基于Labview的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　1 引言

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量輸出因周圍環(huán)境的變化而表現(xiàn)出較大的差異，對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以獲得原始測量數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化以及以后的科學(xué)研究提供有用數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)及其系統(tǒng)本身的電氣性能進(jìn)行監(jiān)測和分析是保證系統(tǒng)正常高效運(yùn)行的前提。光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行一般是在無人職守的情況下進(jìn)行，對地面上很分散的光伏系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測維護(hù)是十分困難繁瑣的，需要大量的時(shí)間和人力物力，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義。Labview可以利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動(dòng)化應(yīng)用。靈活高效的軟件可以創(chuàng)建自定義的光伏監(jiān)測系統(tǒng)的用戶界面并能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，可以方便的設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)的方式[4].模塊化的硬件能方便的提供全方位的系統(tǒng)集成，另外Labview還有網(wǎng)頁發(fā)布、報(bào)告生成、數(shù)據(jù)管理以及軟件連接等功能。本文利用Labview的強(qiáng)大功能配合FieldPoint模塊化分布式I/O設(shè)計(jì)了一種光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，并通過網(wǎng)頁發(fā)布的功能達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。

　　2 光伏監(jiān)測系統(tǒng)原理

　　圖1為光伏數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的原理框圖。用電流、電壓、溫度、風(fēng)速等傳感器感應(yīng)光伏發(fā)電系統(tǒng)及周圍環(huán)境的信息，生成可測量的電信號(hào)。由于傳感器得到的信號(hào)可能會(huì)很微弱或者含有大量噪聲，需通過信號(hào)調(diào)理裝置進(jìn)行放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波等操作。通過調(diào)理后的信號(hào)就可以與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接了。監(jiān)測系統(tǒng)采用工業(yè)RS485總線實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與監(jiān)控主PC之間的通訊。RS485總線最大的通信距離約為1219m,最大傳輸速率為10Mb/S,傳輸速率與傳輸距離成反比，在100Kb/S的傳輸速率下可達(dá)到最大的通信距離，加中繼器以后可以達(dá)到更大的傳輸距離。Labview軟件及其配套的DAQ（Data Acquisition）驅(qū)動(dòng)程序與數(shù)據(jù)采集硬件形成了一套完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。同時(shí)Labview軟件還能夠完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，以便為以后的科學(xué)研究提供可靠數(shù)據(jù)。通過軟件中的Web發(fā)布工具，可以通過互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)登入監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測。

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圖1??? 光伏數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

　　3 光伏監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 傳感器和變換器

　　光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)需要從現(xiàn)場獲取的信息主要包括：①光伏方陣運(yùn)行時(shí)的直流電流值、電壓值、功率值，以及經(jīng)過功率調(diào)節(jié)器以后的蓄電池充電參數(shù)。②采集風(fēng)速值、光伏組件表面和周圍環(huán)境的溫度以及太陽的輻照度。③通過一定時(shí)期內(nèi)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)發(fā)電量、平均溫度、平均輻照度等數(shù)值的計(jì)算。

　　采用與以上信息相對應(yīng)的傳感器和變換器對數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，溫度傳感器采用精密鉑電阻溫度傳感器PT100,該傳感器按照IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制作，利用鉑電阻在溫度發(fā)生變化時(shí)其電阻值也發(fā)生變化的特性來測量溫度，傳感器元件由鉑絲燒制，穩(wěn)定性高，測量范圍廣，利用兩個(gè)溫度傳感器可以分別對光伏組件表面溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行測量，將被測溫度轉(zhuǎn)換成（4~20）mA DC二線制標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)而遠(yuǎn)程發(fā)送。電壓的測量采用四通牌ST-A系列的STCV-800電壓傳感器，該系列傳感器廣泛用于電力系統(tǒng)的監(jiān)測，電壓測試范圍分別為0~1200V.直流電流的測量選用武漢儀表公司生產(chǎn)的HD系列高精度直流大電流傳感器。其工作原理如圖2所示。

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圖2 電流傳感器原理圖

　　采用磁性比較方法，M為高導(dǎo)磁率材料鐵芯，、為比例繞組，、分別提供給、直流電流。得到的直流磁勢分別為， ,由于兩個(gè)磁勢和方向相反，當(dāng)時(shí)，即鐵芯內(nèi)合成磁通為零時(shí)，磁勢平衡方程為，且當(dāng)時(shí)，.上述說明，即使是一個(gè)數(shù)值較大的單個(gè)電流，只要有足夠的匝數(shù)，便可以用較小的與之平衡，并可用表示相應(yīng)的數(shù)值，數(shù)值較小，便于直接進(jìn)行精密測量，且為常量不受其他量的影響，因此用磁性比較方法測量直流大電流可以達(dá)到較高的精度。同樣風(fēng)速、太陽輻射量等信號(hào)的測量選用與光伏發(fā)電系統(tǒng)相配套傳感器和變換器將信號(hào)其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)才能送入數(shù)據(jù)調(diào)理單元。

