中心議題:

• 基于Labview的光伏發(fā)電數據監測系統的設計
• 學(xué)習光伏監測系統原理

解決方案:

• 采用光伏監測系統
• 采用DataSocket技術(shù)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信功能

1 引言

光伏發(fā)電系統的能量輸出因周?chē)h(huán)境的變化而表現出較大的差異，對光伏發(fā)電系統進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，可以獲得原始測量數據，為系統的改進(jìn)與優(yōu)化以及以后的科學(xué)研究提供有用數據，對系統環(huán)境參數及其系統本身的電氣性能進(jìn)行監測和分析是保證系統正常高效運行的前提。光伏發(fā)電系統的運行一般是在無(wú)人職守的情況下進(jìn)行，對地面上很分散的光伏系統進(jìn)行監測維護是十分困難繁瑣的，需要大量的時(shí)間和人力物力，因此在光伏發(fā)電系統中采用遠程數據監測系統具有重要意義。Labview可以利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測試、測量和自動(dòng)化應用。靈活高效的軟件可以創(chuàng )建自定義的光伏監測系統的用戶(hù)界面并能提供強大的后續數據處理能力，可以方便的設置數據處理、轉換、存儲的方式[4].模塊化的硬件能方便的提供全方位的系統集成，另外Labview還有網(wǎng)頁(yè)發(fā)布、報告生成、數據管理以及軟件連接等功能。本文利用Labview的強大功能配合FieldPoint模塊化分布式I/O設計了一種光伏發(fā)電數據監測系統，并通過(guò)網(wǎng)頁(yè)發(fā)布的功能達到遠程監測的目的。

2 光伏監測系統原理

圖1為光伏數據監測系統的原理框圖。用電流、電壓、溫度、風(fēng)速等傳感器感應光伏發(fā)電系統及周?chē)h(huán)境的信息，生成可測量的電信號。由于傳感器得到的信號可能會(huì )很微弱或者含有大量噪聲，需通過(guò)信號調理裝置進(jìn)行放大、衰減、隔離、多路復用、濾波等操作。通過(guò)調理后的信號就可以與數據采集設備連接了。監測系統采用工業(yè)RS485總線(xiàn)實(shí)現下位機與監控主PC之間的通訊。RS485總線(xiàn)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的傳輸速率下可達到最大的通信距離，加中繼器以后可以達到更大的傳輸距離。Labview軟件及其配套的DAQ（Data Acquisition）驅動(dòng)程序與數據采集硬件形成了一套完整的數據采集、分析和顯示系統。同時(shí)Labview軟件還能夠完成數據存儲任務(wù)，以便為以后的科學(xué)研究提供可靠數據。通過(guò)軟件中的Web發(fā)布工具，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)登入監測系統進(jìn)行遠程數據監測。 [page]
3 光伏監測系統硬件設計

3.1 傳感器和變換器

光伏發(fā)電監測系統需要從現場(chǎng)獲取的信息主要包括：①光伏方陣運行時(shí)的直流電流值、電壓值、功率值，以及經(jīng)過(guò)功率調節器以后的蓄電池充電參數。②采集風(fēng)速值、光伏組件表面和周?chē)h(huán)境的溫度以及太陽(yáng)的輻照度。③通過(guò)一定時(shí)期內采集的數據進(jìn)行累計發(fā)電量、平均溫度、平均輻照度等數值的計算。

采用與以上信息相對應的傳感器和變換器對數據進(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國際標準設計和制作，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(lái)測量溫度，傳感器元件由鉑絲燒制，穩定性高，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，將被測溫度轉換成（4~20）mA DC二線(xiàn)制標準信號而遠程發(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的監測，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。
采用磁性比較方法，M為高導磁率材料鐵芯，、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，當時(shí)，即鐵芯內合成磁通為零時(shí)，磁勢平衡方程為，且當時(shí)，.上述說(shuō)明，即使是一個(gè)數值較大的單個(gè)電流，只要有足夠的匝數，便可以用較小的與之平衡，并可用表示相應的數值，數值較小，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到較高的精度。同樣風(fēng)速、太陽(yáng)輻射量等信號的測量選用與光伏發(fā)電系統相配套傳感器和變換器將信號其轉換為標準電信號才能送入數據調理單元。

