基于LabVIEW的光伏發(fā)電遠程電能監控系統設計

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

近年來(lái)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統越來(lái)越受到各個(gè)國家的重視，我國公布的相關(guān)規劃提出，2015年分布式光伏發(fā)電要達到1000萬(wàn)千瓦，同時(shí)，明確提出鼓勵在中東部地區建設與建

筑結合的分布式光伏發(fā)電系統。因此，分布式光伏發(fā)電是未來(lái)的重要發(fā)展方向?？梢灶A見(jiàn)，在不遠的將來(lái)，一次能源以太陽(yáng)能為主、終端能源以電力為主的能源格局將變成現實(shí)本項目設計的“基于LabVIEW的光伏發(fā)電遠程電能監控系統設計”可實(shí)現隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)該系統完成對系統電能的監控。

1 系統的整體設計

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(PV系統)的應用主要分為地面應用和空間應用兩部分;在未來(lái)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統主要以陸地應用為主，目前，光伏發(fā)電系統的結構主要有3種形式：無(wú)蓄電池有逆流發(fā)電系統、無(wú)蓄電池無(wú)逆流發(fā)電系統、有蓄電池無(wú)逆流發(fā)電系統。所謂的逆流是指剩余電能向電網(wǎng)倒送的現象。本文提出一種直流母線(xiàn)式的有蓄電池有逆流供電系統，主要工作是建立一個(gè)光伏發(fā)電的遠程電能監控系統，具體來(lái)說(shuō)：利用智能電表或者相應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(wú)功功率、功率因素等)采集起來(lái)，采用MOD—BUS—RTU協(xié)議，通過(guò)485通訊或者電力載波技術(shù)送至本地客戶(hù)端，在本地客戶(hù)端上運行著(zhù)整個(gè)系統的控制顯示界面，實(shí)時(shí)監察終端狀況，并且及時(shí)關(guān)注市場(chǎng)及電網(wǎng)信息動(dòng)態(tài)，當用戶(hù)需要將多余的電能賣(mài)給電網(wǎng)公司時(shí)，發(fā)送一個(gè)變壓器并網(wǎng)控制命令，該命令通過(guò)XBee無(wú)線(xiàn)模塊將指令傳輸至變壓器測的驅

動(dòng)控制電路，驅動(dòng)控制電路以AVR單片機為控制器，接受上位機命令并進(jìn)行指令下達，從而實(shí)現光伏發(fā)電的并網(wǎng)控制，同時(shí)若用戶(hù)自己生產(chǎn)的電能不能滿(mǎn)足自身需求時(shí)還可以從電網(wǎng)上進(jìn)行購買(mǎi)，此時(shí)上位機根據所需求的電能值及相關(guān)信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊向單片機發(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(guò)遠程發(fā)布可實(shí)現在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)的電能監控，系統的整體結構如圖1所示。

基于以上分析可以看出整個(gè)系統包含供電模塊、儲能模塊、負載模塊和控制模塊4個(gè)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;負載又包括直流負載和交流負載;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的控制。本文側重于控制模塊的設計，其主要包含硬件設計和軟件設計兩部分，下面將針對硬件和軟件兩部分設計做分別說(shuō)明。

2 系統的硬件設計

該系統在硬件方面要完成電壓、電流、電能量、有功功率、無(wú)功功率、功率因素等電能信號的采集與傳輸：XBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的設計;現場(chǎng)驅動(dòng)控制模塊設計等。

系統中涉及到的電能信號主要有：電壓、電流、電能量、有功功率、無(wú)功功率、功率因素等，對整個(gè)系統來(lái)說(shuō)，前端的計量采集設備是數據采集的第一單元，是最底層的數據采集終端，也是整個(gè)系統的前端設備，本系統選用數字式電能表，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一3J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，結合機械式計度器的優(yōu)點(diǎn)設計而成;產(chǎn)品具有精度高，可靠性強，壽命長(cháng)，體積小等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有可編程測量、顯示、數字通訊和電能脈沖、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、數據顯示、采集及傳輸，采用網(wǎng)絡(luò )型連接方式將3個(gè)電能表連在一起，并通過(guò)USB轉RS485/RS232轉換器連接至上位機。

系統上位機發(fā)出的各種控制指令都是通過(guò)XBee無(wú)線(xiàn)模塊傳輸至現場(chǎng)各個(gè)單元的。因此，首先需要建立XBee無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)擴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(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行通訊。過(guò)板子上的選擇開(kāi)關(guān)可以配置無(wú)線(xiàn)模塊的通訊方式，可以選擇通過(guò)USB/串口轉換器與上位機通訊，或者直接與Arduino(單片機)通訊。

上位機的一些控制指令，比如并網(wǎng)控制指令、電池充放電指令、配電箱內切換指令等通過(guò)XBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊傳輸至單片機控制模塊后，單片機在根據上位機的指令給各個(gè)現