　3.2 信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集裝置

　　直接采集來的信號(hào)由于噪聲等原因不一定能夠滿足采集系統(tǒng)的要求，為了適合數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號(hào)必須經(jīng)過處理。信號(hào)調(diào)理裝置能夠按照要求放大或者縮小電壓電流范圍，并對信號(hào)進(jìn)行隔離濾波等處理。光伏監(jiān)測系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理圖如圖3所示。

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圖3 光伏監(jiān)測系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理

　　信號(hào)調(diào)理裝置SCXI（Signal Conditioning Extension for Instrumentation）由信號(hào)調(diào)理機(jī)箱、信號(hào)調(diào)理模塊和信號(hào)連接端口組成。分布式信號(hào)采集系統(tǒng)采用模塊化的方式，完成信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通訊的功能。分布式信號(hào)采集系統(tǒng)非常適合于工業(yè)現(xiàn)場的測試，它可以使信號(hào)調(diào)理在靠近傳感器的位置進(jìn)行。監(jiān)測系統(tǒng)采用NI公司的FieldPoint模塊化分布式I/O產(chǎn)品，利用RS485串行接口可以方便的連接到本地PC.FieldPoint內(nèi)裝信號(hào)調(diào)理部件，可以直接連接到傳感器，具有精確可靠的16位模擬輸入，可供混用與搭配的獨(dú)立I/O模塊能夠在惡劣環(huán)境下使用。另外，F(xiàn)ieldPoint具有將I/O功能、信號(hào)終端和通訊方式模塊化的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短而且性能穩(wěn)定，F(xiàn)ieldPoint系統(tǒng)包括大量隔離模擬與數(shù)字I/O 模塊、接線座， 以及網(wǎng)絡(luò)接口， 以便更容易地與標(biāo)準(zhǔn)開放式網(wǎng)絡(luò)相連接[9].用戶可以單獨(dú)選擇最合適的特定應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)接口模塊、I/O 模塊或信號(hào)終端類型。光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)選用NI FP-AI-110 單端輸入模塊、NI FP-TC-120 熱電偶模塊和NI FP-1001 網(wǎng)絡(luò)接口模塊。

　　由于太陽能輻射傳感器是利用其頂部的光電探測器來測量太陽輻射的，能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，于是采集選用NI FP-AI-110模塊，它是8通道單端輸入模塊，用于從各種傳感器直接測量電壓和電流信號(hào)。 溫度的采集選用NI FP-TC-120,8通道熱電偶模塊，操作溫度范圍為-40到70°C ,用于標(biāo)準(zhǔn)J、K、T、N、R、S、E和B熱電偶的溫度的測量，具有信號(hào)調(diào)理、雙層絕緣隔離、輸入噪聲過濾的功能和高精度delta-sigma 16位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，保證測量數(shù)據(jù)的精確。以上兩模塊均提供HotPnP（熱插拔）操作且配置簡單，可自我診斷和自動(dòng)調(diào)整到工程單位，是專為高效高可靠度的測量而設(shè)計(jì)的，提供濾波處理的低噪音16位分辨率模擬輸入和過量程保護(hù)、板載診斷的功能都確保了無故障的安裝和維護(hù)，且均附有NIST校準(zhǔn)認(rèn)證書以確保精確可靠的模擬測量，非常適合在光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)FieldPoint和RS485總線之間的通訊，還采用NI FP-1001網(wǎng)絡(luò)接口模塊，每個(gè)FP-1001網(wǎng)絡(luò)模塊可將多達(dá)9個(gè)FieldPoint I/O 模塊作為結(jié)點(diǎn)連接到RS485網(wǎng)絡(luò)。FP-1001通過FieldPoint端子基座連成的本地高速總線，管理PC和I/O模塊間的通信。 FP-1001還提供若干診斷和自動(dòng)化的功能，令安裝、使用和維護(hù)得以簡化。

　　4 光伏監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　虛擬儀器技術(shù)（Virtual Instrumentation,VI）是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路等技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)緊密結(jié)合，而對傳統(tǒng)儀器概念的突破。美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，是目前實(shí)現(xiàn)虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)最流行的工具之一，被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，現(xiàn)已成為測試測量和控制行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)軟件平臺(tái)[10].

　　4.1 監(jiān)測系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

　　由于Labview使用G語言（圖形化語言）進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，因此該系統(tǒng)界面包含了光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)所要進(jìn)行監(jiān)測的溫度、電流、電壓以及輻照度等的全部信息，Labview中的VI程序由前面板、程序框圖、VI圖標(biāo)3部分構(gòu)成，其中前面板是VI 程序的用戶操作界面，是VI程序的交互式輸入和輸出端口。如圖4所示，系統(tǒng)前面板即系統(tǒng)界面主要由主監(jiān)測界面以及各種參數(shù)界面組成。主界面主要由發(fā)電參數(shù)監(jiān)測模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)處理模塊3部分組成，各獨(dú)立參數(shù)模塊可以進(jìn)行有關(guān)的參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊可以存儲(chǔ)相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，以便對特定模塊單獨(dú)進(jìn)行分析處理。

