基于LabVIEW的聚光式光伏數據采集系統設計

韋明澤，吳賀利*，楊 帆，羅晨暉，吳 滿

基于LabVIEW的聚光式光伏數據采集系統設計

韋明澤1，吳賀利*1，楊 帆2，羅晨暉2，吳 滿2

（1.武漢城市學院 機電工程學部，湖北 武漢 436500； 2.武漢外語外事職業學院 機電技術學部，湖北 武漢 430202）

針對現實聚光式光伏發電系統數據采集和監控數據的碎片化現狀，且未在新能源汽車中得到充分應用，文章提出了利用可視化圖形化編程軟件LabVIEW設計出專門的數據采集系統。該數據采集系統實現了監控數據實時顯示、歷史數據回顧查詢，采集數據本地保存，完成上位機和下位機通信，并留有與車載控制器局域網絡（CAN）通信接口，實現地質環境監測模塊、冷卻模塊、逆變并網模塊以及逆變并網模塊的集中監控與管理，使得聚光式光伏系統軟件具有較強的擴展性和開發性。此設計對新能源汽車中的清潔能源應用起到了促進作用。

聚光式光伏；LabVIEW；數據采集系統；數據監控

太陽能作為一種可以廣泛應用的清潔能源，其能流密度低決定了需要太陽能收集器來提高能量收集效率。然而太陽光與太陽收集器存在一定角度差別，其對太陽能的工作效能會產生極大影響，特別是聚光或者聚熱型收集器，對太陽跟蹤更為重要。例如對于一個聚光比為1 000的塔式系統，其跟蹤精度要達到±0.058°。針對這種高精度的要求，聚光式光伏系統對數據反饋提出了更高要求，根據反饋的動態數據實時調整太陽系統的跟蹤控制策略[1-2]。

隨著時代不斷發展，目前已出現了不少數據采集系統軟件設計工具，但是由于技術壁壘的存在，這些軟件大多針對特定應用場景而設計，存在著通用性不足、缺乏友好人機界面等問題。因此，本文提出一種基于 LabVIEW的聚光式光伏數據采集系統，該系統利用 LabVIEW圖形化編程軟件 LabVIEW開發平臺，根據實際環境需求設計了地質環境監測模塊與逆變并網模塊的聚光式光伏系統。該系統可以實現實時監測各個模塊的溫度、電壓和電流等相關數據，并能夠對數據進行保存，并利用 LabVIEW軟件完成上位機與下位機的通信。

該系統設計了上位機和下位機通信協議，可以完成多路采集數據的采集與處理，并實現對采集數據的回放、查詢和分析，具有較強的擴展性和開發性。該數據采集系統具備聚光光伏電站的環境地質參數測量與監控，以及光伏發電系統電氣化參數的反饋與調整[3-4]功能，同時擁有下位機和上位機兩層架構。下位機作為光伏系統的執行器和傳感器，實時提供地質環境參數，例如溫度、濕度、風速、輻照強度、氣壓、全球定位系統（Global Positioning System, GPS）定位經緯度等，同時還采集光伏系統自身的電氣化參數，例如單體聚光組件電壓、電流、組件溫度、冷卻系統水溫與流速，以及光伏系統實時輸出的電壓、電流、頻率、功率因素和輸出波形的畸變率。上位機作為光伏系統控制器，是整個系統的控制監控中心，為光伏系統提供實時數據查詢以及系統故障報警，也為光伏電站管理者提供集中化管理。

1 系統總體設計

聚光光伏系統總體設計如圖1所示。上位機監測與控制聚光模塊、環境監測模塊、冷卻系統以及逆變并網系統。每個聚光模塊中又包括冷卻模塊、無線通信模塊、跟蹤器模塊和電力輸出模塊，通信模塊將聚光模塊中的實時數據通過無線通信模塊與上位機進行通信。上位機可以通過統籌數據實時作出決策調整，將動作數據提供給聚光模塊中的執行機構跟蹤模塊。環境監測模塊為上位機提供地質環境數據太陽能輻照度、風速、溫度、濕度以及經緯度。冷卻系統采用的是水冷散熱，將聚光模塊中的熱量通過水帶走，將冷卻系統的水壓、進水溫度和出水溫度數據傳遞給上位機，隨后上位機根據散熱量計算來控制水泵，實現對水流的流量控制。并網光伏系統將各聚光模塊產生的電能匯集逆變并網，并將實時電力數據提供上位機，如圖1所示。