3.2 信號調理和數據采集裝置

直接采集來(lái)的信號由于噪聲等原因不一定能夠滿(mǎn)足采集系統的要求，為了適合數據采集設備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號必須經(jīng)過(guò)處理。信號調理裝置能夠按照要求放大或者縮小電壓電流范圍，并對信號進(jìn)行隔離濾波等處理。光伏監測系統的信號調理圖如圖3所示。
信號調理裝置SCXI（Signal Conditioning Extension for Instrumentation）由信號調理機箱、信號調理模塊和信號連接端口組成。分布式信號采集系統采用模塊化的方式，完成信號調理、數據采集和網(wǎng)絡(luò )通訊的功能。分布式信號采集系統非常適合于工業(yè)現場(chǎng)的測試，它可以使信號調理在靠近傳感器的位置進(jìn)行。監測系統采用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內裝信號調理部件，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立I/O模塊能夠在惡劣環(huán)境下使用。另外，FieldPoint具有將I/O功能、信號終端和通訊方式模塊化的創(chuàng )新結構。系統設計周期短而且性能穩定，FieldPoint系統包括大量隔離模擬與數字I/O 模塊、接線(xiàn)座， 以及網(wǎng)絡(luò )接口， 以便更容易地與標準開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )相連接[9].用戶(hù)可以單獨選擇最合適的特定應用網(wǎng)絡(luò )接口模塊、I/O 模塊或信號終端類(lèi)型。光伏發(fā)電監測系統選用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(yáng)能輻射傳感器是利用其頂部的光電探測器來(lái)測量太陽(yáng)輻射的，能夠將光信號轉換為電壓信號，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。 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 ,用于標準J、K、T、N、R、S、E和B熱電偶的溫度的測量，具有信號調理、雙層絕緣隔離、輸入噪聲過(guò)濾的功能和高精度delta-sigma 16位模-數轉換器，保證測量數據的精確。以上兩模塊均提供HotPnP（熱插拔）操作且配置簡(jiǎn)單，可自我診斷和自動(dòng)調整到工程單位，是專(zhuān)為高效高可靠度的測量而設計的，提供濾波處理的低噪音16位分辨率模擬輸入和過(guò)量程保護、板載診斷的功能都確保了無(wú)故障的安裝和維護，且均附有NIST校準認證書(shū)以確保精確可靠的模擬測量，非常適合在光伏發(fā)電監測系統中進(jìn)行應用。為了實(shí)現FieldPoint和RS485總線(xiàn)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9個(gè)FieldPoint I/O 模塊作為結點(diǎn)連接到RS485網(wǎng)絡(luò )。FP-1001通過(guò)FieldPoint端子基座連成的本地高速總線(xiàn)，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、使用和維護得以簡(jiǎn)化。
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4 光伏監測系統的軟件設計

虛擬儀器技術(shù)（Virtual Instrumentation,VI）是隨著(zhù)計算機技術(shù)、大規模集成電路等技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器系統與計算機軟件技術(shù)緊密結合，而對傳統儀器概念的突破。美國國家儀器（NI）公司開(kāi)發(fā)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng )建應用程序的圖形化編程語(yǔ)言，是目前實(shí)現虛擬儀器軟件設計最流行的工具之一，被公認為標準的數據采集和儀器控制軟件，現已成為測試測量和控制行業(yè)的標準軟件平臺[10].

4.1 監測系統前面板設計

由于Labview使用G語(yǔ)言（圖形化語(yǔ)言）進(jìn)行程序設計，因此該系統界面包含了光伏發(fā)電監測系統所要進(jìn)行監測的溫度、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3部分構成，其中前面板是VI 程序的用戶(hù)操作界面，是VI程序的交互式輸入和輸出端口。如圖4所示，系統前面板即系統界面主要由主監測界面以及各種參數界面組成。主界面主要由發(fā)電參數監測模塊、環(huán)境參數監測模塊和數據處理模塊3部分組成，各獨立參數模塊可以進(jìn)行有關(guān)的參數設置，實(shí)時(shí)顯示數據，數據處理模塊可以存儲相關(guān)的歷史數據并進(jìn)行數據回放，以便對特定模塊單獨進(jìn)行分析處理。
圖5是光伏發(fā)電數據監測系統前面板對應的部分程序框圖，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。
4.2 數據庫的建立

