基于LabVIEW的光伏發(fā)電遠(yuǎn)程電能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

丁全鑫，師 鑫，楊君寶

（1.大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連金州供電公司 遼寧 大連 116100）

現(xiàn)如今，全世界發(fā)電中，還是以常規(guī)發(fā)電為主，常規(guī)發(fā)電有火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電3種[1]。其中，又以火力發(fā)電為主，但是火力發(fā)電會伴隨著巨量不可再生的化石燃料的大規(guī)模燃燒。隨著煤、石油和天然氣等常規(guī)能源的消耗引起的環(huán)境污染以及大量的CO2也隨之排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng)、全球海平面上升和全球氣候反常變化等環(huán)境問題，化石能源的儲量有限，在不久的將來終將枯竭，因此，無論是從人類自身生存環(huán)境來看還是從能源消耗方面來看，都迫使我們尋找可再生能源替代現(xiàn)在的常規(guī)能源[2]。

近年來太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)越來越受到各個國家的重視，我國公布的相關(guān)規(guī)劃提出，2015年分布式光伏發(fā)電要達(dá)到1 000萬千瓦，同時，明確提出鼓勵在中東部地區(qū)建設(shè)與建筑結(jié)合的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。因此，分布式光伏發(fā)電是未來的重要發(fā)展方向?？梢灶A(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，一次能源以太陽能為主、終端能源以電力為主的能源格局將變成現(xiàn)實。本項目設(shè)計的 “基于LabVIEW的光伏發(fā)電遠(yuǎn)程電能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計”可實現(xiàn)隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)訪問該系統(tǒng)完成對系統(tǒng)電能的監(jiān)控。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)（PV系統(tǒng)）的應(yīng)用主要分為地面應(yīng)用和空間應(yīng)用兩部分，在未來太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要以陸地應(yīng)用為主，目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有3種形式：無蓄電池有逆流發(fā)電系統(tǒng)、無蓄電池?zé)o逆流發(fā)電系統(tǒng)、有蓄電池?zé)o逆流發(fā)電系統(tǒng)[3]。所謂的逆流是指剩余電能向電網(wǎng)倒送的現(xiàn)象。本文提出一種直流母線式[4]的有蓄電池有逆流供電系統(tǒng)，主要工作是建立一個光伏發(fā)電的遠(yuǎn)程電能監(jiān)控系統(tǒng)，具體來說：利用智能電表或者相應(yīng)的電能傳感器將分布式發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能的有關(guān)信息（電壓、電流、電能量、有功功率、無功功率、功率因素等）采集起來，采用MOD-BUS-RTU協(xié)議，通過485通訊或者電力載波技術(shù)送至本地客戶端，在本地客戶端上運行著整個系統(tǒng)的控制顯示界面，實時監(jiān)察終端狀況，并且及時關(guān)注市場及電網(wǎng)信息動態(tài)，當(dāng)用戶需要將多余的電能賣給電網(wǎng)公司時，發(fā)送一個變壓器并網(wǎng)控制命令，該命令通過XBee無線模塊將指令傳輸至變壓器測的驅(qū)動控制電路，驅(qū)動控制電路以AVR單片機(jī)為控制器，接受上位機(jī)命令并進(jìn)行指令下達(dá)，從而實現(xiàn)光伏發(fā)電的并網(wǎng)控制，同時若用戶自己生產(chǎn)的電能不能滿足自身需求時還可以從電網(wǎng)上進(jìn)行購買，此時上位機(jī)根據(jù)所需求的電能值及相關(guān)信息通過無線模塊向單片機(jī)發(fā)送相關(guān)指令，進(jìn)而控制變壓器與電網(wǎng)聯(lián)通進(jìn)行電能輸入，并通過遠(yuǎn)程發(fā)布可實現(xiàn)在任意時間、任意地點的電能監(jiān)控，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

