張安莉，謝 檬，蘇 晨，范明邦

(西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，西安 710018)

0 引言

自1877年第一塊太陽能電池問世以來，一百多年里，以太陽能為代表的綠色能源因其綠色環(huán)保、效能高等特點日益受到人們的青睞，綠色能源得到快速發(fā)展。其中，太陽能的發(fā)展尤為迅猛[1-4]。目前，世界各國都在積極建設(shè)新能源發(fā)電網(wǎng)絡(luò)，而太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)就是新能源發(fā)電系統(tǒng)中較為常見的一種發(fā)電方式。太陽能發(fā)電站及發(fā)電系統(tǒng)的光照強度是其發(fā)電量的主要決定因素，因此，太陽能發(fā)電站及發(fā)電系統(tǒng)多建造于人跡罕至的荒漠、沙丘、海島等地帶。此類地帶光照強度大、日照時間長，能夠保證太陽能光伏發(fā)電的日照強度需要。但其晝夜溫差變化大，自然環(huán)境較為惡劣，對于許多只能現(xiàn)場監(jiān)控管理的地區(qū)，人力物力的資源浪費較大，且數(shù)據(jù)采集不完整、監(jiān)控資料缺失等情況時有發(fā)生[5-12]。同時，惡劣的自然環(huán)境也對數(shù)據(jù)采集工作人員的操作安全和工作生活狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。

環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)不僅對電站工作人員的操作安全與工作生活狀態(tài)有影響，也對光伏電池的發(fā)電量有影響，同時還涉及到發(fā)電站設(shè)備的正常運行[13-16]。因此，非常有必要對光伏發(fā)電站的環(huán)境參數(shù)進行測量和監(jiān)控管理。為了采集光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作參數(shù)數(shù)據(jù)，需要建立一整套完整的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)，這不僅可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控與收集，而且能更加科學(xué)、更加方便地進行人力物力的控制與協(xié)調(diào)，進行合理調(diào)配運用[17-22]。

本文所設(shè)計的基于LabVIEW的太陽能光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)將初步解決上述問題，達到智能化監(jiān)控、實時性采集、集中化管理的設(shè)計目標。設(shè)計中的下位機主要完成對溫度、風(fēng)速、光照強度及電壓、電流等參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集。上位機主要實現(xiàn)光伏發(fā)電參數(shù)數(shù)據(jù)的實時曲線繪制與實時數(shù)值顯示及故障報警等功能。同時，通過歷史數(shù)據(jù)庫功能完成歷史數(shù)據(jù)查詢。系統(tǒng)對太陽能光伏發(fā)電站進行多組數(shù)據(jù)變量的檢測，通過無線傳輸實現(xiàn)光伏發(fā)電站環(huán)境及工作參數(shù)的全面監(jiān)控，旨在讓監(jiān)控者獲取最實時全面的監(jiān)控數(shù)據(jù)與完整的數(shù)據(jù)庫，進行光伏發(fā)電站人員及設(shè)備的科學(xué)管理。相較于傳統(tǒng)的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)來說更加節(jié)能環(huán)保、更加便于系統(tǒng)化集中化管理。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

基于LabVIEW的太陽能光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。下位機由電流電壓采集模塊、溫度、光照、風(fēng)速傳感器檢測模塊、單片機及通信總線組成。溫度、光照、風(fēng)速傳感器用于檢測環(huán)境中的溫度、光照和風(fēng)速，并產(chǎn)生電信號；傳感器和單片機用于對采集的信號進行A/D轉(zhuǎn)換，提供給上位機做數(shù)據(jù)調(diào)用。上位機分為監(jiān)控子面板和歷史波形子面板，分別實現(xiàn)電壓、電流及溫度、光照和風(fēng)速的實時數(shù)據(jù)顯示、故障報警以及相關(guān)數(shù)據(jù)的歷史查詢功能。其中，監(jiān)控子面板與單片機進行通信，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的顯示及溫度報警等功能；歷史波形子面板通過調(diào)用單片機上傳之數(shù)據(jù)，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲及顯示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 STM32最小系統(tǒng)

