李 琴，潘三博

(上海電機學院電氣學院，上海 201306)

0 引言

太陽能因具有成本低、可再生、開發(fā)利用簡單的優(yōu)點而得到迅速發(fā)展，其中并網(wǎng)發(fā)電是其主要利用方式。光伏電站大部分都坐落在偏遠地區(qū)，地勢復雜，氣候多變，因此監(jiān)測系統(tǒng)必不可少[1]?，F(xiàn)有的光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)類型大都是固定的，不能根據(jù)用戶的需求設(shè)定，具有一定的局限性。為了方便工作人員依據(jù)需求遠程實時監(jiān)測光伏發(fā)電站的運行狀況，基于Tlink平臺開發(fā)一套用戶可自主設(shè)計的光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)尤為重要。

文獻[2]對霍爾電流傳感器進行了改進，使其能通過LoRa通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至計算機，但該系統(tǒng)只能監(jiān)測電流的變化。文獻[3]介紹了一種基于NB-IoT的光伏陣列運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)為直流電壓電流、光伏組件表面溫度及光照強度，用戶不能選擇監(jiān)測的數(shù)據(jù)，造成監(jiān)測范圍不夠全面，不能觀察到整個系統(tǒng)的運行情況。此外LoRa采用433/868 MHz免費頻段進行傳輸，需另外建設(shè)基站且危險性高。NB-IoT已被3GPP授權(quán)，傳輸網(wǎng)絡(luò)安全可靠，無需額外搭建基站。而且NB-IoT待機時間可達10 a，覆蓋面積大且能滿足海量用戶信息獲取需求，現(xiàn)已應(yīng)用在智能電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[4]。光伏電站具有分布廣、數(shù)量多的特點，故選用NB-IoT(narrowband internet of things)作為通信技術(shù)。本文提出了基于NB-IoT的光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自主選擇監(jiān)測數(shù)據(jù)并能實時監(jiān)控光伏電站,減小事故發(fā)生的可能性，減輕運維壓力，提高發(fā)電效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

光伏逆變器是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，通過監(jiān)測逆變器就能了解到整個系統(tǒng)的運行狀況，光伏系統(tǒng)框圖如圖1所示。逆變器本身就含有MCU能實時測得PV側(cè)及電網(wǎng)側(cè)各相的電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)，且能詳細監(jiān)測出系統(tǒng)的故障原因，如母線欠壓、電網(wǎng)欠頻、繼電器故障等，相對于傳統(tǒng)的超限警報，能更加細致找出故障原因，便于運維人員及時解決問題。因此，選取逆變器作為監(jiān)測點。監(jiān)測數(shù)據(jù)可以根據(jù)用戶需求選取，使用戶能合理利用數(shù)據(jù)并能更加全面監(jiān)測系統(tǒng)，且能避免多余的數(shù)據(jù)傳輸浪費流量。

圖1 光伏系統(tǒng)框圖

基于NB-IoT的光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖2所示，其結(jié)構(gòu)由感知層、通訊傳輸層、應(yīng)用層構(gòu)成。NB-IoT終端直接連接逆變器采集逆變器兩側(cè)的電壓、電流等信號，NB-IoT終端構(gòu)成感知層。通過通訊傳輸層的基站和NB-IoT平臺接收采集的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給應(yīng)用層。應(yīng)用層中的服務(wù)器接收到NB-IoT平臺推送的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行處理并保存到數(shù)據(jù)庫。用戶可以通過電腦、手機端實時查看光伏電站的運行狀況。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制器電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要包括電源電路、NB-IoT模塊、STM32單片機、時鐘電路及復位電路。電源電路負責給STM32單片機和NB-IoT模塊提供3.3 V電壓，逆變器與STM32單片機通信完成基本數(shù)據(jù)的采集，NB-IoT模塊負責與云平臺交互完成數(shù)據(jù)的上傳。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

STM32F103C8T6采用ARM 32位的Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率最高可達到72 MHz，閃存為64 KB[5]，其效率高、耗能低，所以選用STM32F103C8T6單片機作為主控芯片。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計

STM32單片機的串口與逆變器的通信接口經(jīng)過MAX232電平轉(zhuǎn)換后連接，采集逆變器所測得的數(shù)據(jù)。逆變器與STM32單片機之間通過Modbus RTU協(xié)議通信，STM32單片機對逆變器進行讀操作即可獲取數(shù)據(jù)，無需額外增加硬件。用戶可以選擇監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型，不同的PDU地址代表著不同的數(shù)據(jù)，只需對相應(yīng)的地址進行讀操作，改善了數(shù)據(jù)類型用戶不能選擇的難題，實現(xiàn)了監(jiān)控數(shù)據(jù)自主化設(shè)計。

2.3 NB-IoT模塊電路設(shè)計

NB-IoT通信模塊選擇可與眾多終端設(shè)備進行連接的BC95-B8，采用LCC貼片封裝，尺寸小、功耗低，在省電模式下電流功耗低至5 μA，幾乎能滿足所有物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用需求。其工作在900 MHz，普通的移動SIM卡即可連接，無需申請專門的物聯(lián)網(wǎng)卡。BC95-B8模塊的供電電壓范圍為3.1～4.2 V，可與3.3 V供電的STM32單片機直接連接，BC95-B8模塊包含射頻電路、USIM卡座電路、穩(wěn)壓電路等，其硬件電路如圖4所示。

圖4 BC95-B8模塊硬件電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，STM32單片機及NB-IoT模塊進行初始化，嘗試與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)連接成功后STM32單片機周期性對數(shù)據(jù)采集點采集數(shù)據(jù)，采集完成后對標志位置位，STM32將采集到的數(shù)據(jù)上傳至Tlink平臺，若標志位為true則完成了數(shù)據(jù)采集到上傳整個過程。如果連接NB-IoT網(wǎng)絡(luò)失敗則繼續(xù)連接，連接時間超過300 s系統(tǒng)重新上電，再次嘗試連接，主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

