楊鑫鑫，陳昌鑫，任一峰

(1.中北大學(xué)，省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，山西太原 030051)

0 引言

近年來，隨著高比例可再生分布式能源系統(tǒng)的廣泛建設(shè)和“碳達(dá)峰”、“碳中和”[1]的提出，以去中心化為特征的新型能源主體將成為電力市場(chǎng)的重要組成部分，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)刻不容緩。分布式光伏發(fā)電[2]為很好的選擇，其具有清潔、低碳、安全、高效的特點(diǎn)，并且可以大范圍應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)、居民建筑，可在農(nóng)村、牧區(qū)、山區(qū)，發(fā)展中的大、中、小城市或商業(yè)區(qū)附近建造，解決當(dāng)?shù)赜脩粲秒娦枨?。但是分布式光伏系統(tǒng)經(jīng)常分散安裝在屋頂，人工運(yùn)維比較困難，所以無人化運(yùn)行調(diào)度、故障預(yù)警[3]非常必要。如果想要實(shí)現(xiàn)以上兩種功能，就需要進(jìn)行無人化監(jiān)測(cè)[4]。

汪添[5]提出基于光纖供能的全景視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，克服了由于系統(tǒng)供電不及時(shí)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和圖像傳輸質(zhì)量下降的難題。王杰[6]依據(jù)電能質(zhì)量電壓偏差、頻率偏差指標(biāo)，采集智能光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量波動(dòng)信號(hào)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量波動(dòng)。牛鳴原[7]將可視化技術(shù)與Web技術(shù)相結(jié)合，采用瀏覽器/服務(wù)器模式設(shè)計(jì)開發(fā)一套光伏數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將光伏數(shù)據(jù)直接呈現(xiàn)在運(yùn)維人員面前。上述研究在光伏監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得了一定的成果，但是有線監(jiān)測(cè)隨著人工成本的上升并不適用，同時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不夠全面，無法觀察到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

針對(duì)現(xiàn)有分布式光伏系統(tǒng)的正常運(yùn)行控制和異常狀態(tài)預(yù)警監(jiān)測(cè)需求，提出了一種基于NB-IOT+云平臺(tái)的分布式光伏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

分布式光伏系統(tǒng)由光伏板、逆變器、儲(chǔ)能電池、負(fù)荷等組成，光伏系統(tǒng)框圖如圖1所示。為使分布式光伏系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)能夠控制能量有序流動(dòng)，異常情況時(shí)及時(shí)預(yù)警以及事故發(fā)生后排查故障原因，需對(duì)光伏系統(tǒng)各部分均進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

基于NB-IoT+云平臺(tái)的分布式光伏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。感知層由監(jiān)測(cè)傳感器構(gòu)成，傳感器直接安裝在需要監(jiān)測(cè)的光伏系統(tǒng)設(shè)備上，利用傳感器采集數(shù)據(jù)，傳輸至單片機(jī)，暫存在寄存器中。網(wǎng)絡(luò)層由物聯(lián)網(wǎng)終端和云平臺(tái)組成，物聯(lián)網(wǎng)終端將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至云平臺(tái)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存解析。應(yīng)用層中運(yùn)維人員可以實(shí)時(shí)查看分布式光伏系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 傳感器選型

由于光伏板面積較大，室外環(huán)境惡劣，所以選用溫度傳感器MAX6675，從-40 ℃至+1 600 ℃均可連續(xù)測(cè)溫，其具有測(cè)量精度高、熱響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。光照強(qiáng)度傳感器型號(hào)為BH1750，此傳感器為數(shù)字型傳感器，支持I2C通信接口，最大可測(cè)量為100 000 lx。利用TMR2501傳感器[8]作為電流監(jiān)測(cè)傳感器，其測(cè)量范圍廣，輸出信號(hào)為差分信號(hào)，將輸出信號(hào)通過調(diào)理電路處理后，通過STM32的AD模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。調(diào)理電路包括儀表放大電路、跟隨電路、供電電路，其中儀表放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，跟隨電路起到緩沖、隔離、降低阻抗的作用。電壓傳感器采用閉環(huán)霍爾電壓傳感器[9]CHV-25P*/100，測(cè)量范圍為0～±150 V。

