摘要：基于Labview圖形化編程軟件開發(fā)了一種用于光伏發(fā)電特性及周圍環(huán)境測試的實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器、變換器、FieldPoint模塊及主監(jiān)控PC組成。利用溫度、電壓、電流、輻照度等多種傳感器、變換器采集發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場的信息，輸入到FieldPoint模塊進行信號的調(diào)理及數(shù)據(jù)采集，經(jīng)RS485總線傳輸?shù)接嬎銠C進行數(shù)據(jù)的顯示、處理、轉(zhuǎn)換和存儲，系統(tǒng)模塊化的特點使測試項目可以擴充。利用DataSocket通信技術(shù)和Labview遠程訪問技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)本地和遠程監(jiān)測的功能。該系統(tǒng)可實時同步測量光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，存儲的數(shù)據(jù)庫信息可以為日后的科學研究提供依據(jù)，為光伏發(fā)電技術(shù)的改進與提高奠定了基礎。

1 引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量輸出因周圍環(huán)境的變化而表現(xiàn)出較大的差異，對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，可以獲得原始測量數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的改進與優(yōu)化以及以后的科學研究提供有用數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)及其系統(tǒng)本身的電氣性能進行監(jiān)測和分析是保證系統(tǒng)正常高效運行的前提。光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行一般是在無人職守的情況下進行，對地面上很分散的光伏系統(tǒng)進行監(jiān)測維護是十分困難繁瑣的，需要大量的時間和人力物力，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義。Labview可以利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應用。靈活高效的軟件可以創(chuàng)建自定義的光伏監(jiān)測系統(tǒng)的用戶界面并能提供強大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，可以方便的設置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲的方式[4].模塊化的硬件能方便的提供全方位的系統(tǒng)集成，另外Labview還有網(wǎng)頁發(fā)布、報告生成、數(shù)據(jù)管理以及軟件連接等功能。本文利用Labview的強大功能配合FieldPoint模塊化分布式I/O設計了一種光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，并通過網(wǎng)頁發(fā)布的功能達到遠程監(jiān)測的目的。

2 光伏監(jiān)測系統(tǒng)原理

圖1為光伏數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的原理框圖。用電流、電壓、溫度、風速等傳感器感應光伏發(fā)電系統(tǒng)及周圍環(huán)境的信息，生成可測量的電信號。由于傳感器得到的信號可能會很微弱或者含有大量噪聲，需通過信號調(diào)理裝置進行放大、衰減、隔離、多路復用、濾波等操作。通過調(diào)理后的信號就可以與數(shù)據(jù)采集設備連接了。監(jiān)測系統(tǒng)采用工業(yè)RS485總線實現(xiàn)下位機與監(jiān)控主PC之間的通訊。RS485總線最大的通信距離約為1219m,最大傳輸速率為10Mb/S,傳輸速率與傳輸距離成反比，在100Kb/S的傳輸速率下可達到最大的通信距離，加中繼器以后可以達到更大的傳輸距離。Labview軟件及其配套的DAQ（Data Acquisition）驅(qū)動程序與數(shù)據(jù)采集硬件形成了一套完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。同時Labview軟件還能夠完成數(shù)據(jù)存儲任務，以便為以后的科學研究提供可靠數(shù)據(jù)。通過軟件中的Web發(fā)布工具，可以通過互聯(lián)網(wǎng)隨時登入監(jiān)測系統(tǒng)進行遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測。

圖1 光伏數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

3.1 傳感器和變換器

光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)需要從現(xiàn)場獲取的信息主要包括：①光伏方陣運行時的直流電流值、電壓值、功率值，以及經(jīng)過功率調(diào)節(jié)器以后的蓄電池充電參數(shù)。②采集風速值、光伏組件表面和周圍環(huán)境的溫度以及太陽的輻照度。③通過一定時期內(nèi)采集的數(shù)據(jù)進行累計發(fā)電量、平均溫度、平均輻照度等數(shù)值的計算。

