元件可以檢測交流信號也可以檢測直流信號甚至瞬態(tài)峰值[4]。

光伏組件輸出的直流電接入到并網(wǎng)逆變器，通過逆變器內(nèi)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，使逆變器輸出的交流功率達(dá)到最大，系統(tǒng)采集的直流電壓為最大功率點(diǎn)處的電壓，范圍為120～380 V．普通的電磁型互感器的精度僅為3%～5%，測量誤差較大。系統(tǒng)選用測量精度小于1．0%的CHV-25P/400霍爾傳感器測量直流電壓。其供電電壓為±15 V，額定電壓有效值為400 V．通過配置電阻Rm，使輸出電壓為0～4 V．圖2是霍爾電壓傳感器電路圖，+INPUT和-INPUT分別為被測電壓的正負(fù)輸入端，OUTPUT端輸出和輸入端成正比的被測信號值。

圖2　霍爾電壓傳感器電路圖

2．2．3直流電流傳感器

光伏組件輸出的直流電流最大達(dá)20 A，為了滿足信號采集的需求，系統(tǒng)選用額定值為50 A的CHB-50P閉環(huán)霍爾電流傳感器。其線性誤差小于0．1%，電路如圖3所示。被測電流母線從傳感器中穿過，輸出端OUTPUT輸出被測電流。在M端接電阻Rm，使輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，再接入到?shù)據(jù)采集卡的模擬信號輸入端。

圖3　霍爾電流傳感器電路圖

2．2．4溫度傳感器

采集光伏組件溫度的傳感器要放在室外，緊貼光伏組件。傳感器要具備穩(wěn)定性好、抗震動(dòng)、耐高壓等特點(diǎn)。據(jù)現(xiàn)場檢測，在晴天中午1點(diǎn)左右的時(shí)候，光伏組件上的溫度最高，可達(dá)50 ℃左右。選用測量范圍為-200～+400 ℃之間的Pt100鉑熱電阻溫度傳感器測量光伏組件的溫度。其阻值隨溫度升高而均勻增加，熱響應(yīng)時(shí)間<30 s，允許通過的最大電流為5 mA，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

2．2．5風(fēng)速傳感器

風(fēng)速是影響光伏電站發(fā)電量的關(guān)鍵因素之一，風(fēng)速傳感器安裝在室外光伏組件旁邊，要具備穩(wěn)定性好、信號傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。選用RY-FS01/S風(fēng)速傳感器，該傳感器將內(nèi)部的脈沖信號轉(zhuǎn)為模擬信號，測量范圍為0～30 m/s，輸出電流信號為4～20 mA，精度為5%，啟動(dòng)風(fēng)力<0．5 m/s．具有測量精度高、線性度高等特點(diǎn)。

2．3信號調(diào)理電路

由于不可避免的存在環(huán)境噪聲和工頻信號的干擾，傳感器采集的信號存在噪聲，為了獲得信號的準(zhǔn)確值，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了濾波電路，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前濾除信號中的噪聲。因?yàn)闉V波電路的電阻元件對信號功率有消耗，在電路中引入具有能量放大作用的有源器件，選擇Sallen-Key二階低通濾波器。為了快速衰減超過截止頻率的噪聲，得到較窄的過渡帶和更好的濾波效果，采用Sallen-Key二階低通濾波器。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電站監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)為LabVIEW 2011，數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镹I-DAQmx9．4。監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能有系統(tǒng)登錄、實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)、5個(gè)參數(shù)波形曲線顯示等。根據(jù)需要還可以隨時(shí)保存波形、打印波形或打開保存過的波形等。利用LabSQL工具包實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫操作即數(shù)據(jù)的保存、查詢、修改、刪除等。

3．1系統(tǒng)登錄

系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先顯示的是系統(tǒng)登錄界面。需要輸入賬戶和密碼，可以選擇登錄系統(tǒng)或退出。設(shè)計(jì)系統(tǒng)登錄功能主要實(shí)現(xiàn)控制用戶的權(quán)限、記錄用戶的操作和保護(hù)系統(tǒng)的安全等功能。

3．2監(jiān)控主界面

登錄系統(tǒng)后，進(jìn)入如圖4所示的監(jiān)控主界面。監(jiān)控界面上5個(gè)量表控件依次實(shí)時(shí)顯示被測的5個(gè)參量的即時(shí)值，5個(gè)波形圖表控件實(shí)時(shí)顯示5個(gè)被測參量值的變化趨勢曲線，左側(cè)的按鈕用于實(shí)現(xiàn)波形操作和監(jiān)控界面的打印瀏覽。系統(tǒng)的采樣頻率為1 kHz，為了減小記錄數(shù)據(jù)的誤差，通過求取平均值，系統(tǒng)每5 min記錄1個(gè)采樣值。

圖4　監(jiān)控主界面

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要靈活方便的操作當(dāng)前監(jiān)控界面上的即時(shí)波形，或者操作以前保存的波形，判斷電站是否正常運(yùn)行，計(jì)算電站的發(fā)電效率等。左側(cè)的控件實(shí)現(xiàn)對5個(gè)波形進(jìn)行操作，可以暫?；虮４娈?dāng)前的波形、打開以前保存的波形等。隨時(shí)暫停正在運(yùn)行的波形，以便檢查、研究。隨時(shí)保存波形曲線信息到文件，方便日后查看。打開波形主要是打開已經(jīng)保存的波形曲線文件，重新顯示保存的動(dòng)態(tài)曲線。考慮到監(jiān)控人員有時(shí)需要即時(shí)的波形曲線，設(shè)計(jì)開發(fā)了監(jiān)控界面的打印功能，系統(tǒng)外連打印機(jī)，可以即時(shí)打印監(jiān)控界面，也可以以網(wǎng)頁的形式瀏覽監(jiān)控主界面。

