基于LabVIEW的太陽能光伏發電監控系統設計

張安莉，謝 檬，蘇 晨，范明邦

(西安交通大學 城市學院，西安 710018)

0 引言

自1877年第一塊太陽能電池問世以來，一百多年里，以太陽能為代表的綠色能源因其綠色環保、效能高等特點日益受到人們的青睞，綠色能源得到快速發展。其中，太陽能的發展尤為迅猛[1-4]。目前，世界各國都在積極建設新能源發電網絡，而太陽能光伏發電系統就是新能源發電系統中較為常見的一種發電方式。太陽能發電站及發電系統的光照強度是其發電量的主要決定因素，因此，太陽能發電站及發電系統多建造于人跡罕至的荒漠、沙丘、海島等地帶。此類地帶光照強度大、日照時間長，能夠保證太陽能光伏發電的日照強度需要。但其晝夜溫差變化大，自然環境較為惡劣，對于許多只能現場監控管理的地區，人力物力的資源浪費較大，且數據采集不完整、監控資料缺失等情況時有發生[5-12]。同時，惡劣的自然環境也對數據采集工作人員的操作安全和工作生活狀態產生不利影響。

環境參數數據不僅對電站工作人員的操作安全與工作生活狀態有影響，也對光伏電池的發電量有影響，同時還涉及到發電站設備的正常運行[13-16]。因此，非常有必要對光伏發電站的環境參數進行測量和監控管理。為了采集光伏發電系統的工作參數數據，需要建立一整套完整的光伏發電監控系統，這不僅可以提高光伏發電系統環境數據的監控與收集，而且能更加科學、更加方便地進行人力物力的控制與協調，進行合理調配運用[17-22]。

本文所設計的基于LabVIEW的太陽能光伏發電監控系統將初步解決上述問題，達到智能化監控、實時性采集、集中化管理的設計目標。設計中的下位機主要完成對溫度、風速、光照強度及電壓、電流等參數的實時數據采集。上位機主要實現光伏發電參數數據的實時曲線繪制與實時數值顯示及故障報警等功能。同時，通過歷史數據庫功能完成歷史數據查詢。系統對太陽能光伏發電站進行多組數據變量的檢測，通過無線傳輸實現光伏發電站環境及工作參數的全面監控，旨在讓監控者獲取最實時全面的監控數據與完整的數據庫，進行光伏發電站人員及設備的科學管理。相較于傳統的光伏發電監控系統來說更加節能環保、更加便于系統化集中化管理。

1 系統硬件電路設計

基于LabVIEW的太陽能光伏發電監控系統結構如圖1所示。下位機由電流電壓采集模塊、溫度、光照、風速傳感器檢測模塊、單片機及通信總線組成。溫度、光照、風速傳感器用于檢測環境中的溫度、光照和風速，并產生電信號；傳感器和單片機用于對采集的信號進行A/D轉換，提供給上位機做數據調用。上位機分為監控子面板和歷史波形子面板，分別實現電壓、電流及溫度、光照和風速的實時數據顯示、故障報警以及相關數據的歷史查詢功能。其中，監控子面板與單片機進行通信，實現實時數據的顯示及溫度報警等功能；歷史波形子面板通過調用單片機上傳之數據，實現歷史數據的存儲及顯示。

圖1 監控系統結構框圖

1.1 STM32最小系統

STM32最小系統控制模塊電路包括STM32F105主控芯片、電源電路、復位電路、時鐘電路、調試接口電路和BOOT啟動電路。其中，電源轉換模塊為系統硬件電路正常工作提供保障，將220 V電壓轉換為各個模塊所需要的直流電壓。采用晶振為最小系統提供時鐘信號。STM32最小系統可將BOOT0引腳和BOOT1引腳置為低電平，使用JTAG或者SWD調試下載程序。

1.2 電流、電壓采集模塊

通過監測太陽能光伏發電系統中的電流、電壓的變化，能夠判定太陽能光伏發電系統是否正常工作。電流、電壓采集模塊通過A/D芯片PCF8591進行系統電流、電壓信號的A/D轉換，將所采集的電信號數據傳輸到單片機中進行處理，當電流電壓的線性關系發生突變時，系統進入非正常工作狀態風險增加，可設置進行報警或進行人工遠程干預。

