基于LabVIEW的智能化分布式光伏發電監控系統設計

涂希，張佳偉（通訊作者），朱文歡（通訊作者）

（1.雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都，610000；2.河海大學，江蘇南京，211100；3.上海交通大學，上海，200240）

最近，國家出臺了一系列政策，用于大力助推分布式光伏電站的發展。2021年6月，國家能源局綜合司下發了《關于報送整縣（市、區）屋頂分布式光伏開發試點方案的通知》文件，為進一步加速分布式光伏發展鋪平了道路。為了便于對分布式光伏發電系統進行全過程管理，使其能夠更安全、更經濟、更高效地運行，需要配置一套獨立的監控系統，用來監測光伏發電過程中的各種參數和狀態，從而發現異常及時預警，并根據預置管理邏輯下達控制指令，控制系統狀態的切換和有關開關的動作。

但是目前，大多分布式光伏發電系統沒有配備獨立的監控系統，只具備太陽能控制器和光伏逆變器等產品自帶的一些簡易監控功能。檢修維護人員只能通過狹小的液晶顯示屏完成一些基本的監測和控制操作。這類監控系統普遍存在擴展性差、功能單一、開發環境封閉等問題。而如果直接選用針對集中式光伏發電的監控系統，往往會存在系統匹配度低的問題，而且過高的采購成本對于較小規模的分布式光伏發電站來說，是十分不經濟且難以接受的。

針對以上問題，本文基于LabVIEW設計了一種專用的分布式光伏發電狀態監控系統。我們知道，LabVIEW是一種圖形化的編程語言開發環境，具有龐大的函數庫，且功能強大、使用靈活。本文基于它開發的監控系統，具有實時數據采集、智能監控、數據分析、數據存儲等功能，能夠為分布式光伏發電系統提供了一種便捷、高效、低成本的監控平臺。

1 系統總體方案設計

該監控系統主要包括：實時采集模塊、通訊管理模塊、監控顯示模塊、數據存儲模塊這四個部分，其結構框圖如圖1所示。

圖1 監控系統結構框圖

其中，實時采集模塊由自制的采集板卡和光照傳感器組成，負責采集分布式光伏發電系統中的電壓、電流、溫度和光照等模擬量信號，再通過RS-232或RS-485接口將信息上送；通訊管理模塊使用ZLAN5443A串口服務器，實現多路串口數據轉TCP/IP，上位機只需一根網線就可高速獲取下位機采集的所有數據；監控顯示模塊以LabVIEW為開發平臺，采用Modbus TCP協議與下位機通訊，借助監控面板以數值和圖表的形式直觀地將獲取的數據顯示出來；數據存儲模塊，由LabVIEW通過數據連接工具與SQL Server數據庫建立連接，再通過自帶的Database工具庫實現對數據庫的刪、增、查、改、比等操作，從而做到對數據的有效存儲、管理和利用。

2 系統子模塊設計及實現

■2.1 實時采集模塊

采集模塊中，采集卡由電源電路、STM32F103主控芯片、復位電路、ST-Link接口電路、信號調理電路、RS-485通訊接口電路組成。主控芯片、電源電路和復位電路構成STM32的最小系統。信號調理電路將采集的電壓、電流、溫度等信號統一轉換成0-10V的電壓信號，經過濾波，然后送入主控芯片內置的AD模塊進行模數轉換；RS-485通訊接口電路實現采集板與外部的通訊；ST-Link接口既可以作為調試接口，也可以作為程序下載接口。光照傳感器選用自帶RS-485輸出接口的工業產品，其采集的光照強度信號不需要送入采集板，直接送入通訊管理機。采集板的功能框圖見圖2。

圖2 采集板功能框圖

電源電路選用MP2359芯片，外部電源輸入DC12V，轉換成3.3V給采集板主控芯片及其他電路供電，電路原理圖如圖3所示。

圖3 電源電路原理圖

由于采集信號的類型不同，所以調理電路也會相應不同。電壓、電流信號均利用閉環霍爾傳感器采集，其輸出皆為電流信號，調理電路也基本一致；溫度信號選用負溫度系數的熱敏電阻NTC作為傳感器，它接入采集板后，由采集板給它提供1mA的恒定電流，通過監測其兩端的電壓來獲取溫度信號。圖4為信號調理電路的原理圖。

RS-485通訊接口，選用SP3485芯片，它是+3.3V低功耗半雙工收發器，能夠滿足RS-485串行協議的要求，其電路原理圖如圖5所示。

圖5 RS-485通訊接口電路原理圖

■2.2 通訊管理模塊

ZLAN5443A是一款通用的通訊管理設備。它有4路串口和1路網口，4路串口均支持RS-232、RS-422/RS-485，它們互不干擾，可設置不同的波特率。使用時，需要安裝ZLVircom軟件來管理設備，界面如圖6所示。

