一種基于云平臺的微電網(wǎng)光伏模塊數據采集裝置的設計

摘要:隨著(zhù)國家定下的碳中和目標以及相關(guān)政策的推進(jìn)，微電網(wǎng)項目的數量會(huì )持續增加，常規微電網(wǎng)中主要的發(fā)電組件是光伏發(fā)電平臺，因此對于光伏發(fā)電平臺的運行和維護的需求也會(huì )增加。

機智云開(kāi)發(fā)者設計的一種將本地監測數據進(jìn)行收集并通過(guò)云平臺傳送到總控室PC或維護人員隨身移動(dòng)設備的裝置，在總控室的PC以及移動(dòng)設備上可以對實(shí)時(shí)數據進(jìn)行查看，對一些可能的故障以及其類(lèi)型進(jìn)行警示提醒，從而提高設備維護的實(shí)時(shí)性及其效率。

引言

小型微電網(wǎng)的位置分布零散，一般沒(méi)有現場(chǎng)實(shí)時(shí)值守的運行和維護人員，而光伏發(fā)電平臺容易出現光伏板遮擋、光伏組件隱裂、接線(xiàn)故障等問(wèn)題，一旦出現故障，從工作人員發(fā)現故障、到達現場(chǎng)進(jìn)行監測，維修，直到最后解決故障問(wèn)題的時(shí)間周期會(huì )很長(cháng)，會(huì )影響原本微電網(wǎng)的供電設備的穩定運行狀態(tài)[1]。

通過(guò)在現場(chǎng)加裝數據測量裝置和通信裝置，將現場(chǎng)設備運行的參數進(jìn)行測量通過(guò)云平臺將數據發(fā)送到總控室進(jìn)行監測和分析，使得當現場(chǎng)發(fā)生故障后，維修人員能立即知曉從而迅速響應，此外主控室的主控機對微電網(wǎng)的運行參數進(jìn)行分析處理，可以對系統的運行狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)預評估，評估可能發(fā)生的故障類(lèi)型以及發(fā)生故障的可能性，現場(chǎng)可以重點(diǎn)關(guān)注，維修人員能夠預知故障類(lèi)型，可以減少現場(chǎng)監測環(huán)節，減少維修時(shí)間[2]。

1系統方案設計

整個(gè)系統分為控制器、光伏組件測量模塊、WiFi模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、總控室PC和手機app如圖1。除了一些偏遠地區建立的離網(wǎng)微電網(wǎng)，比如通信****等，不方便搭建WiFi傳輸環(huán)境之外，對于一些家用的微電網(wǎng)、大型工廠(chǎng)、工業(yè)園區和科技園等區域一般都有WiFi覆蓋，因此選擇WiFi來(lái)作為無(wú)線(xiàn)通信方式可以極大降低項目成本?？刂破鞯墓δ苁鞘占瘻y量模塊的數據，發(fā)送給WiFi模塊，以及對現場(chǎng)一些信號燈以及開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺的功能是將WiFi模塊上傳的數據發(fā)送給手機app和主控室的主控機。用戶(hù)通過(guò)手機app可以對實(shí)時(shí)數據進(jìn)行查看和對現場(chǎng)一些信號燈和開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。用戶(hù)還可以通過(guò)總控室的PC對測量的數據進(jìn)行收集，在總控室的PC上進(jìn)行數據分析和故障診斷，從而減少設備因故障停運的時(shí)間。

圖1系統整體方案結構圖

2物聯(lián)網(wǎng)云平臺的選擇

在本方案里的物聯(lián)網(wǎng)云平臺選擇了機智云開(kāi)發(fā)平臺，這個(gè)平臺有面向個(gè)人用戶(hù)和企業(yè)用戶(hù)的機智云平臺，通過(guò)自助的工具、軟件開(kāi)發(fā)工具包和應用編程接口服務(wù)等，將物聯(lián)網(wǎng)硬件開(kāi)發(fā)人員的技術(shù)壁壘盡可能地減少，開(kāi)發(fā)人員的研發(fā)時(shí)間降低，提高了開(kāi)發(fā)商的生產(chǎn)速度，還幫助開(kāi)發(fā)者進(jìn)行智能升級，更好連接、服務(wù)終端消費者[5-6]。

要使用機智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺，用戶(hù)只需要編寫(xiě)建立連接和傳輸協(xié)議，將GAgent植入到WiFi模塊中，并將WiFi模塊與路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)中，控制器就可以通過(guò)WiFi模塊把數據傳輸到云平臺的服務(wù)器。用戶(hù)通過(guò)在手機端平臺提供的APP應用里進(jìn)行綁定，就可以通過(guò)手機查看相關(guān)數據或者收發(fā)對應的控制信號。

GAgent是一個(gè)可以在許多不同類(lèi)型的通信模塊上運行的應用程序，也叫作固件。它不僅提供了手機應用、其他控制終端和云平臺與產(chǎn)品設備之間的三向的數據通信，而且還提供對設備配置、網(wǎng)絡(luò )接入、發(fā)現綁定等多元化功能。主要用于數據的接收和轉發(fā)，是硬件數據、機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺、移動(dòng)應用端的數據交互橋梁?？梢栽诟鞣N通信模塊上寫(xiě)入GAgent固件，實(shí)現WIFI模塊、GPRS模塊、藍牙模塊、電腦端等聯(lián)網(wǎng)配網(wǎng)功能。