2.2 主控電路

系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖3所示，主要包括傳感器組、調(diào)理電路、電源電路、NB-IoT模塊[10]、STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)下發(fā)采集指令，采集時(shí)間為200 ms。將數(shù)據(jù)采集至單片機(jī)并進(jìn)行整理打包，通過NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)上傳。

圖3 硬件電路框圖

2.3 數(shù)據(jù)傳輸電路

將傳感器采集的數(shù)據(jù)按照Modbus[11]通信協(xié)議整理，如圖4所示。通過RS485發(fā)送至NB-IoT模塊，上傳至云服務(wù)器，無需額外增加硬件。可以選擇不同的IP地址和端口，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至不同的云服務(wù)器。NB-IoT模塊選擇塔石云DTU，具有RS232和RS485接口，5～36 V供電，30 s沒有連接就會(huì)進(jìn)入自動(dòng)休眠，功耗最低可達(dá)0.08 W，支持6種協(xié)議，同時(shí)可以在手機(jī)端查看數(shù)據(jù)，不僅可以與塔石云連接，也可以與搭建的云服務(wù)器連接。普通的SIM卡即插即用。

圖4 Modbus通信協(xié)議整理下的數(shù)據(jù)格式

2.4 NB-IoT模塊配置

NB-IoT的優(yōu)勢(shì)在于：大連接、廣覆蓋、低功耗、低成本，而TCP設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中具有唯一的地址，可以準(zhǔn)確地傳輸信息并且減少數(shù)據(jù)流量的浪費(fèi)。

利用NB-IoT模塊配置工具設(shè)置和單片機(jī)一樣的波特率9 600 bit/s，校驗(yàn)參數(shù)8位，停止位1位，選擇TCP/IP透?jìng)鱗11]的工作模式，輸入云端目標(biāo)端口和目標(biāo)地址，按照Modbus協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)[12]，如果正常接收，客戶端向服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)字段就會(huì)接收顯示。如果發(fā)生請(qǐng)求錯(cuò)誤，這個(gè)字段就會(huì)出現(xiàn)異常碼，不被解析。NB-IoT模塊調(diào)試工具圖如圖5所示。

圖5 NB-IoT調(diào)試工具

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)上電后，將STM32單片機(jī)串口和NB-IoT模塊初始化，當(dāng)NB-IoT模塊power燈亮起之后，開始對(duì)云端IP問詢，建立連接之后，link燈亮起，表示連接成功。STM32單片機(jī)開始周期性地采集數(shù)據(jù)，按照從站地址+功能碼+寄存器地址+數(shù)據(jù)+CRC校驗(yàn)碼[13]的數(shù)據(jù)形式，進(jìn)行打包。如果超過30 s沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則NB-IoT模塊重新上電，再次連接。主程序框圖示意圖如圖6所示。

圖6 主程序框圖示意圖

3.2 數(shù)據(jù)采集及傳輸設(shè)計(jì)

溫度傳感器MAX6675采用SPI串行輸出溫度值，將MAX6675的SCK、SO、SI接入STM32單片機(jī)IO口，光照強(qiáng)度傳感器采用I2C總線通信方式，電流、電壓傳感器均接入STM32單片機(jī)AD模塊。

NB-IoT模塊DTU的目標(biāo)端口為6430，目標(biāo)地址為82.157.236.102，可根據(jù)用戶不同的需求，輸入云平臺(tái)地址。配置完成后，進(jìn)入配置狀態(tài)、讀取參數(shù)，配置工具窗口回復(fù)OK，說明連接成功，重啟設(shè)備，即可開始使用，STM32將數(shù)據(jù)整理成十六進(jìn)制數(shù)，同時(shí)在數(shù)據(jù)尾端加上CRC校驗(yàn)，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至云平臺(tái)。