為了使波形光滑，采用三次樣條插值法對波形進(jìn)行插值處理。三次樣條插值是一種改進(jìn)的分段插值函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)輸出信號本身的連續(xù)性，具有波形平滑的優(yōu)點(diǎn)[5]。系統(tǒng)在t0、t1、t2…點(diǎn)記錄的值分別為y0、y1、y2…，其中g(shù)(t)為三次樣條插值函數(shù)，是分段三次多項(xiàng)式：

式中：

ti-1≤t≤ti，j=1，2，…

(1)

hi=ti-ti-1，j=1，2…

(2)

Mi=g″(ti)，j=0，1，2，…

(3)

3．3數(shù)據(jù)庫操作

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，光伏系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)對于整個(gè)電站系統(tǒng)的評估，故障診斷和改進(jìn)等都具有十分重要的參考價(jià)值。數(shù)據(jù)庫除了要實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)采集的輻照度、電壓、電流、組件溫度和風(fēng)速外，還需要記錄系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功率、日發(fā)電量、總發(fā)電量和報(bào)警信息等。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫操作界面如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)庫操作

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫功能是運(yùn)用LabSQL工具包實(shí)現(xiàn)的。LabSQL是一個(gè)免費(fèi)的、多數(shù)據(jù)庫、跨平臺(tái)的LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問工具包，LabSQL利用Microsoft ADO以及SQL語言來完成數(shù)據(jù)庫的訪問，其將復(fù)雜的底層ADO和SQL操作封裝成一系列的LabSQ，VIs，用戶可以通過調(diào)用子VI的方式實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問[6-7]。

3．3．1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的程序如圖6所示。在數(shù)據(jù)庫操作界面用戶可以手動(dòng)操作菜單下拉列表控件選擇開始記錄數(shù)據(jù)或者停止記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Access建立的數(shù)據(jù)庫文件中。

圖6　數(shù)據(jù)記錄程序

在圖5所示的監(jiān)控界面ConnectionString 3中輸入DSN=data，再單擊開始記錄數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就開始記錄保存采集到的數(shù)據(jù)。記錄的字段有時(shí)間、輻射度、電壓、電流、溫度和風(fēng)速。

3．3．2數(shù)據(jù)查詢、修改和刪除

查詢記錄的程序如圖5所示，輸入SQL語句即可實(shí)現(xiàn)對記錄數(shù)據(jù)的查詢。查詢的字段可以是時(shí)間、電壓、電流、輻射度、溫度、風(fēng)速。例如在監(jiān)控界面的“Command Text”中輸入“SELECT * FROM data WHERE 電壓=‘284．87’order by ID”，再單擊開始查詢，在查詢結(jié)果的Table中即顯示電壓為284．87的所有記錄，并以ID排序顯示查詢結(jié)果。查詢結(jié)果如圖5所示。在監(jiān)控界面選用文本下拉列表控件實(shí)現(xiàn)刪除記錄和修改記錄的選擇。

4　系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

監(jiān)控系統(tǒng)被安裝在學(xué)校5．1 kW光伏電站上，圖4顯示某天從6：00到17：30系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)記錄的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)變化趨勢圖。5個(gè)量表控件依次實(shí)時(shí)顯示的數(shù)值為太陽輻射度、光伏組件陣列輸出的直流電壓、直流電流、組件的溫度和風(fēng)速，5個(gè)波形圖表控件顯示5個(gè)被測參量值的變化趨勢曲線。曲線都采用了波形平滑處理。系統(tǒng)具有報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)的電壓或電流超出正常值的范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)彈出報(bào)警信息，并記錄報(bào)警信息。系統(tǒng)同時(shí)將發(fā)電量計(jì)算成相應(yīng)的環(huán)保數(shù)據(jù)，如CO2、C、SO2、粉塵、氮氧化物等的減排量保存在數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)采集的電壓和電流值計(jì)算求得電站的實(shí)時(shí)功率，日發(fā)電量和總體發(fā)電量等，并記錄在數(shù)據(jù)庫中。經(jīng)測試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，運(yùn)行狀態(tài)良好。

5　結(jié)語

文中設(shè)計(jì)的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)在學(xué)校并網(wǎng)光伏電站上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，包括：

(1)實(shí)現(xiàn)了電站參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的波形顯示、對波形操作、監(jiān)控界面的打印和網(wǎng)頁瀏覽等功能。

(2)實(shí)現(xiàn)了對采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、修改和刪除等數(shù)據(jù)庫的功能。通過計(jì)算記錄了電站實(shí)時(shí)的并網(wǎng)功率，系統(tǒng)的日發(fā)電量和系統(tǒng)的總發(fā)電量，還記錄了系統(tǒng)的報(bào)警信息。

(3)系統(tǒng)人機(jī)交互界面友好、操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠性高。設(shè)計(jì)的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展。

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