3硬件設計

系統的電路分為MCU主控電路、測量電路、WiFi通信電路、供電電路和控制繼電器電路四個(gè)部分。其中MCU主控電路由STM32F103C8T6作為控制芯片，還包括芯片運行所需要的最小系統如圖2，比如供電電路、晶振電路、復位電路。

測量電路是由HLW8012測量模塊和其他輔助元件組成如圖3。HLW8012是一款用于測量各類(lèi)電路中的各類(lèi)參數的芯片，可用于測量電路中電壓、電流值以及有功功率值等。同時(shí)通過(guò)內部計算，輸出高頻脈沖，通過(guò)高頻脈沖得出相應的參數值的大小[7-8]。廣泛應用于各類(lèi)智能家居和智能電表中。

WiFi通信電路是由esp8266芯片以及其他輔助元件組成如圖4。

圖2MCU主控電路圖

圖3測量電路

圖4WiFi通信電路

4軟件設計

系統的軟件設計主要包括MCU主控程序、WiFi模塊程序。MCU主控程序主要包含外部設備的控制以及和WiFi模塊的通信程序。WiFi模塊的程序通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和云平臺進(jìn)行連接和通信。設備接上電源得電之后，進(jìn)行自動(dòng)搜索且根據記憶優(yōu)先搜索之前連接成功的路由器，如果連接成功后，將與云服務(wù)器進(jìn)行TCP數據的通信，從而進(jìn)行對硬件設備的控制及數據的傳輸通信。如果WiFi連接失敗，可能是WiFi路由器的內部信息遭到更改導致無(wú)法連接上。

當網(wǎng)絡(luò )連接失敗時(shí)，此時(shí)系統將會(huì )進(jìn)入另外一個(gè)工作模式，即AP模式，此時(shí)的系統會(huì )等待用戶(hù)來(lái)手動(dòng)配置入網(wǎng)信息，并且將手機連接同一局域網(wǎng)下的WiFi網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行與系統的對接，此時(shí)的路由器會(huì )使用UDP的形式將設備的一些信息進(jìn)行發(fā)送，收到設備信息的芯片系統將與路由器建立TCP連接，然后把路由器發(fā)送的信息記錄下來(lái)。系統工作于STA模式時(shí)是屬于一個(gè)正常的工作模式，在這樣的工作狀態(tài)下會(huì )通過(guò)路由器連接網(wǎng)絡(luò )后把智能設備的信息全部發(fā)送至云服務(wù)器去，當系統芯片收到相關(guān)信息時(shí)，會(huì )對消息進(jìn)行相關(guān)的函數處理，對數據進(jìn)行轉換，且對收到的信息進(jìn)行分析后，執行相應命令對硬件端進(jìn)行控制[9]。

5應用app的開(kāi)發(fā)

機智云開(kāi)發(fā)平臺對軟件程序提供APP、IOS等開(kāi)源框架源碼，可以使用開(kāi)發(fā)者工具自動(dòng)生成APP與IOS程序。除此之外，開(kāi)發(fā)者還可以根據項目中的實(shí)際需求，選擇合適的方式對APP進(jìn)行開(kāi)發(fā)。機智云平臺為研發(fā)者提供了APP的開(kāi)源框架代碼，并且能根據研發(fā)人員所創(chuàng )建的數據點(diǎn)自動(dòng)生成相應的設備功能需求的控制APP，對產(chǎn)品的測試以及開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的便利，降低了開(kāi)發(fā)的門(mén)檻，從而深受電子開(kāi)發(fā)愛(ài)好者的喜歡。

自動(dòng)生成的APP代碼模塊化集成了智能硬件所需的功能，主要包括：（1）用戶(hù)注冊、登錄，或者第三方登錄等功能。（2）配置設備入網(wǎng)分為三種Airlink+SoftAP+Airkiss模式。（3）設備進(jìn)行搜索，然后在A(yíng)PP中進(jìn)行列表。（4）對硬件設備進(jìn)行操作控制。

我們只需將源碼的壓縮包下載完之后進(jìn)行解壓，然后需要在控制功能部分對機智云的控制設備部分進(jìn)行同步對應，編寫(xiě)控制流程，也可以根據自身需求對UI界面進(jìn)行更改以APP控制界面的修改設計，整個(gè)過(guò)程基本無(wú)需做太大的改變，只需將源碼下載修改后進(jìn)行打包安裝即可完成客戶(hù)端APP，從而實(shí)現對智能設備進(jìn)行遠程操控，使生活更加貼近智能及方便[10]。

6系統調試

系統調試分為以下幾個(gè)步驟，首先是使用測量模塊對已知的數據進(jìn)行測量，通過(guò)MCU收集和顯示，對測量數據進(jìn)行統計和對比分析測量模塊的準確性和穩定性。之后連接上WiFi模塊，通過(guò)在手機端和主控機端查看到的數據進(jìn)行收集和對比。通過(guò)上述測試方法，本文設計的光伏模塊數據測量和采集裝置的穩定性和準確性都很高。

7結語(yǔ)

本文設計的基于云平臺的微電網(wǎng)光伏模塊數據采集裝置具有適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，由于不需要布線(xiàn)，安裝方便，可以對大多數現存的光伏發(fā)電系統進(jìn)行升級，通過(guò)控制總站的數據收集和分析，可以實(shí)現一總站監控多光伏發(fā)電系統的功能。維護人員還可以在總站之外通過(guò)網(wǎng)頁(yè)系統或者移動(dòng)端管理系統實(shí)現隨時(shí)隨地對監控范圍內的光伏發(fā)電系統進(jìn)行管理。

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