基于以上分析可以看出整個系統(tǒng)包含供電模塊、儲能模塊、負(fù)載模塊和控制模塊4個部分。其中，供電模塊包含光伏發(fā)電電池和電網(wǎng)；儲能模塊是蓄電池；負(fù)載又包括直流負(fù)載和交流負(fù)載；控制模塊又包含對蓄電池的控制、對逆變器的控制和對配電箱內(nèi)的控制。本文側(cè)重于控制模塊的設(shè)計，其主要包含硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，下面將針對硬件和軟件兩部分設(shè)計做分別說明。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)在硬件方面要完成電壓、電流、電能量、有功功率、無功功率、功率因素等電能信號的采集與傳輸；XBee無線傳輸模塊的設(shè)計；現(xiàn)場驅(qū)動控制模塊設(shè)計等。

系統(tǒng)中涉及到的電能信號主要有：電壓、電流、電能量、有功功率、無功功率、功率因素等，對整個系統(tǒng)來說，前端的計量采集設(shè)備是數(shù)據(jù)采集的第一單元，是最底層的數(shù)據(jù)采集終端，也是整個系統(tǒng)的前端設(shè)備，本系統(tǒng)選用數(shù)字式電能表，具體選取的電能表是丹東伊諾特電氣有限公司生產(chǎn)的型號為PD1150-E-3J的智能單相電能表，該系列電能表采用先進(jìn)的電能計量芯片，結(jié)合機(jī)械式計度器的優(yōu)點設(shè)計而成；產(chǎn)品具有精度高，可靠性強(qiáng)，壽命長，體積小等優(yōu)點，是一種具有可編程測量、顯示、數(shù)字通訊和電能脈沖、變送輸出等功能的多功能電力儀表，能夠完成電量測量、電能計量、數(shù)據(jù)顯示、采集及傳輸，采用網(wǎng)絡(luò)型連接方式將3個電能表連在一起，并通過USB轉(zhuǎn)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器連接至上位機(jī)。

系統(tǒng)上位機(jī)發(fā)出的各種控制指令都是通過XBee無線模塊傳輸至現(xiàn)場各個單元的。因此，首先需要建立XBee無線網(wǎng)絡(luò)，我們選取MaxStream公司的XBee-PRO OEM RF模塊，利用我們?yōu)閄Bee打造的無線擴(kuò)展板就可以很方便地將XBee模塊連接到Arduino上，這樣Arduino板可以方便的利用無線模塊進(jìn)行通訊。過板子上的選擇開關(guān)可以配置無線模塊的通訊方式，可以選擇通過USB/串口轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)通訊，或者直接與Arduino（單片機(jī)）通訊。

上位機(jī)的一些控制指令，比如并網(wǎng)控制指令、電池充放電指令、配電箱內(nèi)切換指令等通過XBee無線傳輸模塊傳輸至單片機(jī)控制模塊后，單片機(jī)在根據(jù)上位機(jī)的指令給各個現(xiàn)場單元發(fā)出對應(yīng)的命令信號。本設(shè)計選用AVR單片機(jī)系列中的ATmega8單片機(jī)，它繼承了AT90所具有的一些特點，而且在AT90的基礎(chǔ)上，增加了更多的接口功能，而且性能更穩(wěn)定，省電、靈活性強(qiáng)、抗干擾性高[5]。ATmega8在片內(nèi)集成了容量比較大的數(shù)據(jù)存儲器、非易失性程序和工作存儲器，是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)，除此之外，需要注意的的是該系列單片機(jī)的Flash存儲器在空間上分成了兩段：應(yīng)用程序段和引導(dǎo)程序段，對于應(yīng)用程序段內(nèi)程序的更新可以通過對駐留在引導(dǎo)程序段內(nèi)的引導(dǎo)程序使用SPM指令實現(xiàn)。這樣通過串行在線編程方法或者并行編程（用編程器寫入）的方法可以將程序?qū)懙綉?yīng)用程序段[6]。其控制原理圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 單片機(jī)控制程序設(shè)計

單片機(jī)程序設(shè)計采用了一種新的編程軟件Arduino，這是一種可以使計算機(jī)測量和控制更多物理設(shè)備的一個開發(fā)平臺，是一個編寫軟件代碼的開發(fā)環(huán)境。它的編程語言是一種“線實現(xiàn)”，類似一種基于處理多媒體編程環(huán)境的物理計算平臺，它可以運行在諸如Windows、Linux、Mac OS等一些操作系統(tǒng)下，它的編程環(huán)境簡單、清晰，對新手來說很容易使用，最重要的是它的源代碼是開放的，有一些C++庫或者源代碼直接就可以使用，編寫的程序很容易讀懂。圖3是單片機(jī)控制的程序流程圖。