2 系統硬件集成

聚光光伏系統硬件組成為上位機、環境監測模塊、聚光模塊、冷卻系統以及逆變并網系統。上位機監測和控制各下位機模塊，下位機各模塊是并聯連接，相互依存又相互獨立。

2.1 上位機

上位機作為監控整個聚光光伏系統的關鍵設備，由四核J1900嵌入式工控機搭載上位機軟件LabVIEW為主體，其作為系統核心，可以完成與下位機的通信。數據采集設備為數據采集卡USB-3110，可以實現8路模擬信號輸入、4路模擬信號輸出、4路數字信號輸入和4路數字信號輸出。其中，模擬信號輸入包括溫度、電壓、電流、溫度傳感器信號、電壓傳感器信號和電流傳感器信號；模擬信號輸出包括繼電器控制端的狀態、繼電器觸點斷開和接通等；數字信號輸入包括開關量輸出和開關量輸入，其中開關量輸入脈沖輸出和開關量輸入脈沖輸出等；數字信號輸出包括數字開關量輸出等。

圖1 系統總體設計圖

2.2 聚光器模塊

聚光器模塊采用菲涅爾聚光鏡收集能量密度低的太陽能，利用砷化鎵聚光太陽能電池進行光電效應而發電。聚光器由散熱冷卻模塊、為保持太陽能電池處于最大功率點而追跡太陽的跟蹤模塊、保護并保持電力的輸出模塊，以及進行實時數據傳輸的無線通信模塊（型號：TP306）組成。

2.3 環境監測模塊

環境監測模塊由太陽光總輻射傳感器STBQ OW:RS485、風速傳感器HSTL-MIFS01、溫濕度傳感器C2000-S1-TH03N02-E01等組成。傳感器采集到的數據通過串口通信上傳至上位機，同時其風速、溫度和濕度等參數在上位機中能夠實時顯示。

STBQ OW是一種可以遠距離、大范圍、實時監測的太陽能總輻射傳感器，其安裝在聚光器頂部，對太陽光進行反射接收，經過處理后將太陽光總輻射信號轉換為電信號，再經過RS485總線發送至上位機。風速傳感器HSTL-MIFS01可以檢測太陽光、風速、風向和溫度等參數，采用Lab- VIEW軟件開發平臺設計時，能夠根據需要設計多路傳感器采集接口和協議，對采集的數據進行保存。

2.4 冷卻系統

冷卻系統由水溫表、水壓表、流量表、散熱器、風扇以及電源等組成。水溫表可以實時顯示溫度，水壓表和流量表分別用來顯示壓力和流量的大小，通過串口通信技術將溫度和壓力數據傳送給計算機主機，經過計算機主機計算后，對溫控閥進行調節，控制風機運轉以達到良好的冷卻效果。

2.5 逆變并網系統

逆變并網系統選用陽光能源逆變器SG6K-D為主體，其額定輸出功率為6 kW；額定電網電源為220 Vac；電網頻率范圍為45～55 Hz；總電流畸變率小于3%；功率因素大于0.99。逆變器采用了三相 LCL濾波器，具有結構簡單、成本低、損耗小等特點，由三個并聯LC濾波器組成，通過高頻開關元件實現并網電流與電網頻率相位同步。逆變器采用基于數字信號處理（Digital Signal Processing, DSP）控制技術的正弦脈寬調制（Sinu- soidal Pulse Width Modulation, SPWM）控制方式，實現了并網逆變器的數字控制功能和逆變器并網電流波形的優化處理，簡化了傳統的模擬控制方式。

3 軟件框架設計

太陽能光伏系統由工控機裝在LabVIEW圖形化軟件開發的上位機設計系統數據采集界面[5]，并通過上位機配置無線和串口通信接口，與下位機聚光模塊、環境監測模塊、冷卻系統、逆變并網系統進行通信握手。若通信握手成功，則可以實時讀取數據，監控界面顯示實時數據，同時數據都存入上位工控機硬盤，后期可以通過界面調取工控機內歷史數據，以供查詢。軟件框架實現如圖2所示。

圖2 監控系統框架結構

3.1 軟件界面設計

軟件界面設計以圖形界面設計為主要原則，反映聚光數據系統所包含的地質環境數據、冷卻系統數據、逆變并網系統數據以及可擴展的聚光模塊數據。整個界面布局如圖3所示，界面緊湊，且數據顯示豐富，作為數據系統與用戶進行人機交互的窗口，直觀透明且簡單易用。軟件能支持歷史數據查詢，清晰地顯示動態歷史數據。