逆變器采用Modbus RTU通信協(xié)議與STM32單片機通信，串口的波特率必須與逆變器的一致均設(shè)置為9 600 B。首先進行串口初始化，STM32單片機向逆變器發(fā)送請求幀獲取數(shù)據(jù)，若逆變器返回應(yīng)答信號則STM32單片機對應(yīng)答幀進行解析判斷其是否有效。如果應(yīng)答有效返回處理結(jié)果，無效則發(fā)出出錯報警，其數(shù)據(jù)采集流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.3 數(shù)據(jù)上傳軟件設(shè)計

BC95-B8模塊具有3種工作模式：在Active工作模式下，模塊所有功能均可正常使用；Idle工作模式下，網(wǎng)絡(luò)正常連接，能接收尋呼，BC95-B8模塊處于淺睡眠狀態(tài)，Active和Idle均能切換為另外2種模式；PSM工作模式下，網(wǎng)絡(luò)斷開，僅有RTC正常工作，不再接收尋呼消息，但模塊可通過AT命令喚醒或者定時器超時后喚醒。

NB-IoT模塊只在Active狀態(tài)和Idle狀態(tài)下接收數(shù)據(jù)，在PSM狀態(tài)下不接收數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)主要是收發(fā)數(shù)據(jù)，故采用Active模式，在無數(shù)據(jù)交互達到一定時間時進入Idle模式下，降低功耗。

NB-IoT的主要優(yōu)勢是低功耗，而CoAP是專門為低功率傳輸設(shè)計的，故選用CoAP協(xié)議作為BC95-B8模塊與STM32之間通信的協(xié)議。CoAP采用異步通信方式，以UDP協(xié)議為傳輸層，數(shù)據(jù)包小、傳輸周期短，功耗低[6]。CoAP的數(shù)據(jù)傳輸格式如圖7所示，報文含義如表1所示。

圖7 CoAP傳輸格式

表1 CoAP報文含義表

STM32單片機將數(shù)據(jù)上傳云平臺的流程圖如圖8所示，STM32將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為字符串，為發(fā)送AT指令做準備。STM32單片機通過串口向BC95-B8模塊發(fā)送AT指令，BC95-B8模塊通過CoAP信道將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器，BC95-B8模塊回復OK表明發(fā)送成功。在數(shù)據(jù)交互過程中，若60 s內(nèi)未檢測到回復OK，則判定為此次數(shù)據(jù)傳輸失敗，再次發(fā)送數(shù)據(jù)；若返回錯誤，MCU延時20 s后再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)；若連續(xù)3次數(shù)據(jù)均發(fā)送失敗，則進入異常處理流程。

圖8 數(shù)據(jù)上傳流程圖

3.4 云平臺

本系統(tǒng)采用Tlink平臺，Tlink平臺將傳感器、網(wǎng)絡(luò)、云平臺聯(lián)系起來，使用戶可以根據(jù)需求靈活的搭建監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)已應(yīng)用在電力、車輛管理、遠程開關(guān)等領(lǐng)域。它集成了TCP、HTTP、MB RTU、NB-IoT、CoAP等多種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。Tlink平臺能保障數(shù)據(jù)的可靠性，即使云服務(wù)器發(fā)生故障，也可以將數(shù)據(jù)遷移到其他服務(wù)器上，保證數(shù)據(jù)不丟失，使系統(tǒng)能安全可靠的運行。

Tlink平臺設(shè)計主要包括創(chuàng)建設(shè)備、設(shè)備連接等，BC95-B8模塊的設(shè)置必須與創(chuàng)建設(shè)備的IP、端口、序列號等信息保持一致。創(chuàng)建設(shè)備時，傳感器添加數(shù)據(jù)需與逆變器實際數(shù)據(jù)類型及映射計算方式相一致，用戶可以依據(jù)實際需求批量添加多個數(shù)據(jù)，并可以為數(shù)據(jù)的顯示順序排序，增加了自主選擇性。系統(tǒng)與Tlink平臺連接成功后，可以通過電腦瀏覽器實時監(jiān)測當前運行狀況、故障記錄、實時曲線、歷史查詢等信息。在手機Tlink微信公眾號綁定賬號后，可以在手機端監(jiān)控運行狀況。歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過Tlink平臺下載，便于工作人員分析運行情況及故障原因。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

用戶可以通過手機微信及電腦瀏覽器對Tlink平臺進行訪問，查看光伏電站的當前及歷史數(shù)據(jù)。在Tlink平臺上可以根據(jù)需求添加數(shù)據(jù)類型，實驗選取電流、電壓、功率作為監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖9為11：39AM時刻手機微信公眾號所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測光伏電站的運行狀況，當光伏電站出現(xiàn)異常時，Tlink平臺提示運維工作者檢修，并能查詢歷史報警時間、報警內(nèi)容等信息，為查明故障原因提供幫助。運行期間監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)也可以查詢并提取出來，為科研工作提供了數(shù)據(jù)支持。

圖9 手機監(jiān)測界面

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于NB-IoT的光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)實時采集光伏電站的運行數(shù)據(jù)，利用NB-IoT無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，使用戶可以通過手機或電腦即可實時監(jiān)測光伏電站的運行狀況，實現(xiàn)便攜式遠程監(jiān)測，保障了光伏電站的安全運行。且該系統(tǒng)具有功耗小、連接量大、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等優(yōu)點，為NB-IoT在各領(lǐng)域大規(guī)模批量應(yīng)用提供參考。