采用與以上信息相對應的傳感器和變換器對數(shù)據(jù)進行測量，溫度傳感器采用精密鉑電阻溫度傳感器PT100,該傳感器按照IEC751國際標準設計和制作，利用鉑電阻在溫度發(fā)生變化時其電阻值也發(fā)生變化的特性來測量溫度，傳感器元件由鉑絲燒制，穩(wěn)定性高，測量范圍廣，利用兩個溫度傳感器可以分別對光伏組件表面溫度和環(huán)境溫度進行測量，將被測溫度轉(zhuǎn)換成（4~20）mA DC二線制標準信號而遠程發(fā)送。電壓的測量采用四通牌ST-A系列的STCV-800電壓傳感器，該系列傳感器廣泛用于電力系統(tǒng)的監(jiān)測，電壓測試范圍分別為0~1200V.直流電流的測量選用武漢儀表公司生產(chǎn)的HD系列高精度直流大電流傳感器。其工作原理如圖2所示。

圖2 電流傳感器原理圖

采用磁性比較方法，M為高導磁率材料鐵芯，、為比例繞組，、分別提供給、直流電流。得到的直流磁勢分別為， ,由于兩個磁勢和方向相反，當時，即鐵芯內(nèi)合成磁通為零時，磁勢平衡方程為，且當時，.上述說明，即使是一個數(shù)值較大的單個電流，只要有足夠的匝數(shù)，便可以用較小的與之平衡，并可用表示相應的數(shù)值，數(shù)值較小，便于直接進行精密測量，且為常量不受其他量的影響，因此用磁性比較方法測量直流大電流可以達到較高的精度。同樣風速、太陽輻射量等信號的測量選用與光伏發(fā)電系統(tǒng)相配套傳感器和變換器將信號其轉(zhuǎn)換為標準電信號才能送入數(shù)據(jù)調(diào)理單元。

3.2 信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集裝置

直接采集來的信號由于噪聲等原因不一定能夠滿足采集系統(tǒng)的要求，為了適合數(shù)據(jù)采集設備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號必須經(jīng)過處理。信號調(diào)理裝置能夠按照要求放大或者縮小電壓電流范圍，并對信號進行隔離濾波等處理。光伏監(jiān)測系統(tǒng)的信號調(diào)理圖如圖3所示。

圖3 光伏監(jiān)測系統(tǒng)的信號調(diào)理

信號調(diào)理裝置SCXI（Signal Conditioning Extension for Instrumentation）由信號調(diào)理機箱、信號調(diào)理模塊和信號連接端口組成。分布式信號采集系統(tǒng)采用模塊化的方式，完成信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡通訊的功能。分布式信號采集系統(tǒng)非常適合于工業(yè)現(xiàn)場的測試，它可以使信號調(diào)理在靠近傳感器的位置進行。監(jiān)測系統(tǒng)采用NI公司的FieldPoint模塊化分布式I/O產(chǎn)品，利用RS485串行接口可以方便的連接到本地PC.FieldPoint內(nèi)裝信號調(diào)理部件，可以直接連接到傳感器，具有精確可靠的16位模擬輸入，可供混用與搭配的獨立I/O模塊能夠在惡劣環(huán)境下使用。另外，F(xiàn)ieldPoint具有將I/O功能、信號終端和通訊方式模塊化的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設計周期短而且性能穩(wěn)定，F(xiàn)ieldPoint系統(tǒng)包括大量隔離模擬與數(shù)字I/O 模塊、接線座， 以及網(wǎng)絡接口， 以便更容易地與標準開放式網(wǎng)絡相連接[9].用戶可以單獨選擇最合適的特定應用網(wǎng)絡接口模塊、I/O 模塊或信號終端類型。光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)選用NI FP-AI-110 單端輸入模塊、NI FP-TC-120 熱電偶模塊和NI FP-1001 網(wǎng)絡接口模塊。

