使用LabVIEW為并網(wǎng)光伏設備快速開(kāi)發(fā)監測系統

挑戰：以低的成本在短時(shí)間內構建一個(gè)自定義的實(shí)時(shí)監測系統，能夠使用多種測量設備評估并網(wǎng)光伏系統的性能和特性。

解決方案：使用開(kāi)放式的NILabVIEW軟件平臺設計監測系統和專(zhuān)用接口軟件，將多個(gè)測量設備的輸出通過(guò)串行接口輸入到PXI系統，同時(shí)使用現成的用戶(hù)數據報協(xié)議（UDP）函數將數據傳輸到PC，提供不同測量結果的實(shí)時(shí)顯示。

“整套設備的核心是NIPXI-8184實(shí)時(shí)控制器，它提供了數據存儲功能、有著(zhù)極高的系統可靠性、緊湊性、堅固性和方便的可配置性?！?/P>

新加坡政府投入3.5億新加坡元用于將城市改造為全球清潔能源樞紐，重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能。為了實(shí)現這個(gè)目標，新加坡政府和經(jīng)濟發(fā)展局下屬的清潔能源研究與實(shí)驗計劃（CERT）制定了多項措施。為此，我們開(kāi)設了含有五種不同光伏面板的太陽(yáng)能科技中心，功率總計達14.2kW。中心用于展示不同的并網(wǎng)光伏系統，并作為研究熱帶氣候條件下不同光伏模塊長(cháng)時(shí)間運行的性能和特性的測試實(shí)驗中心。

為了研究這些光伏模塊的性能和特性，我們請來(lái)自電子工程部門(mén)的一支團隊，以低成本在短時(shí)間內構建能夠測量待測光伏陣列不同參數和實(shí)際氣候條件的自定義實(shí)時(shí)監測系統。

團隊使用LabVIEW軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因為它提供了開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺、多功能性以及獨創(chuàng )的圖形用戶(hù)界面。軟件允許他們快速開(kāi)發(fā)非標準的Modbus串行通信協(xié)議，它是將多個(gè)測量設備輸出傳送到PXI實(shí)時(shí)控制器系統的關(guān)鍵接口。之后，使用UDP通信函數，將數據傳輸到PC用于實(shí)時(shí)顯示、分析和存儲。

光伏系統測量?jì)x器

整套設備的核心是NIPXI-8184實(shí)時(shí)控制器，它提供了數據存儲功能、有著(zhù)極高的系統可靠性、緊湊性、堅固性和方便的可配置性。軟件的開(kāi)發(fā)是基于LabVIEW和LabVIEW實(shí)時(shí)模塊進(jìn)行的。

開(kāi)發(fā)Modbus串行通信功能

天氣監測系統由七個(gè)測量參數組成，包括全球太陽(yáng)輻照度、散射太陽(yáng)輻照度、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和降雨量。光伏監測系統的測量參數包含直流電壓、直流電流和面板溫度。交流電源和功率發(fā)生使用電子功率計采集。此外，總共有22個(gè)測量數據點(diǎn)是從測量?jì)x器和五個(gè)電子功率計采集的，總計23個(gè)測量值。為了能夠處理多種測量數據，并且最小化設備和PXI控制器之間的連線(xiàn)，我們使用串行接口。

團隊使用Modbus遠程終端單元（RTU），它是開(kāi)放式的串行（RS232或RS485）協(xié)議，提供通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接設備之間的主/從通信。它使用簡(jiǎn)單、可靠、成本低，并且能夠交換二進(jìn)制格式的數據，從而提高了吞吐量。但是，每個(gè)Modubs設備制造商都用不同的函數代碼、數據格式和循環(huán)冗余驗證（CRC）代碼實(shí)現這個(gè)協(xié)議。因此，開(kāi)發(fā)Modbus驅動(dòng)程序從而允許用戶(hù)根據不同制造商的要求修改協(xié)議的實(shí)現是必要的。

由于LabVIEW提供了虛擬儀器軟件架構（VISA）串行函數，因此設計程序在這些設備之間進(jìn)行通信是簡(jiǎn)單的。此外，由于提供了數據操作函數，例如分割數字、帶進(jìn)位右移、交換字節、類(lèi)型轉換等，我們可以方便地使用對應的函數代碼、數據格式和CRC錯誤驗證算法實(shí)現Modbus消息結構。這樣我們開(kāi)發(fā)并測試了ModbusRTU接口程序，并且能夠為不同制造商的設備工作。

從PXI實(shí)時(shí)控制器到PC的數據傳送

團隊使用LabVIEW中的UDP函數將采集到的數據傳送到PC中。UDP簡(jiǎn)單，方便，并能將消息同時(shí)廣播到多個(gè)地址的功能。雖然它不保證可靠的數據傳送，但是在這個(gè)系統中，這并不會(huì )造成什么影響，因為該系統只需要將數據以10s的時(shí)間間隔傳送到PC中即可，所以即便丟失了一些數據點(diǎn)，也不會(huì )導致任何問(wèn)題。

設計圖形化用戶(hù)界面

系統需求之一是提供顯示所有與監測系統測量數據以及太陽(yáng)能技術(shù)中心設置有關(guān)的綜合信息。LabVIEW中的選項卡控件為用戶(hù)提供了在單一應用程序中放置所有信息而不讓用戶(hù)界面變得過(guò)于復雜的實(shí)用功能。

另一個(gè)挑戰是將不同測量數據顯示在圖表中。圖表讓用戶(hù)直觀(guān)地看到一個(gè)參數和另一個(gè)參數之間的關(guān)系，以及任何參數的變化趨勢。在任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上有22個(gè)測量數據點(diǎn)，其中包括天氣參數、光伏直流電壓和電流以及每個(gè)類(lèi)型太陽(yáng)能面板的面板溫度。在一張圖表上列出所有數據是不可能的。這可以通過(guò)用程序方法控制圖表繪制加以解決。程序的設計使用了項目選取以及圖表屬性節點(diǎn)來(lái)實(shí)現。用戶(hù)可以在一個(gè)圖表中一次性查看多達四條數據曲線(xiàn)和測量參數。

結論

LabVIEW幫助我們的團隊在三個(gè)月內快速開(kāi)發(fā)了Modbus接口程序，并且設計了富有信息量的優(yōu)秀用戶(hù)界面。使用NIPXI硬件確保了系統可靠性，它自從2008年9月以來(lái)每周七天，每天24小時(shí)不間斷運行至今。我們團隊的下一個(gè)任務(wù)是評估光伏系統性能，包括評估光伏陣列效率、能量發(fā)生關(guān)于氣候條件和模塊條件的關(guān)系。