一種光伏組件運行監測終端設備的設計

徐 劍

（濟南中能華辰太陽能有限公司，山東 濟南 250353）

0 引 言

我國有著巨大的分布式能源市場，為推進分布式光伏發電的發展，相關十四五規劃中明確提出要優先開發當地分散式和分布式可再生能源資源[1]。隨著光伏裝機數量的快速增長，設備運行問題日益凸顯。為解決電站故障率高、電能損耗大、電站效率低等問題，急需一套光伏組件運行監測遠程終端控制系統（Remote Terminal Unit，RTU）、信息及通信技術（Information and Communication Technology，ICT）遠程安全管理技術平臺，實現對分布式能源的高效監控，滿足電力接入電網和日常維護管理要求[2]。

1 光伏組件運行監測終端設備設計思路

設計的光伏組件運行監測終端設備要準確、實時地采集光伏組件的電能參數，并將采集數據準確無誤地發送至遠程服務器的數據庫，可在數據庫中記錄并查詢采集的數據[3]。成功開發并測試用于監測光伏組件的RTU，能夠實時且準確地檢測所連光伏組件的數據，反映組件的真實情況。搭建完成每組多個RTU 的無線傳輸網絡，確保數據通道暢通，RTU 每間隔2 min 向服務器傳輸一次光伏組件實時數據，并提供傳輸告警功能，及時發現傳輸異常的光伏組件。

為保障數據采集的正確性和實時性，現場設備數據采集器采用精確的電量采集模塊。該模塊可以采集電壓、電流、有功功率以及溫度等參量，并且可提供標準通信規約，兼容性好[4]。設計電能數據的采集頻率為2 min/次，完成電能數據采集與存儲后，現場數據采集器分機采用遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）傳輸技術將電能數據傳送至數據采集器主機。LoRa 接口技術主要實現LoRa 終端的數據采集、數據發送、控制信息的收發。LoRa 終端讀取微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）傳輸的數據信息。LoRa 的數據發送是在特定的時間內，將采集的數據發送給數據收集器主機。數據收集器主機通常用于與上位機或遠程服務器進行數據交換。

各個設備的數據采集器通過LoRa 模塊進行相互通信，自組成一個網絡。采集器分機將采集的數據發送至主機，主機則根據各個采集器分機的唯一身份標識碼（Identity Document，ID）識別采集器分機。如果某節點距離主機過遠，導致與主機之間的通信質量較差，則選擇通過其他采集器分機作為中介，將數據和采集器分機唯一ID 打包發送至通信質量較好的采集器分機，再由該采集器分機將數據轉發至主機和遠程控制端。主機與服務器通過消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議和傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）進行通信。服務器根據主機的唯一ID 發布命令，對應的主機接收命令。通過這種方式，不僅可以識別主機，還能實現主機與App 之間的雙向通信。

2 光伏組件運行監測終端設備原理圖設計

光伏組件運行監測終端設備的設計原理如圖1所示。

圖1 光伏組件運行監測終端設備的設計原理

第一，將光伏組件的正極線纜串聯接入IM1253B電能計量模塊的I_in 端和I_out 端，光伏組件的負極接入計量模塊的N 端，計量模塊接入5 V 電源，通信的RX 端和TX 端接入1 個3 通道數字隔離器ISO7831 芯片。此器件可防止總線數據或電路的其他噪聲電流進入本地，從而干擾或損壞敏感電路。第二，ISO7831 芯片引出的串口數據接入STM32 的USART5通道。數據采集器的主機、分機都需要安裝此電能計量模塊。第三，LoRa 傳輸模組接入3.3 V 電源，通信接口接入STM32 的USART1 通道。同樣，數據采集器的主機、分機都安裝此LoRa 傳輸模塊。第四，5G 傳輸模組接入5 V 電源，通信接口接入STM32 芯片的USART4 通道。需要注意的是，僅數據采集器的主機安裝此5G 傳輸模塊。為方便尋址，數據采集器的主機和分機都設計有撥碼開關。第五，氣象數據儀采用串口通信，接入STM32 芯片的USART1 通道，并在接入接口處設計6 V 的瞬態電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）實現鉗壓保護。該設備僅用氣象數據采集器，不涉及LoRa 通信。

3 光伏組件運行監測終端設備的硬件設計

3.1 現場電能數據采集器的設計

現場電能數據采集器采用精確的電量采集模塊，即型號為IM1253B 的電能計量采集模塊。此模塊可以采集電壓、電流、功率以及溫度等多個參量，具有掉電保護功能，能夠確保數據的安全。模塊表面涂覆了三防漆，防護性可靠。該模塊的電量信息存儲空間較大，即使電量信息存滿，也可覆蓋并重新計量數據，確保數據的持續性和準確性[5]。

3.2 MCU 芯片的選型

電能數據采集器分為主機和分機，每個電能數據采集器均需配備MCU 芯片，文章選用STM32F103Rx芯片。該芯片是一款成本低廉的MCU 平臺，管腳數目少、系統功耗低，具有卓越的計算性能和先進的中斷系統響應能力[6]。

在光伏組件運行監測終端設備中，STM32F103Rx芯片占用3 個通用同步/異步串行接收/發送器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）接口通道，分別與電量采集模塊、LoRa 模組及5G 模組進行串口通信。其中，電量采集模塊通過STM32 芯片的USART5 通道（51 引腳和52 引腳）進行通信，LoRa 模組通過STM32 芯片的USART1 通道（42 引腳和43 引腳）進行通信，5G模組通過STM32 芯片的USART4 通道（51 引腳和52引腳）進行通信。