1.3 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊采用LM75A溫度傳感器進行光伏發電站的溫度數據檢測。LM75A溫度傳感器溫度傳感器供電電壓范圍為2.8～5.5 V。電路接5 V電壓，可以檢測-55～+125 ℃的溫度數據，滿足光伏發電溫度監測系統現實需求。

1.4 三杯式風速檢測模塊

三杯式風速檢測模塊用于檢測環境的風速及風向，一般用于軍工設施或強風口地帶和海上，可以監測0～18級陣風風速和360°的風向坐標。本設計采用三杯式風速檢測模塊進行光伏發電站的風速檢測。單片機讀取三杯式風速傳感器的轉速并轉換為數字信號，通過無線通信方式發送信號并顯示風速數據。同時，風速檢測模塊的數據通過無線通信方式上傳給上位機進行顯示，能夠減少工作人員的攀爬作業風險。

1.5 光照強度檢測模塊

光照強度檢測模塊采用BH1750光照傳感器來檢測環境光照強度，其光感分辨率高，能夠探測較大范圍的光強度改變。BH1750光照傳感器具有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，數據檢測更精確，其輸入光范圍為1～65 535 lx。BH1750光照傳感器不需要A/D轉換，但需要IIC通訊方式讀取光強測試結果。測量電路BH1750光照傳感器接5 V電壓，供給電壓為3～5 V，供給電流為200 μA。

2 系統軟件設計

2.1 監控系統總程序

太陽能光伏發電監控系統總設計流程如圖2所示。軟件系統由單片機驅動程序和上位機LabVIEW控制界面組成。下位機通過傳感器實現溫度、風速、光照、電壓和電流共5個物理量的采集，并它通過單片機進行數據處理，將數據通過無線傳輸模塊上傳給上位機。上位機程序主要完成數據讀取、數據數值顯示、溫度超閾值告警、數據記錄存儲、歷史數據查詢等功能。

圖2 監控系統總程序流程圖

系統總程序主要的工作步驟為：

1)初始化光伏發電監控系統的狀態，啟動LabVIEW。

2)配置VISA串口，進行調試。

3)VISA調試完成，實現通信，進行數據讀取。

4)對讀取數據在相應子面板模塊進行顯示。

5)對溫度數據進行閾值判斷，根據判斷結果進行告警顯示。

6)將數據進行存儲，實現歷史數據查詢功能。

2.2 監控系統前面板設計

太陽能光伏發電監控系統的上位機前面板分為監控子面板和歷史波形子面板。前面板采用儀表盤形式顯示監控量、數字方式顯示各監測數據的具體數值。以波形圖的方式顯示定時監控的環境物理變量及所監控的歷史變量。數據庫表格用于記錄和存儲各監控數據。

2.3 監控子面板

太陽能光伏發電監控系統監控子面板如圖3所示。根據使用順序和功能劃分為4個模塊。分別是初始化及串口設置模塊、監控間隔時間及延時模塊、實時數據顯示模塊和溫度報警模塊。

圖3 監控子前面板

1)初始化及串口設置模塊:初始化設置用來選擇串口名稱，用于不同的串口連接。串口設置里可以設置波特率、數據位等詳細參數。串口設置模塊包括波特率設置：調制傳輸速率，可調節范圍為0～38 400；數據位設置：調整傳輸串行相應位，可調節范圍為5～8位；停止位：數據符號的最后1位，可調節范圍為1.0位、1.5位、2.0位；奇偶校驗位：檢錯方式，默認為1位(None)。VISA串口設置：用來選擇上位機讀取數據的串口為COM1-9；讀取緩沖區為顯示所連接的串口信息；停止按鍵用于整個系統的啟動及停止。

2)監控間隔時間及延時模塊:監控間隔時間及延時模塊為控制系統讀取數據的間隔時間，控制時間范圍：0～10 s，數據框顯示間隔時間數值，精確時間為0.1 s。

3)實時數據顯示模塊:實時數據顯示模塊主要顯示下位機采集的實時數據信息，監控系統采用指針表盤和數字輸出框等方式顯示光照、風速、溫度及電流、電壓的監測實時數據。光照強度范圍為0～500 klx；風速范圍為0～35 m/s；溫度范圍為0～100 ℃。電壓范圍為0～220 V；電流范圍為0～10 A。