單片機(jī)選用STM32F103ZET6，向傳感器組發(fā)送采集指令，傳感器組接收到正確的指令就會(huì)回傳數(shù)據(jù)，單片機(jī)暫存數(shù)據(jù)后，通過RS485串口發(fā)送至NB-IoT模塊DTU。具體程序設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集及上傳程序設(shè)計(jì)

4 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

云平臺(tái)選擇騰訊云平臺(tái)[14]的輕量應(yīng)用服務(wù)器，可以開發(fā)各類測(cè)試環(huán)境，相比普通云服務(wù)器更加簡(jiǎn)單且更貼近應(yīng)用。本系統(tǒng)在Win10環(huán)境下利用LabVIEW[15]軟件編程開發(fā)，搭建TCP服務(wù)器，整個(gè)上位機(jī)程序以while循環(huán)和條件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，具體操作步驟為：初始化TCP網(wǎng)絡(luò)連接IP和端口，將其捆綁為數(shù)組簇→打開偵聽器→檢查偵聽，確認(rèn)TCP連接成功→按照Modbus協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)→讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)拆分解析，顯示在前面板→采集的數(shù)據(jù)被格式化寫入文件保存→30 s沒有數(shù)據(jù)傳輸自動(dòng)關(guān)閉。搭建完成云平臺(tái)后，將VI文件轉(zhuǎn)為exe格式，同時(shí)下載安裝包，登錄騰訊云遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)IP地址，如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程桌面登錄界面

安裝監(jiān)測(cè)文件，即可完成云平臺(tái)的搭建。采集硬件電路的NB-IoT模塊為客戶端，TCP服務(wù)器具有收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，開啟偵聽器，傳輸時(shí)間設(shè)為100 ms，建立連接后，就可以互發(fā)數(shù)據(jù)，每次順序?qū)囟?、光照?qiáng)度、電流、電壓數(shù)據(jù)打包發(fā)送，在服務(wù)器讀取之后，截取字符段解析到顯示界面，采用布爾元件，判定數(shù)據(jù)是否大于警告閾值或小于最低閾值，并發(fā)出預(yù)警警報(bào)。云端運(yùn)行流程圖如圖9所示。

圖9 云端運(yùn)行流程圖

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

在中北大學(xué)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，利用200 W光伏板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該光伏板正常工作電壓為12 V，正常工作電流為4 A±3%，短路電流為10 A±3%。在上午時(shí)間段進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)試。由于光伏板面積較大，溫度傳感器安裝在光伏板的四周，取其平均值，光照強(qiáng)度傳感器安裝方向與光伏板面向方向水平，電流傳感器選擇光伏板的正接線端的導(dǎo)線，另外盡量避開其他導(dǎo)線，保持一定范圍內(nèi)只有正接線端的導(dǎo)線，減少其他導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)正接線端導(dǎo)線的影響，以免產(chǎn)生誤差。在每次采集的過程中，需要TMR傳感器緊貼導(dǎo)線，以免因?yàn)榫嚯x的原因?qū)е抡`差的產(chǎn)生，電壓傳感器并聯(lián)到電路中。另外，將監(jiān)測(cè)主機(jī)云服務(wù)器置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集結(jié)果，云端數(shù)據(jù)顯示如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分布式光伏的運(yùn)行情況，正常情況下，根據(jù)溫度、光照強(qiáng)度、電壓和電流傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，運(yùn)維人員可以對(duì)電能的調(diào)度做出調(diào)整，異常情況下發(fā)出警報(bào)，及時(shí)提醒運(yùn)維人員進(jìn)行維修。另外，所有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均被儲(chǔ)存在后臺(tái)文件，以方便之后查看故障原因。

6 結(jié)束語

針對(duì)分布式光伏系統(tǒng)正常運(yùn)行控制和異常狀態(tài)預(yù)警監(jiān)測(cè)需求，提出了一種基于NB-IoT+云平臺(tái)的分布式光伏系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、分析及記錄功能，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分布式光伏運(yùn)行狀態(tài)的無人化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于雙碳目標(biāo)下光伏微網(wǎng)能量有序調(diào)度和異常情況下的故障預(yù)警具有重要意義。