STM32最小系統(tǒng)控制模塊電路包括STM32F105主控芯片、電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、調(diào)試接口電路和BOOT啟動電路。其中，電源轉(zhuǎn)換模塊為系統(tǒng)硬件電路正常工作提供保障，將220 V電壓轉(zhuǎn)換為各個模塊所需要的直流電壓。采用晶振為最小系統(tǒng)提供時鐘信號。STM32最小系統(tǒng)可將BOOT0引腳和BOOT1引腳置為低電平，使用JTAG或者SWD調(diào)試下載程序。

1.2 電流、電壓采集模塊

通過監(jiān)測太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電流、電壓的變化，能夠判定太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是否正常工作。電流、電壓采集模塊通過A/D芯片PCF8591進行系統(tǒng)電流、電壓信號的A/D轉(zhuǎn)換，將所采集的電信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C中進行處理，當電流電壓的線性關(guān)系發(fā)生突變時，系統(tǒng)進入非正常工作狀態(tài)風(fēng)險增加，可設(shè)置進行報警或進行人工遠程干預(yù)。

1.3 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊采用LM75A溫度傳感器進行光伏發(fā)電站的溫度數(shù)據(jù)檢測。LM75A溫度傳感器溫度傳感器供電電壓范圍為2.8～5.5 V。電路接5 V電壓，可以檢測-55～+125 ℃的溫度數(shù)據(jù)，滿足光伏發(fā)電溫度監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)實需求。

1.4 三杯式風(fēng)速檢測模塊

三杯式風(fēng)速檢測模塊用于檢測環(huán)境的風(fēng)速及風(fēng)向，一般用于軍工設(shè)施或強風(fēng)口地帶和海上，可以監(jiān)測0～18級陣風(fēng)風(fēng)速和360°的風(fēng)向坐標。本設(shè)計采用三杯式風(fēng)速檢測模塊進行光伏發(fā)電站的風(fēng)速檢測。單片機讀取三杯式風(fēng)速傳感器的轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過無線通信方式發(fā)送信號并顯示風(fēng)速數(shù)據(jù)。同時，風(fēng)速檢測模塊的數(shù)據(jù)通過無線通信方式上傳給上位機進行顯示，能夠減少工作人員的攀爬作業(yè)風(fēng)險。

1.5 光照強度檢測模塊

光照強度檢測模塊采用BH1750光照傳感器來檢測環(huán)境光照強度，其光感分辨率高，能夠探測較大范圍的光強度改變。BH1750光照傳感器具有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，數(shù)據(jù)檢測更精確，其輸入光范圍為1～65 535 lx。BH1750光照傳感器不需要A/D轉(zhuǎn)換，但需要IIC通訊方式讀取光強測試結(jié)果。測量電路BH1750光照傳感器接5 V電壓，供給電壓為3～5 V，供給電流為200 μA。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)總程序

太陽能光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)總設(shè)計流程如圖2所示。軟件系統(tǒng)由單片機驅(qū)動程序和上位機LabVIEW控制界面組成。下位機通過傳感器實現(xiàn)溫度、風(fēng)速、光照、電壓和電流共5個物理量的采集，并它通過單片機進行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊上傳給上位機。上位機程序主要完成數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)數(shù)值顯示、溫度超閾值告警、數(shù)據(jù)記錄存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)總程序流程圖

系統(tǒng)總程序主要的工作步驟為：

1)初始化光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，啟動LabVIEW。

2)配置VISA串口，進行調(diào)試。

3)VISA調(diào)試完成，實現(xiàn)通信，進行數(shù)據(jù)讀取。

4)對讀取數(shù)據(jù)在相應(yīng)子面板模塊進行顯示。

5)對溫度數(shù)據(jù)進行閾值判斷，根據(jù)判斷結(jié)果進行告警顯示。

6)將數(shù)據(jù)進行存儲，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)前面板設(shè)計

太陽能光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的上位機前面板分為監(jiān)控子面板和歷史波形子面板。前面板采用儀表盤形式顯示監(jiān)控量、數(shù)字方式顯示各監(jiān)測數(shù)據(jù)的具體數(shù)值。以波形圖的方式顯示定時監(jiān)控的環(huán)境物理變量及所監(jiān)控的歷史變量。數(shù)據(jù)庫表格用于記錄和存儲各監(jiān)控數(shù)據(jù)。