3.3 工作電源的設計

采集器的工作電源選用帶有隔離的直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）電源模塊，保障供電安全性。此模塊的輸出功率為30 W，輸出電壓為5 V，最高輸出電流為6 A，且輸入電壓范圍廣，具有150 V 的直流隔離電壓。采集器的保護功能包含過流保護、過壓保護、輸出短路保護等。對于MCU所需的3.3 V 供電電源，可使用LM2596-3.3 V 芯片來提供，該3.3 V 電源也為LoRa 傳輸模塊供電。

3.4 LoRa 傳輸系統的設計

由于電能數據的采集頻率一般為2 min/次，在完成電能數據采集存儲后，每個現場數據采集器分機采用LoRa 傳輸技術將電能數據傳送至數據采集器主機。LoRa 作為低功耗廣域網的代表技術之一，由美國Semtech 公司推出，專門面向物聯網應用的無線通信技術。LoRa 使用非授權頻段，可自由搭建，不受限制，適用于低成本需求的應用。與其他無線網絡通信技術相比，LoRa 具有高靈敏度、遠距離、低成本、低功耗以及抗干擾性強等優點。LoRa 傳輸模塊采用E78-400TBL-01 模組，該模組采用翱捷科技股份有限公司的ASR6505芯片，適用于多種物聯網應用場景。LoRa 終端讀取的數據為MCU 傳輸的數據信息。LoRa的數據發送則是在特定的時間內將讀取的數據發送給數據收集器主機。數據收集器主機通常用于與上位機或遠程服務器進行數據交換；LoRa 控制信息的收發通常是在特定的時間內發起，以實現更低的功耗，延長電池的使用壽命。各個電能數據采集器通過LoRa進行無線通信，共同組成一個局域網絡系統。在這個系統中，采集器分機先與主機通信，再將采集的組件電能參數發送至主機。通信主機則根據每一個采集器分機的唯一標識ID 地址進行識別。如果某臺采集分機距離主機過遠，導致兩者的通信質量較差，則主機可以選擇與其距離較近、通信質量較好的其他采集分機作為中繼機。選中的中繼機將數據和采集分機的ID 地址一同發送至主機，再由主機發送至遠程控制平臺，確保數據傳輸的準確性和及時性。

3.5 5G 傳輸模塊的設計

數據采集主機通過中國移動的5G 網絡信號進行數據傳輸，且與服務器通過MQTT/TCP 協議進行通信。服務器會根據不同的主機唯一ID標識符發布命令，對應的主機接收該命令。通過這種方式，系統不僅能識別各個主機，還能實現主機與App的雙向通信。此外，5G 模組為用戶提供開放的指令接口，用戶只需使用這些指令，就能輕松實現與平臺服務器、終端設備之間的通信數據交流。

4 光伏組件運行監測終端設備嵌入式程序的設計

4.1 分機設計

在電源開啟后，首先對STM32 芯片進行初始化處理，定義控制字和各個變量。其次讀取撥碼開關，定義自己的編號。再次向計量模塊發送讀取數據命令。如果連續3 次均未收到反饋數據，則上報設備故障；如果收到數據，則存儲數據，等待主機命令，并上傳命令。最后，上傳數據。如果2 min 內不能上傳數據，則重新采集數據；如果已完成數據上傳，則2 min 內重新采集數據，并再次等待上傳數據。RTU分機程序主流程如圖2 所示。

圖2 RTU 分機程序主流程

4.2 主機設計

在電源開啟后，首先進行STM32 芯片初始化，定義控制字和各個變量。其次讀取撥碼開關，定義自己的編號。再次向計量模塊發送讀取數據命令。如果連續3 次均未收到反饋數據，則上報設備故障；如果收到數據，則存儲數據，并向其他分機發送上傳數據命令。最后，獲取分機回應。如果沒有獲取分機回應則報通信故障；如果獲得分機數據，則與遠程服務器建立連接，并上傳所有分機數據。上傳所有數據2 min 后，再次向服務器上傳數據。RTU 主機程序主流程如圖3 所示。

5 設計創新點

與傳統的光伏組件數據采集不同，文章設計的無線通信模式更適用于分布式的小型光伏電站，無須復雜的現場布線工作。第一，數據傳輸具有實時性，每個主機可以接入至少200 個分機。第二，數據傳輸速率快，從數據采集到上傳至遠程服務器，僅需幾秒鐘。第三，數據傳輸正確率高，免受現場復雜環境的干擾。第四，不同電站采集點的位置不受區域范圍限制，根據中國移動的信號覆蓋范圍，無論電站采集點的位置相距多遠，只要通過移動網絡5G 信號，即可實現數據的采集與上報。第五，采集點的可擴展性強，可以隨時增加數據采集點，不存在以往線路路徑重新敷設的問題。第六，所有接入的采集點數據上傳至遠程服務器后，平臺系統會進行大數據分析，以提供更為準確的維修信息、設備預診斷信息、光伏發電趨勢的判斷以及商業模式的分析[7]。文章設計的光伏組件運行監測終端設備具有唯一性的ID 編碼，便于維護人員準確找到維修設備位置，且可根據系統預診斷信息提取準備運維配件，能夠提高運維效率，減少運維費用[8]。

6 結 論

文章設計了一種光伏組件運行監測終端設備，通過RTU 對光伏組件的電能參數進行準確、實時的采集，并將采集的數據準確無誤的發送至遠程服務器的數據庫。這樣，數據可在數據庫中得到記錄，方便后續查詢。ICT 遠程管理平臺通過調用數據庫平臺，對光伏組件的運行狀態進行分析，從而準確預判組件故障，提高電站的運行效率。