4)溫度報警模塊:溫度報警模塊包括上下限調節裝置、報警指示燈和運行狀態顯示控件。太陽能光伏發電監控系統正常工作時，布爾燈與運行狀態均顯示為綠色。當監控的數值顯示超過上限或下限時，布爾燈變為紅色，運行狀態顯示為高溫或低溫警報。溫度上下限參照《室內作業高溫標準》取值0～40 ℃之間。

2.4 歷史波形子面板

歷史波形子面板如圖4所示。歷史波形子面板包括歷史數據波形模塊和歷史數據記錄模塊。歷史數據波形模塊顯示從系統運行開始后所有變量的歷史曲線記錄和變化，是歷史數據的圖形化展示。歷史數據記錄模塊以實時數據記錄的方式實現所監控變量的記錄與儲存，數據以表格形式記錄包括時間、溫度、光照、風速、電壓和電流共6個變量測試，可以通過滑動條控件來查看所選日期的歷史監控數據，實現歷史查詢功能。

圖4 歷史波形子前面板

1)歷史數據波形模塊:歷史數據波形模塊用來提供完整的數據變化曲線，可以直觀地觀察歷史數據的變化情況。波形圖的橫軸顯示時間，記錄單位為秒；縱軸為監控參數的單位，可由波形數值自由變化或自定義設定上下限。光照歷史波形上下限范圍為130～150 klx；溫度歷史波形上下限閾值范圍為0～50 ℃；風速歷史波形上下限范圍為0～30 m/s；電壓歷史波形范圍為0～95 V；電流歷史波形上下限范圍為0～10 A。

2)歷史數據記錄模塊:歷史數據記錄模塊采用電子表格記錄參數的實時數值，記錄數值格式為十進制數值，可記錄至小數點后一位。可以查看每個時間節點的歷史數據，實現每組數據的儲存，便于歷史數據的管理和保存。

3 系統測試及結果分析

為了驗證系統測試的準確性，進行系統聯調功能測試。完成仿真程序設計與連接后，將相對應的端口接入上位機軟件面板，打開軟件界面，串口會顯示所連接端口。選擇創捷的COM端口即可完成連接。打開上位機，進行參數設置運行觀察上位機是否正常運行。正常運行后，重新設置參數，根據狀態模擬方法對系統進行測試。將上位機與下位機進行無線藍牙連接，無線藍牙選用HC-05芯片，通訊協議為TCP/IP協議，波特率為115 200[13]。通過讀取LabVIEW歷史數據，觀測下位機運行狀況，

3.1 室內初始化測試

系統設置為室內初始化狀態，運行監控系統并連接虛擬串口，設置波特率為9 600 bps、停止位為1.0位、數據位為8位、檢驗位為None，其余參數均為默認值，即可運行系統并實現仿真數據監控。室內初始化測試界面如圖5所示。

圖5 室內初始化測試

系統間隔時間設定為3 s，參數設置完成后點擊運行，監控系統實時顯示參數，溫度參數為30.4 ℃，低于設定的溫度上限，運行狀態顯示為正常運行。光照強度為123.7 klx；風速為10.2 m/s；電壓為91.2 V；電流為5.2 A。此時，監控系統正常工作，顯示的實時數據為連續穩定的波形。

3.2 室外正常模式測試

系統設置為室外模式，串口設置參數為默認值，采樣間隔為3秒/次，溫度上限閾值設定為40 ℃。點擊運行，此時溫度顯示為33.1 ℃，低于溫度上限閾值，系統為正常運行范圍，布爾燈顯示綠燈點亮狀態。光照顯示為139.3 klx、風速顯示為11.4 m/s、電流顯示為5.1 A，電壓顯示為93.9 V。室外正常模式測試結果如圖6所示。