2.3 監(jiān)控子面板

太陽能光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控子面板如圖3所示。根據(jù)使用順序和功能劃分為4個模塊。分別是初始化及串口設(shè)置模塊、監(jiān)控間隔時間及延時模塊、實時數(shù)據(jù)顯示模塊和溫度報警模塊。

圖3 監(jiān)控子前面板

1)初始化及串口設(shè)置模塊:初始化設(shè)置用來選擇串口名稱，用于不同的串口連接。串口設(shè)置里可以設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位等詳細參數(shù)。串口設(shè)置模塊包括波特率設(shè)置：調(diào)制傳輸速率，可調(diào)節(jié)范圍為0～38 400；數(shù)據(jù)位設(shè)置：調(diào)整傳輸串行相應(yīng)位，可調(diào)節(jié)范圍為5～8位；停止位：數(shù)據(jù)符號的最后1位，可調(diào)節(jié)范圍為1.0位、1.5位、2.0位；奇偶校驗位：檢錯方式，默認為1位(None)。VISA串口設(shè)置：用來選擇上位機讀取數(shù)據(jù)的串口為COM1-9；讀取緩沖區(qū)為顯示所連接的串口信息；停止按鍵用于整個系統(tǒng)的啟動及停止。

2)監(jiān)控間隔時間及延時模塊:監(jiān)控間隔時間及延時模塊為控制系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的間隔時間，控制時間范圍：0～10 s，數(shù)據(jù)框顯示間隔時間數(shù)值，精確時間為0.1 s。

3)實時數(shù)據(jù)顯示模塊:實時數(shù)據(jù)顯示模塊主要顯示下位機采集的實時數(shù)據(jù)信息，監(jiān)控系統(tǒng)采用指針表盤和數(shù)字輸出框等方式顯示光照、風(fēng)速、溫度及電流、電壓的監(jiān)測實時數(shù)據(jù)。光照強度范圍為0～500 klx；風(fēng)速范圍為0～35 m/s；溫度范圍為0～100 ℃。電壓范圍為0～220 V；電流范圍為0～10 A。

4)溫度報警模塊:溫度報警模塊包括上下限調(diào)節(jié)裝置、報警指示燈和運行狀態(tài)顯示控件。太陽能光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時，布爾燈與運行狀態(tài)均顯示為綠色。當監(jiān)控的數(shù)值顯示超過上限或下限時，布爾燈變?yōu)榧t色，運行狀態(tài)顯示為高溫或低溫警報。溫度上下限參照《室內(nèi)作業(yè)高溫標準》取值0～40 ℃之間。

2.4 歷史波形子面板

歷史波形子面板如圖4所示。歷史波形子面板包括歷史數(shù)據(jù)波形模塊和歷史數(shù)據(jù)記錄模塊。歷史數(shù)據(jù)波形模塊顯示從系統(tǒng)運行開始后所有變量的歷史曲線記錄和變化，是歷史數(shù)據(jù)的圖形化展示。歷史數(shù)據(jù)記錄模塊以實時數(shù)據(jù)記錄的方式實現(xiàn)所監(jiān)控變量的記錄與儲存，數(shù)據(jù)以表格形式記錄包括時間、溫度、光照、風(fēng)速、電壓和電流共6個變量測試，可以通過滑動條控件來查看所選日期的歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)，實現(xiàn)歷史查詢功能。

圖4 歷史波形子前面板

1)歷史數(shù)據(jù)波形模塊:歷史數(shù)據(jù)波形模塊用來提供完整的數(shù)據(jù)變化曲線，可以直觀地觀察歷史數(shù)據(jù)的變化情況。波形圖的橫軸顯示時間，記錄單位為秒；縱軸為監(jiān)控參數(shù)的單位，可由波形數(shù)值自由變化或自定義設(shè)定上下限。光照歷史波形上下限范圍為130～150 klx；溫度歷史波形上下限閾值范圍為0～50 ℃；風(fēng)速歷史波形上下限范圍為0～30 m/s；電壓歷史波形范圍為0～95 V；電流歷史波形上下限范圍為0～10 A。