實(shí)現數據庫功能的第一步是建立數據源，由于Labview數據庫工具只能操作而不能創(chuàng )建數據庫，所以必須借助第三方數據庫管理系統，選用Microsoft公司的Access軟件來(lái)創(chuàng )建數據庫。建立一個(gè)名為PVData.mdb的數據庫文件，利用通用數據連接UDL（Universal Data Link）來(lái)獲得數據庫信息以實(shí)現數據庫連接，建立與數據庫文件對應的PVData.udl文件。數據庫連接完成后便可以對數據庫進(jìn)行操作了，包括創(chuàng )建表格、刪除表格、添加測試記錄、查詢(xún)記錄等操作。如用Labview數據庫工具包中的DB Tools Create Table.vi來(lái)創(chuàng )建光伏組件表面溫度測試數據表，數據表中包括測試時(shí)間、測試數值、測試人等多項信息，用DB Tools Drop Table.vi來(lái)刪除某個(gè)表格，用DB Tools Insert Data.vi添加一條記錄。數據存儲到數據庫之后，用DB Tools Select Data.vi來(lái)將已存儲的數據讀出，進(jìn)行記錄的查詢(xún)。從Tools Select Data.vi讀出的數據是動(dòng)態(tài)數據類(lèi)型需要用Database Variant To Data.vi將其轉換成正確的數據類(lèi)型。

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

5 網(wǎng)絡(luò )通信功能的實(shí)現

5.1 DataSocket通信技術(shù)

光伏發(fā)電監測系統本地計算機的數據通信可以采用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)測量數據。DataSocket能夠有效的支持本地計算機上不同應用程序對特定數據的同時(shí)應用，以及網(wǎng)絡(luò )上不同計算機的多個(gè)應用程序之間的數據交互，實(shí)現跨機器、跨語(yǔ)言、跨進(jìn)程的實(shí)時(shí)數據共享，在10M的網(wǎng)絡(luò )中的傳輸速率可以達到640kbps,完全能夠達到本監測系統的要求。利用DataSocket和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，可以更有效的進(jìn)行數據采集、分析、處理和顯示。如對于光伏發(fā)電系統溫度信號的監測，在不同主機上分別創(chuàng )建一個(gè)DataSocket服務(wù)器VI和一個(gè)DataSocket客戶(hù)端VI,使用DataSocket函數節點(diǎn)傳遞數據。首先運行DataSocket Server應用程序，它是一個(gè)獨立運行程序，通過(guò)內部數據自描述格式對TCP/IP進(jìn)行優(yōu)化和管理，然后利用服務(wù)器VI中的DataSocket Write節點(diǎn)將溫度數據發(fā)送到dstp格式指定的連接中，最后在創(chuàng )建的客戶(hù)端VI中使用設置好的DataSocket Read節點(diǎn)將數據從指定的地址讀取數據，并顯示在波形圖上。

5.2 遠程訪(fǎng)問(wèn)

在Labview中，可以通過(guò)遠程訪(fǎng)問(wèn)來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信。在光伏發(fā)電監測系統中，首先對服務(wù)器進(jìn)行相應的配置，主要包括用來(lái)設定服務(wù)器目錄和日志屬性的"Web服務(wù)器配置",設定對客戶(hù)端開(kāi)放的VI程序"Web服務(wù)器中可見(jiàn)VI "和用來(lái)設置客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)權限的"Web服務(wù)器瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)".在配置完成后，在完成在服務(wù)器端發(fā)布網(wǎng)頁(yè)的操作，在客戶(hù)端便可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器發(fā)布的頁(yè)面，實(shí)現了監測系統的遠程訪(fǎng)問(wèn)。

6 結束語(yǔ)

本文將虛擬儀器技術(shù)應用于光伏發(fā)電系統的數據監測，借助于Labview強大的軟件支持構建了一個(gè)完整的光伏監測和分析系統。該系統可以方便的對光伏發(fā)電系統的發(fā)電特性及周?chē)h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，得到可靠的監測數據。選用了適合本系統的各類(lèi)傳感器及變換器，并闡述了建立本監測系統數據庫的方法，創(chuàng )新性的應用DataSocket通信技術(shù)和Labview遠程訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)實(shí)現了系統遠程監測的功能。由于FieldPoin模塊化及Labview軟件自身的特點(diǎn)，在需要研究其他運行特性的時(shí)候可以很方便的進(jìn)行擴充，本系統運行穩定，界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，而且具有成本低，使用方便的特點(diǎn)，是一套通用的監測系統，具有很好的應用前景。