由于太陽能輻射傳感器是利用其頂部的光電探測器來測量太陽輻射的，能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換為電壓信號，于是采集選用NI FP-AI-110模塊，它是8通道單端輸入模塊，用于從各種傳感器直接測量電壓和電流信號。 溫度的采集選用NI FP-TC-120,8通道熱電偶模塊，操作溫度范圍為-40到70°C ,用于標準J、K、T、N、R、S、E和B熱電偶的溫度的測量，具有信號調(diào)理、雙層絕緣隔離、輸入噪聲過濾的功能和高精度delta-sigma 16位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，保證測量數(shù)據(jù)的精確。以上兩模塊均提供HotPnP（熱插拔）操作且配置簡單，可自我診斷和自動調(diào)整到工程單位，是專為高效高可靠度的測量而設計的，提供濾波處理的低噪音16位分辨率模擬輸入和過量程保護、板載診斷的功能都確保了無故障的安裝和維護，且均附有NIST校準認證書以確保精確可靠的模擬測量，非常適合在光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)中進行應用。為了實現(xiàn)FieldPoint和RS485總線之間的通訊，還采用NI FP-1001網(wǎng)絡接口模塊，每個FP-1001網(wǎng)絡模塊可將多達9個FieldPoint I/O 模塊作為結(jié)點連接到RS485網(wǎng)絡。FP-1001通過FieldPoint端子基座連成的本地高速總線，管理PC和I/O模塊間的通信。 FP-1001還提供若干診斷和自動化的功能，令安裝、使用和維護得以簡化。

虛擬儀器技術(shù)（Virtual Instrumentation,VI）是隨著計算機技術(shù)、大規(guī)模集成電路等技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器系統(tǒng)與計算機軟件技術(shù)緊密結(jié)合，而對傳統(tǒng)儀器概念的突破。美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言，是目前實現(xiàn)虛擬儀器軟件設計最流行的工具之一，被公認為標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，現(xiàn)已成為測試測量和控制行業(yè)的標準軟件平臺[10].

4.1 監(jiān)測系統(tǒng)前面板設計

由于Labview使用G語言（圖形化語言）進行程序設計，因此該系統(tǒng)界面包含了光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)所要進行監(jiān)測的溫度、電流、電壓以及輻照度等的全部信息，Labview中的VI程序由前面板、程序框圖、VI圖標3部分構(gòu)成，其中前面板是VI 程序的用戶操作界面，是VI程序的交互式輸入和輸出端口。如圖4所示，系統(tǒng)前面板即系統(tǒng)界面主要由主監(jiān)測界面以及各種參數(shù)界面組成。主界面主要由發(fā)電參數(shù)監(jiān)測模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)處理模塊3部分組成，各獨立參數(shù)模塊可以進行有關的參數(shù)設置，實時顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊可以存儲相關的歷史數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)回放，以便對特定模塊單獨進行分析處理。

圖4 光伏監(jiān)測系統(tǒng)前面板

圖5是光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)前面板對應的部分程序框圖，主要包括電壓采集、電流采集、輻照度采集、溫度采集及其處理程序。

圖5 光伏監(jiān)測系統(tǒng)部分程序框圖

4.2 數(shù)據(jù)庫的建立

實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫功能的第一步是建立數(shù)據(jù)源，由于Labview數(shù)據(jù)庫工具只能操作而不能創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，所以必須借助第三方數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，選用Microsoft公司的Access軟件來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。建立一個名為PVData.mdb的數(shù)據(jù)庫文件，利用通用數(shù)據(jù)連接UDL（Universal Data Link）來獲得數(shù)據(jù)庫信息以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫連接，建立與數(shù)據(jù)庫文件對應的PVData.udl文件。數(shù)據(jù)庫連接完成后便可以對數(shù)據(jù)庫進行操作了，包括創(chuàng)建表格、刪除表格、添加測試記錄、查詢記錄等操作。如用Labview數(shù)據(jù)庫工具包中的DB Tools Create Table.vi來創(chuàng)建光伏組件表面溫度測試數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表中包括測試時間、測試數(shù)值、測試人等多項信息，用DB Tools Drop Table.vi來刪除某個表格，用DB Tools Insert Data.vi添加一條記錄。數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫之后，用DB Tools Select Data.vi來將已存儲的數(shù)據(jù)讀出，進行記錄的查詢。從Tools Select Data.vi讀出的數(shù)據(jù)是動態(tài)數(shù)據(jù)類型需要用Database Variant To Data.vi將其轉(zhuǎn)換成正確的數(shù)據(jù)類型。