2)歷史數(shù)據(jù)記錄模塊:歷史數(shù)據(jù)記錄模塊采用電子表格記錄參數(shù)的實時數(shù)值，記錄數(shù)值格式為十進制數(shù)值，可記錄至小數(shù)點后一位?？梢圆榭疵總€時間節(jié)點的歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)每組數(shù)據(jù)的儲存，便于歷史數(shù)據(jù)的管理和保存。

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

為了驗證系統(tǒng)測試的準確性，進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)功能測試。完成仿真程序設(shè)計與連接后，將相對應(yīng)的端口接入上位機軟件面板，打開軟件界面，串口會顯示所連接端口。選擇創(chuàng)捷的COM端口即可完成連接。打開上位機，進行參數(shù)設(shè)置運行觀察上位機是否正常運行。正常運行后，重新設(shè)置參數(shù)，根據(jù)狀態(tài)模擬方法對系統(tǒng)進行測試。將上位機與下位機進行無線藍牙連接，無線藍牙選用HC-05芯片，通訊協(xié)議為TCP/IP協(xié)議，波特率為115 200[13]。通過讀取LabVIEW歷史數(shù)據(jù)，觀測下位機運行狀況，

3.1 室內(nèi)初始化測試

系統(tǒng)設(shè)置為室內(nèi)初始化狀態(tài)，運行監(jiān)控系統(tǒng)并連接虛擬串口，設(shè)置波特率為9 600 bps、停止位為1.0位、數(shù)據(jù)位為8位、檢驗位為None，其余參數(shù)均為默認值，即可運行系統(tǒng)并實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)監(jiān)控。室內(nèi)初始化測試界面如圖5所示。

圖5 室內(nèi)初始化測試

系統(tǒng)間隔時間設(shè)定為3 s，參數(shù)設(shè)置完成后點擊運行，監(jiān)控系統(tǒng)實時顯示參數(shù)，溫度參數(shù)為30.4 ℃，低于設(shè)定的溫度上限，運行狀態(tài)顯示為正常運行。光照強度為123.7 klx；風(fēng)速為10.2 m/s；電壓為91.2 V；電流為5.2 A。此時，監(jiān)控系統(tǒng)正常工作，顯示的實時數(shù)據(jù)為連續(xù)穩(wěn)定的波形。

3.2 室外正常模式測試

系統(tǒng)設(shè)置為室外模式，串口設(shè)置參數(shù)為默認值，采樣間隔為3秒/次，溫度上限閾值設(shè)定為40 ℃。點擊運行，此時溫度顯示為33.1 ℃，低于溫度上限閾值，系統(tǒng)為正常運行范圍，布爾燈顯示綠燈點亮狀態(tài)。光照顯示為139.3 klx、風(fēng)速顯示為11.4 m/s、電流顯示為5.1 A，電壓顯示為93.9 V。室外正常模式測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 室外正常模式測試結(jié)果圖

3.3 室外報警模式測試

系統(tǒng)設(shè)置為室外模式，設(shè)定默認串口參數(shù)值，采樣間隔設(shè)定為3秒/次，溫度上限閾值為40 ℃，點擊運行，此時運行狀態(tài)為高溫警報，溫度值顯示為41.0 ℃，大于上限閾值；光照強度為147.7 klx；風(fēng)速為14.1 m/s；電壓為93.1 V；電流為5.2 A。此時監(jiān)控面板警示報警燈亮起，顯示為警報模式。室外報警模式測試結(jié)果圖如圖7所示。

圖7 室外報警模式測試結(jié)果圖

3.4 歷史數(shù)據(jù)查詢測試

系統(tǒng)設(shè)置為歷史波形面板模式。歷史波形面板分為6個波形顯示區(qū)域，分別是光照強度歷史波形顯示區(qū)域、溫度歷史波形顯示區(qū)域、風(fēng)速歷史波形顯示區(qū)域、電流歷史波形顯示區(qū)域、電壓歷史波形顯示區(qū)域和歷史數(shù)據(jù)記錄表格區(qū)域。歷史波形圖時間軸運行初始值從0開始，共顯示44次采樣數(shù)據(jù)波形，波形采樣間隔為3 s。歷史數(shù)據(jù)記錄表格儲存系統(tǒng)運行的所有歷史數(shù)據(jù)，面板可見的顯示為18次采樣數(shù)據(jù)，若要查詢更多數(shù)據(jù)，用戶可通過滑動表格右側(cè)滑動條進行查詢。歷史數(shù)據(jù)查詢測試如圖8所示。