圖6 室外正常模式測試結果圖

3.3 室外報警模式測試

系統設置為室外模式，設定默認串口參數值，采樣間隔設定為3秒/次，溫度上限閾值為40 ℃，點擊運行，此時運行狀態為高溫警報，溫度值顯示為41.0 ℃，大于上限閾值；光照強度為147.7 klx；風速為14.1 m/s；電壓為93.1 V；電流為5.2 A。此時監控面板警示報警燈亮起，顯示為警報模式。室外報警模式測試結果圖如圖7所示。

圖7 室外報警模式測試結果圖

3.4 歷史數據查詢測試

系統設置為歷史波形面板模式。歷史波形面板分為6個波形顯示區域，分別是光照強度歷史波形顯示區域、溫度歷史波形顯示區域、風速歷史波形顯示區域、電流歷史波形顯示區域、電壓歷史波形顯示區域和歷史數據記錄表格區域。歷史波形圖時間軸運行初始值從0開始，共顯示44次采樣數據波形，波形采樣間隔為3 s。歷史數據記錄表格儲存系統運行的所有歷史數據，面板可見的顯示為18次采樣數據，若要查詢更多數據，用戶可通過滑動表格右側滑動條進行查詢。歷史數據查詢測試如圖8所示。

圖8 歷史數據查詢測試結果圖

3.5 系統測試結果分析

為了驗證系統的實際可行性與測量準確度，對太陽能光伏發電監控系統進行系統運行實驗測試，記錄五組數據的測量值和標準值，并進行誤差分析。系統監測數據表如表1所示。系統誤差的計算公式如下所示:

(1)

式(1)中，Y為誤差值，Xb為標準值，Xa為測量值。

如表1所示，測量誤差值范圍在±10%內，測試誤差在0.5～20區間。

通過分析表1數據，可見溫度變化范圍為10～100 ℃，光照變化范圍為100～500 klx，風速變化范圍為1～35 m/s，電流電壓為默認值。測試結果表明，系統工作在測量狀態時

表1 系統監測數據表

電流和電壓數值變化較小，溫度、風速和光照強度數值變化較大。

為了進一步分析數據、減小測量誤差，對測量值進行數據擬合。設其溫度、光照、風速、電流和電壓變量分別為y1、y2、y3、y4、y5，通過數據擬合得到其擬合方程。溫度、光照、風速、電流和電壓的擬合方程分別如下式所示:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

根據表1之測量值和根據式(2)～(6)的擬合方程所擬合出的擬合值，分別繪制溫度、光照、風速、電流和電壓的測量值與擬合值曲線，如圖9所示。

圖9 參數測量及擬合曲線圖

對擬合后的數據進行相對誤差計算，可得溫度的平均相對誤差為5.27%，光照的平均相對誤差為1.18%，風速的平均相對誤差為5.43%，電流的平均相對誤差為1.41%，電壓的平均相對誤差為0.14%。數據表明：擬合后的各參數測量誤差均得到改善，其中，溫度參數相較之其他參數的平均相對誤差最大，電壓參數的平均相對誤差最小。基于此算法，對檢測算法進行優化，代入擬合方程式后，其測量準確度可得到明顯改善。

4 結束語

本文所設計的太陽能光伏發電監控系統下位機采用STM32F105作為主控芯片，LM75A溫度傳感器、BH1750光照傳感器和三杯式風速傳感器模塊與內置電流電壓檢測模塊組成。上位機主要實現監控參數數據的實時曲線與實時數值顯示、故障報警和歷史數據記錄等功能。經測試，系統可實現對溫度范圍為0～100 ℃，光照范圍為0～500 klx，風速范圍為0～30 m/s，電流范圍為0～10 A，電壓范圍為0～220 V的光伏發電系統的參數采集及實時波形和數據顯示。經測試，系統誤差范圍在±10%以內，測試數據與標準數據誤差范圍在0.5～20區間。對測試數據利用Matlab進行數據擬合后，可進一步減小誤差，系統能夠根據擬合方程對數據進行預測，從而對系統工作或故障做出預判。測試結果表明：本文設計的太陽能光伏發電監控系統工作穩定，測量準確度高，操作方便，相較于傳統的光伏發電監控系統更加節能環保、更加智能、更加便于系統化和集中化管理。