圖3 前面板界面功能圖

系統軟件包括以下兩個功能模塊：1）主界面：該界面主要顯示實時溫度、電壓、電流等數據，而且系統數據以餅狀圖和柱狀圖的方式進行動態顯示，其中餅狀圖由溫度柱狀圖組成，而柱狀圖由各個模塊的電壓電流柱狀圖組成（見圖3）。2）數據分析與管理：該系統可以對歷史數據進行回放、查詢和分析，統計不同時間段的數據情況。例如：在開始階段，對溫度曲線進行繪制；在結束階段對溫度曲線進行查詢；查詢和統計每一個模塊的數據記錄，最后生成曲線趨勢圖、趨勢變化圖、方差分析圖、平均值趨勢圖等。

3.2 軟件系統程序設計

利用雙循環架構，使用生產者/消費者模式的應用框架模式程序。一個循環用于執行數據流分析以及數據處理，或者在以不均勻速率產生數據的數據源中進行觸發采集。當然數據也可以被實時展示和分析，并且保存與歷史瀏覽；另一個循環以事件驅動的方式，生成消息隊列，讓消息隊列形成排隊項，同時通過響應事件實現代碼的異步執行，對用戶的動作做出不同響應。這一循環替代了常用的“用戶界面事件處理器”模式，因此，不影響用戶界面的響應速度，后面板軟件程序框架圖（程序源碼）如圖4所示。

圖4 后面板軟件程序框架圖（程序源碼）

4 總結

本文設計的聚光光伏數據采集系統，采用實時采集數據，且能與歷史數據交互、繪制曲線，為聚光光伏系統提供可靠的數據來源，也為系統工作提供準確的預判依據，增補了光伏系統數據采集環節技術內容。

同時，此數據采集系統具有較強的擴展性和開發性、良好的人機交互界面，可用于各種數據采集和處理，同時在功能上達到了較高水平，對于開發更多、更復雜的數據采集和處理系統具有重要的參考意義，且具備一定的實用性和可拓展性。

[1] DUFFIE J A.Solar Engineering of Thermal Processes [M].New York:Jone Wiley & Sons,2006.

[2] 杜春旭.用天文測量簡歷精確計算太陽位置的方法[J].可再生能源,2010,28(3):86-87.

[3] 盛慶博,王濤,鄒林,等.模塊化光伏電站參數采集系統設計[J].工業儀表與自動化裝置,2023(1):67-71.

[4] 張安莉,謝檬,蘇晨,等.基于LabVIEW的太陽能光伏發電監控系統設計[J].計算機測量與控制,2021,29 (6):74-78.

[5] 黃鑫廣,江銘,徐飛兒,等.基于LabVIEW的電機控制和數據采集系統[J].時代汽車,2023(4):14-16.

Design of Data Acquisition System for Concentrated Photovoltaic Based on LabVIEW

WEI Mingze1, WU Heli*1, YANG Fan2, LUO Chenhui2, WU Man2

( 1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan City College, Wuhan 436500, China; 2.Department of Mechanical and Electrical Technology, Wuhan College of Foreign Language & Foreign Affairs, Wuhan 430202, China )

Aiming at the fragmentation of data acquisition and monitoring data in the real concen- trating photovoltaic power generation system,which has not beenfully applied in new energy vehicles, this paper proposes to design a special data acquisition system by using the visual graphical programming software LabVIEW.The data acquisition system realizes real-time display of monitor- ing data, review and query of historical data, local storage of collected data, and communication between upper computer and lower computer, and there is a communication interface with the onboard controller area network(CAN),realizes the centralized monitoring and management of geological environment monitoring module, cooling module, inverter grid connection module and inverter grid connection module,which makes the concentrating photovoltaic system have strong expansibility and development.This design promotes the application of clean energy in new energy vehicles.

Concentrated photovoltaic;LabVIEW;Data acquisition system;Data monitoring

U473.4

A

1671-7988(2023)19-67-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.013

韋明澤（2001－），男，碩士，研究方向為新能源發電及數據采集，E-mail:1376736859@qq.com。

吳賀利（1983－），男，碩士，講師，研究方向為新能源發電及數據采集，E-mail:yunflyen@163.com。

屋頂光伏/光熱與儲能一體化系統設計（S202213235011）；新形勢下基于大學生遠程競賽與教學相結合的教學方法實踐（2022CYYBJY015）。