3.2 上位機(jī)與單片機(jī)的XBee通信程序設(shè)計

實際上配置完成后的XBee無線模塊在功能上就等效為一根“串口線”，這根串口線中間是無線連接，兩端是對應(yīng)的串口端子，一端接在單片機(jī)控制模塊上，另一端接在了上位機(jī)串口處。因此，我們可以利用LabVIEW編寫一個串口讀寫程序來實現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場單片機(jī)控制端的通信，如圖4所示。

3.3 遠(yuǎn)程發(fā)布

用戶若想實現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄訪問、操作需有一個鏈接，而這個鏈接是通過本地LabVIEW程序WEB發(fā)布實現(xiàn)的，客戶端對遠(yuǎn)程前面的訪問可以使用不同的方法。如在網(wǎng)頁上瀏覽HTML文件；在網(wǎng)頁上瀏覽程序前面板，通過開啟LabVIEW的Web服務(wù)器，可以在網(wǎng)頁上發(fā)布LabVIEW程序，使本地或遠(yuǎn)程的客戶端計算機(jī)可以實時瀏覽或控制Web服務(wù)器中的遠(yuǎn)程面板，實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。使用LabVIEW的Web發(fā)布工具：Tools/Options，在彈出的對話框中完成與Web服務(wù)器有關(guān)的設(shè)置和LabVIEW程序的發(fā)布分別設(shè)置Web服務(wù)器：配置；Web服務(wù)器：可見VI；Web服務(wù)器：瀏覽器訪問。通過Tools/Web Publishing Tools對話框，可以將Web內(nèi)存中的程序，以網(wǎng)頁的形式發(fā)布，在客戶端進(jìn)行瀏覽，本系統(tǒng)采用在網(wǎng)頁上瀏覽程序前面板的方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 單片機(jī)控制電路Fig.2 SCM control circuit

圖3 單片機(jī)控制流程圖Fig.3 SCM control flow chart

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

在系統(tǒng)構(gòu)建完成并且遠(yuǎn)程發(fā)布實現(xiàn)之后，用戶在遠(yuǎn)程客戶端瀏覽器的地址欄中輸入對應(yīng)的網(wǎng)址后回車，即可進(jìn)入遠(yuǎn)程前面板的系統(tǒng)登錄界面，在空白處單擊，會出現(xiàn)一個對話框，選擇“請求VI控制權(quán)”，申請成功后，系統(tǒng)的各種操作權(quán)限都交給了遠(yuǎn)程客戶端，用戶點擊運行，在輸入正確的用戶名和密碼之后，頁面會自動轉(zhuǎn)入整個系統(tǒng)的監(jiān)控界面，用戶首先根據(jù)要求配置參數(shù) （主要是485通訊串口參數(shù)和XBee無線通訊參數(shù)），當(dāng)用戶電能不足需要從電網(wǎng)買入電能時，發(fā)送并網(wǎng)指令此時上位機(jī)會顯示控制指令狀態(tài)，圖5是整個系統(tǒng)的控制主界面前面板。

5 結(jié) 論

該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)用智能單相電能表作為電能信號采集終端，通過485總線實現(xiàn)信號傳輸；以基于XBee的無線傳輸模塊，實現(xiàn)各種控制指令在上位機(jī)和現(xiàn)場單片機(jī)控制單元之間的傳輸；上位機(jī)以基于LabVIEW的開發(fā)系統(tǒng)為平臺，利用LabVIEW自帶的工具包或函數(shù)模塊完成了數(shù)據(jù)通訊功能，編寫整個系統(tǒng)的電能監(jiān)控界面，并利用自帶的WEB發(fā)布技術(shù)，將系統(tǒng)進(jìn)行了遠(yuǎn)程發(fā)布，實現(xiàn)了用戶的遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)置靈活、可靠性高、運行穩(wěn)定，對電能監(jiān)控方面的案例有很好的借鑒意義。

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圖4 上位機(jī)XBee無線傳輸程序框圖Fig.4 PC XBee wireless transmission block diagram

圖5 控制主界面前面板Fig.5 The front panel of main control interface

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