圖6 ZLVircom搜索到的ZLAN5443A

圖6 出現的4行分別對應ZLAN5443A內部的4個串口，默認設置下，串口1-4分別對應的IP地址為192.168.1.200~192.168.1.203，根據項目實際需要，雙擊其中一行，可以對其進行配置和編輯。設置界面如圖7所示。

圖7 通訊管理機串口設置界面

上面的操作界面中，能夠設置串口的參數包括：波特率、數據位、校驗位，以及網絡設置中的IP地址、網關、子網掩碼等。

ZLAN5443A的通訊端口中，1路串口分配給采集板；1路串口分配給光照傳感器；另外2路串口用作預留，用于后期對系統進行升級和擴展；上位機與網口連接，利于上位機的網絡化部署。

■2.3 監控顯示模塊

監控顯示模塊以LabVIEW為平臺來進行開發，它主要由通訊子模塊、登錄界面、主界面、設備詳情界面和實時曲線界面組成。通訊子模塊使用DSC工具包中提供的Modbus庫函數，來實現基于Modbus TCP協議的通訊。Modbus采用的是典型的主從通訊模式，其對話是由主站發出，從站被動地響應。在監控顯示模塊與下位機的通訊中，監控顯示模塊為主站，下位機為從站，其通訊子模塊程序框圖如圖8所示。

圖8 通訊接口程序框圖

登錄系統后，默認進入主界面。如圖9所示，單線圖可以直觀地顯示系統的拓撲，并通過數值元件和圖表元件實時顯示系統及各個設備的關鍵信息，包括光照強度、當前發電功率、當前時間、當日發電量、累計發電量、系統運行模式、蓄電池電量、開關狀態等。界面左側有4個快捷按鈕，通過單擊，可跳轉到不同的界面，也可點擊拓撲圖中的設備圖片進行跳轉。

圖9 監控系統主界面

設備詳情界面能夠顯示光伏板、蓄電池以及逆變器的品牌、型號、關鍵技術參數等基本信息，包括光伏板的額定輸出電壓、額定輸出電流、開路電壓、短路電流、當前輸出電壓、當前輸出電流，以及蓄電池的電壓、電流、工作狀態等。

采集的數據中，有些需要觀察它在一段時間內的變化趨勢或者變化過程，因此在系統中設計了實時曲線界面。它能通過曲線的形式，更加直觀地展示當前時間點以及前一段時間內的數據變化趨勢，并實時更新，更新周期可根據項目需要進行調整。實時曲線界面如圖10所示。

圖10 檢測通用信息處理板FPGA外部管腳間粘連的實驗結果

圖10 實時曲線界面

后期系統中，還將增加智能報警功能，當某項數據超出正常值范圍時，該系統能夠及時予以提醒或報警，從而有效避免事故的進一步擴大。

■2.4 數據存儲模塊

當LabVIEW調用數據庫時，其首先要與數據庫建立有效的連接關系，一般有3種方式：(1)利用DSN連接數據庫；(2)利用UDL連接數據庫；(3)利用連接字符串連接數據庫。這3種方式的連接過程，如圖11所示。與第1種方式相比，本文中采用第2種方式，其優點為：ODBC僅支持關系型數據庫，而ADO對關系型數據庫和非關系型數據庫都能提供支持。方法是，在LabVIEW界面中單擊“工具”菜單下的“Create Data Link”選項，創建UDL，雙擊該文件，配置“連接屬性”對話框，選擇“SQL Server”后，在“連接”選項卡上選擇需要的數據庫文件，并測試連接狀態。系統連接成功后，UDL文件將自動記錄連接數據庫的有關信息。系統調用時，使用“Database”工具包中的庫函數實現對SQL Server數據庫的操作。

圖11 LabVIEW與數據庫連接的三種方式

3 結語

本文基于LabVIEW設計了一套應用于分布式光伏發電的監控系統，該系統由實時采集模塊、通訊管理模塊、監控顯示模塊、數據存儲模塊組成，具有實時數據采集、數據分析、智能監控、數據存儲等較為完備的功能，能夠滿足預期設計目標。該監控系統具有開放性好、擴展性強、配置及維護成本低等優點，可廣泛應用于分布式光伏發電站（尤其是小規模電站），為分布式光伏發電站的經濟、安全、高效運行提供有效的數據管理和決策支撐。