場(chǎng)單元發(fā)出對應的命令信號。本設計選用AVR單片機系列中的ATmega8單片機，它繼承了AT90所具有的一些特點(diǎn)，而且在A(yíng)T90的基礎上，增加了更多的接口功能，而且性能更穩定，省電、靈活性強、抗干擾性高。ATmega8在片內集成了容量比較大的數據存儲器、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結構的8位單片機，除此之外，需要注意的的是該系列單片機的Flash存儲器在空間上分成了兩段：應用程序段和引導程序段，對于應用程序段內程序的更新可以通過(guò)對駐留在引導程序段內的引導程序使用SPM指令實(shí)現。這樣通過(guò)串行在線(xiàn)編程方法或者并行編程(用編程器寫(xiě)入)的方法可以將程序寫(xiě)到應用程序段。其控制原理圖如圖2所示。

3 系統的軟件設計

3.1 單片機控制程序設計

單片機程序設計采用了一種新的編程軟件Arduino，這是一種可以使計算機測量和控制更多物理設備的一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺，是一個(gè)編寫(xiě)軟件代碼的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它的編程語(yǔ)言是一種“線(xiàn)實(shí)現”，類(lèi)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等一些操作系統下，它的編程環(huán)境簡(jiǎn)單、清晰，對新手來(lái)說(shuō)很容易使用，最重要的是它的源代碼是開(kāi)放的，有一些C++庫或者源代碼直接就可以使用，編寫(xiě)的程序很容易讀懂。圖3是單片機控制的程序流程圖。

3.2 上位機與單片機的XBee通信程序設計

實(shí)際上配置完成后的XBee無(wú)線(xiàn)模塊在功能上就等效為一根“串口線(xiàn)”，這根串口線(xiàn)中間是無(wú)線(xiàn)連接，兩端是對應的串口端子，一端接在單片機控制模塊上，另一端接在了上位機串口處。因此，我們可以利用LabVIEW編寫(xiě)一個(gè)串口讀寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現上位機與現場(chǎng)單片機控制端的通信，如圖4所示。

3.3 遠程發(fā)布

用戶(hù)若想實(shí)現遠程登錄訪(fǎng)問(wèn)、操作需有一個(gè)鏈接，而這個(gè)鏈接是通過(guò)本地LabVIEW程序WEB發(fā)布實(shí)現的，客戶(hù)端對遠程前面的訪(fǎng)問(wèn)可以使用不同的方法。如在網(wǎng)頁(yè)上瀏覽HTML文件;在網(wǎng)頁(yè)上瀏覽程序前面板，通過(guò)開(kāi)啟LabVIEW的Web服務(wù)器，可以在網(wǎng)頁(yè)上發(fā)布LabVIEW程序，使本地或遠程的客戶(hù)端計算機可以實(shí)時(shí)瀏覽或控制Web服務(wù)器中的遠程面板，實(shí)現生產(chǎn)環(huán)境的遠程控制。使用LabVIEW的Web發(fā)布工具：Tools/Options，在彈出的對話(huà)框中完成與Web服務(wù)器有關(guān)的設置和LabVIEW程序的發(fā)布分別設置Web服務(wù)器：配置;Web服務(wù)器：可見(jiàn)VI;Web服務(wù)器：瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)。通過(guò)Tools/Web Publishing Tools對話(huà)框，可以將Web內存中的程序，以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)布，在客戶(hù)端進(jìn)行瀏覽，本系統采用在網(wǎng)頁(yè)上瀏覽程序前面板的方式實(shí)現遠程監控。

4 系統測試結果

在系統構建完成并且遠程發(fā)布實(shí)現之后，用戶(hù)在遠程客戶(hù)端瀏覽器的地址欄中輸入對應的網(wǎng)址后回車(chē)，即可進(jìn)入遠程前面板的系統登錄界面，在空白處單擊，會(huì )出現一個(gè)對話(huà)框，選擇“請求VI控制權”，申請成功后，系統的各種操作權限都交給了遠程客戶(hù)端，用戶(hù)點(diǎn)擊運行，在輸入正確的用戶(hù)名和密碼之后，頁(yè)面會(huì )自動(dòng)轉入整個(gè)系統的監控界面，用戶(hù)首先根據要求配置參數(主要是485通訊串口參數和XBee無(wú)線(xiàn)通訊參數)，當用戶(hù)電能不足需要從電網(wǎng)買(mǎi)入電能時(shí)，發(fā)送并網(wǎng)指令此時(shí)上位機會(huì )顯示控制指令狀態(tài)，圖5是整個(gè)系統的控制主界面前面板。

5 結論

該遠程監控系統用智能單相電能表作為電能信號采集終端，通過(guò)485總線(xiàn)實(shí)現信號傳輸;以基于XBee的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，實(shí)現各種控制指令在上位機和現場(chǎng)單片機控制單元之間的傳輸;上位機以基于LabVIEW的開(kāi)發(fā)系統為平臺，利用LabVIEW自帶的工具包或函數模塊完成了數據通訊功能，編寫(xiě)整個(gè)系統的電能監控界面，并利用自帶的WEB發(fā)布技術(shù)，將系統進(jìn)行了遠程發(fā)布，實(shí)現了用戶(hù)的遠程訪(fǎng)問(wèn)和監控。整個(gè)系統結構簡(jiǎn)單、設置靈活、可靠性高、運行穩定，對電能監控方面的案例有很好的借鑒意義。