圖8 歷史數(shù)據(jù)查詢測試結(jié)果圖

3.5 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

為了驗證系統(tǒng)的實際可行性與測量準確度，對太陽能光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)進行系統(tǒng)運行實驗測試，記錄五組數(shù)據(jù)的測量值和標準值，并進行誤差分析。系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)表如表1所示。系統(tǒng)誤差的計算公式如下所示:

(1)

式(1)中，Y為誤差值，Xb為標準值，Xa為測量值。

如表1所示，測量誤差值范圍在±10%內(nèi)，測試誤差在0.5～20區(qū)間。

通過分析表1數(shù)據(jù)，可見溫度變化范圍為10～100 ℃，光照變化范圍為100～500 klx，風(fēng)速變化范圍為1～35 m/s，電流電壓為默認值。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作在測量狀態(tài)時

表1 系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)表

電流和電壓數(shù)值變化較小，溫度、風(fēng)速和光照強度數(shù)值變化較大。

為了進一步分析數(shù)據(jù)、減小測量誤差，對測量值進行數(shù)據(jù)擬合。設(shè)其溫度、光照、風(fēng)速、電流和電壓變量分別為y1、y2、y3、y4、y5，通過數(shù)據(jù)擬合得到其擬合方程。溫度、光照、風(fēng)速、電流和電壓的擬合方程分別如下式所示:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

根據(jù)表1之測量值和根據(jù)式(2)～(6)的擬合方程所擬合出的擬合值，分別繪制溫度、光照、風(fēng)速、電流和電壓的測量值與擬合值曲線，如圖9所示。

圖9 參數(shù)測量及擬合曲線圖

對擬合后的數(shù)據(jù)進行相對誤差計算，可得溫度的平均相對誤差為5.27%，光照的平均相對誤差為1.18%，風(fēng)速的平均相對誤差為5.43%，電流的平均相對誤差為1.41%，電壓的平均相對誤差為0.14%。數(shù)據(jù)表明：擬合后的各參數(shù)測量誤差均得到改善，其中，溫度參數(shù)相較之其他參數(shù)的平均相對誤差最大，電壓參數(shù)的平均相對誤差最小。基于此算法，對檢測算法進行優(yōu)化，代入擬合方程式后，其測量準確度可得到明顯改善。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計的太陽能光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)下位機采用STM32F105作為主控芯片，LM75A溫度傳感器、BH1750光照傳感器和三杯式風(fēng)速傳感器模塊與內(nèi)置電流電壓檢測模塊組成。上位機主要實現(xiàn)監(jiān)控參數(shù)數(shù)據(jù)的實時曲線與實時數(shù)值顯示、故障報警和歷史數(shù)據(jù)記錄等功能。經(jīng)測試，系統(tǒng)可實現(xiàn)對溫度范圍為0～100 ℃，光照范圍為0～500 klx，風(fēng)速范圍為0～30 m/s，電流范圍為0～10 A，電壓范圍為0～220 V的光伏發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)采集及實時波形和數(shù)據(jù)顯示。經(jīng)測試，系統(tǒng)誤差范圍在±10%以內(nèi)，測試數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)誤差范圍在0.5～20區(qū)間。對測試數(shù)據(jù)利用Matlab進行數(shù)據(jù)擬合后，可進一步減小誤差，系統(tǒng)能夠根據(jù)擬合方程對數(shù)據(jù)進行預(yù)測，從而對系統(tǒng)工作或故障做出預(yù)判。測試結(jié)果表明：本文設(shè)計的太陽能光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測量準確度高，操作方便，相較于傳統(tǒng)的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保、更加智能、更加便于系統(tǒng)化和集中化管理。