大多數(shù)情況下，并不需要把光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)全部讀出，由于Labview數(shù)據(jù)庫工具包完全支持SQL語言（Structured Query Language），在Tools Select Data.vi的optional clause輸入端按照SQL語法輸入條件語句，即可讀出需要的數(shù)據(jù)。如輸入語句"Where TestTime='2008-9-12 10:24:20';",就能把此時間的數(shù)據(jù)記錄讀出來。

5 網(wǎng)絡通信功能的實現(xiàn)

5.1 DataSocket通信技術(shù)

光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)本地計算機的數(shù)據(jù)通信可以采用DataSocket技術(shù)，它是NI公司推出的面向測控領域的網(wǎng)絡通信技術(shù)，基于Microsoft的COM和ActiveX技術(shù)，對TCP/IP協(xié)議進行高度封裝，用于共享和發(fā)布實時測量數(shù)據(jù)。DataSocket能夠有效的支持本地計算機上不同應用程序?qū)μ囟〝?shù)據(jù)的同時應用，以及網(wǎng)絡上不同計算機的多個應用程序之間的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)跨機器、跨語言、跨進程的實時數(shù)據(jù)共享，在10M的網(wǎng)絡中的傳輸速率可以達到640kbps,完全能夠達到本監(jiān)測系統(tǒng)的要求。利用DataSocket和網(wǎng)絡技術(shù)，可以更有效的進行數(shù)據(jù)采集、分析、處理和顯示。如對于光伏發(fā)電系統(tǒng)溫度信號的監(jiān)測，在不同主機上分別創(chuàng)建一個DataSocket服務器VI和一個DataSocket客戶端VI,使用DataSocket函數(shù)節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)。首先運行DataSocket Server應用程序，它是一個獨立運行程序，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)自描述格式對TCP/IP進行優(yōu)化和管理，然后利用服務器VI中的DataSocket Write節(jié)點將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到dstp格式指定的連接中，最后在創(chuàng)建的客戶端VI中使用設置好的DataSocket Read節(jié)點將數(shù)據(jù)從指定的地址讀取數(shù)據(jù)，并顯示在波形圖上。

5.2 遠程訪問

在Labview中，可以通過遠程訪問來實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。在光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)中，首先對服務器進行相應的配置，主要包括用來設定服務器目錄和日志屬性的"Web服務器配置",設定對客戶端開放的VI程序"Web服務器中可見VI "和用來設置客戶端訪問權(quán)限的"Web服務器瀏覽器訪問".在配置完成后，在完成在服務器端發(fā)布網(wǎng)頁的操作，在客戶端便可以通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問服務器發(fā)布的頁面，實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)的遠程訪問。

6 結(jié)束語

本文將虛擬儀器技術(shù)應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，借助于Labview強大的軟件支持構(gòu)建了一個完整的光伏監(jiān)測和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便的對光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電特性及周圍環(huán)境進行實時監(jiān)測，得到可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)。選用了適合本系統(tǒng)的各類傳感器及變換器，并闡述了建立本監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的方法，創(chuàng)新性的應用DataSocket通信技術(shù)和Labview遠程訪問技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)遠程監(jiān)測的功能。由于FieldPoin模塊化及Labview軟件自身的特點，在需要研究其他運行特性的時候可以很方便的進行擴充，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，界面友好，操作簡單方便，而且具有成本低，使用方便的特點，是一套通用的監(jiān)測系統(tǒng)，具有很好的應用前景。