中心議題:

• 基于Labview的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
• 學(xué)習(xí)光伏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

解決方案:

• 采用光伏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
• 采用DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能

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(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以獲得原始測(cè)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(duì)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(cè)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(wú)人職守的情況下進(jìn)行，對(duì)地面上很分散的光伏系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)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(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)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(cè)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(yè)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(cè)系統(tǒng)，并通過網(wǎng)頁(yè)發(fā)布的功能達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。

2 光伏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

圖1為光伏數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。 [page]
3 光伏監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)需要從現(xiàn)場(chǎng)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(yáng)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(duì)應(yīng)的傳感器和變換器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)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(guó)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(lái)測(cè)量溫度，傳感器元件由鉑絲燒制，穩(wěn)定性高，測(cè)量范圍廣，利用兩個(gè)溫度傳感器可以分別對(duì)光伏組件表面溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量，將被測(cè)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(cè)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(cè)，電壓測(cè)試范圍分別為0~1200V.直流電流的測(cè)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(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(shì)分別為， ,由于兩個(gè)磁勢(shì)和方向相反，當(dāng)時(shí)，即鐵芯內(nèi)合成磁通為零時(shí)，磁勢(shì)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(cè)量，且為常量不受其他量的影響，因此用磁性比較方法測(cè)量直流大電流可以達(dá)到較高的精度。同樣風(fēng)速、太陽(yáng)輻射量等信號(hào)的測(cè)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(lái)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(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離濾波等處理。光伏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理圖如圖3所示。
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(chǎng)的測(cè)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(cè)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(cè)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(yáng)能輻射傳感器是利用其頂部的光電探測(cè)器來(lái)測(cè)量太陽(yáng)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(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(wú)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(cè)量，非常適合在光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)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(jiǎn)化。
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4 光伏監(jiān)測(cè)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(duì)傳統(tǒng)儀器概念的突破。美國(guó)國(guó)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(yǔ)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(cè)試測(cè)量和控制行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)軟件平臺(tái)[10].

4.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

由于Labview使用G語(yǔ)言（圖形化語(yǔ)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(cè)系統(tǒng)所要進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)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(duì)特定模塊單獨(dú)進(jìn)行分析處理。
圖5是光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板對(duì)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。
4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)功能的第一步是建立數(shù)據(jù)源，由于Labview數(shù)據(jù)庫(kù)工具只能操作而不能創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，所以必須借助第三方數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，選用Microsoft公司的Access軟件來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)。建立一個(gè)名為PVData.mdb的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，利用通用數(shù)據(jù)連接UDL（Universal Data Link）來(lái)獲得數(shù)據(jù)庫(kù)信息以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)連接，建立與數(shù)據(jù)庫(kù)文件對(duì)應(yīng)的PVData.udl文件。數(shù)據(jù)庫(kù)連接完成后便可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作了，包括創(chuàng)建表格、刪除表格、添加測(cè)試記錄、查詢記錄等操作。如用Labview數(shù)據(jù)庫(kù)工具包中的DB Tools Create Table.vi來(lái)創(chuàng)建光伏組件表面溫度測(cè)試數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表中包括測(cè)試時(shí)間、測(cè)試數(shù)值、測(cè)試人等多項(xiàng)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)之后，用DB Tools Select Data.vi來(lái)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(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)全部讀出，由于Labview數(shù)據(jù)庫(kù)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(shù)據(jù)。如輸入語(yǔ)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(lái)。

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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(yǔ)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(cè)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(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)溫度信號(hào)的監(jiān)測(cè)，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(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。在光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，首先對(duì)服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的配置，主要包括用來(lái)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(duì)客戶端開放的VI程序"Web服務(wù)器中可見VI "和用來(lái)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(yè)的操作，在客戶端便可以通過網(wǎng)頁(yè)瀏覽器訪問服務(wù)器發(fā)布的頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問。

6 結(jié)束語(yǔ)

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(cè)，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(cè)和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便的對(duì)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(cè)，得到可靠的監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)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(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(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。