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圖4 光伏監(jiān)測系統(tǒng)前面板

　　圖5是光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)前面板對應(yīng)的部分程序框圖，主要包括電壓采集、電流采集、輻照度采集、溫度采集及其處理程序。

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圖5 光伏監(jiān)測系統(tǒng)部分程序框圖

　　4.2 數(shù)據(jù)庫的建立

　　實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫功能的第一步是建立數(shù)據(jù)源，由于Labview數(shù)據(jù)庫工具只能操作而不能創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，所以必須借助第三方數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，選用Microsoft公司的Access軟件來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。建立一個(gè)名為PVData.mdb的數(shù)據(jù)庫文件，利用通用數(shù)據(jù)連接UDL（Universal Data Link）來獲得數(shù)據(jù)庫信息以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫連接，建立與數(shù)據(jù)庫文件對應(yīng)的PVData.udl文件。數(shù)據(jù)庫連接完成后便可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作了，包括創(chuàng)建表格、刪除表格、添加測試記錄、查詢記錄等操作。如用Labview數(shù)據(jù)庫工具包中的DB Tools Create Table.vi來創(chuàng)建光伏組件表面溫度測試數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表中包括測試時(shí)間、測試數(shù)值、測試人等多項(xiàng)信息，用DB Tools Drop Table.vi來刪除某個(gè)表格，用DB Tools Insert Data.vi添加一條記錄。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫之后，用DB Tools Select Data.vi來將已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)行記錄的查詢。從Tools Select Data.vi讀出的數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類型需要用Database Variant To Data.vi將其轉(zhuǎn)換成正確的數(shù)據(jù)類型。

　　大多數(shù)情況下，并不需要把光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)全部讀出，由于Labview數(shù)據(jù)庫工具包完全支持SQL語言（Structured Query Language），在Tools Select Data.vi的optional clause輸入端按照SQL語法輸入條件語句，即可讀出需要的數(shù)據(jù)。如輸入語句"Where TestTime='2008-9-12 10:24:20';",就能把此時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄讀出來。

　　5 網(wǎng)絡(luò)通信功能的實(shí)現(xiàn)

　　5.1 DataSocket通信技術(shù)

　　光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)本地計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信可以采用DataSocket技術(shù)，它是NI公司推出的面向測控領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，基于Microsoft的COM和ActiveX技術(shù)，對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行高度封裝，用于共享和發(fā)布實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)。DataSocket能夠有效的支持本地計(jì)算機(jī)上不同應(yīng)用程序?qū)μ囟〝?shù)據(jù)的同時(shí)應(yīng)用，以及網(wǎng)絡(luò)上不同計(jì)算機(jī)的多個(gè)應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)跨機(jī)器、跨語言、跨進(jìn)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，在10M的網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速率可以達(dá)到640kbps,完全能夠達(dá)到本監(jiān)測系統(tǒng)的要求。利用DataSocket和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以更有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、處理和顯示。如對于光伏發(fā)電系統(tǒng)溫度信號(hào)的監(jiān)測，在不同主機(jī)上分別創(chuàng)建一個(gè)DataSocket服務(wù)器VI和一個(gè)DataSocket客戶端VI,使用DataSocket函數(shù)節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)。首先運(yùn)行DataSocket Server應(yīng)用程序，它是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行程序，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)自描述格式對TCP/IP進(jìn)行優(yōu)化和管理，然后利用服務(wù)器VI中的DataSocket Write節(jié)點(diǎn)將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到dstp格式指定的連接中，最后在創(chuàng)建的客戶端VI中使用設(shè)置好的DataSocket Read節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)從指定的地址讀取數(shù)據(jù)，并顯示在波形圖上。

　　5.2 遠(yuǎn)程訪問

　　在Labview中，可以通過遠(yuǎn)程訪問來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。在光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)中，首先對服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的配置，主要包括用來設(shè)定服務(wù)器目錄和日志屬性的"Web服務(wù)器配置",設(shè)定對客戶端開放的VI程序"Web服務(wù)器中可見VI "和用來設(shè)置客戶端訪問權(quán)限的"Web服務(wù)器瀏覽器訪問".在配置完成后，在完成在服務(wù)器端發(fā)布網(wǎng)頁的操作，在客戶端便可以通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問服務(wù)器發(fā)布的頁面，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問。

　　6 結(jié)束語

　　本文將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，借助于Labview強(qiáng)大的軟件支持構(gòu)建了一個(gè)完整的光伏監(jiān)測和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便的對光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電特性及周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)。選用了適合本系統(tǒng)的各類傳感器及變換器，并闡述了建立本監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的方法，創(chuàng)新性的應(yīng)用DataSocket通信技術(shù)和Labview遠(yuǎn)程訪問技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測的功能。由于FieldPoin模塊化及Labview軟件自身的特點(diǎn)，在需要研究其他運(yùn)行特性的時(shí)候可以很方便的進(jìn)行擴(kuò)充，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，界面友好，操作簡單方便，而且具有成本低，使用方便的特點(diǎn)，是一套通用的監(jiān)測系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。

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