基于LabVIEW的光伏電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

引言

　　光伏發(fā)電技術(shù)是世界新能源的發(fā)展趨勢之一，它要求更講究系統(tǒng)效率、更可靠、也更經(jīng)濟(jì)。傳統(tǒng)意義上的監(jiān)控一般建立在近距離條件下，即近距離監(jiān)控，這種方式要求配備一定的維護(hù)人員進(jìn)行，花費大量的人力、物力和財力，而且隨著電站規(guī)模的擴(kuò)大，已經(jīng)越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此，一種成本低、低功耗、界面簡單容易操作、具有配置通用性、方便實用的光伏電源監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。而這種實時監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，也會在很大程度上促進(jìn)國內(nèi)新能源技術(shù)的進(jìn)一步研究，對于能源及相關(guān)工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

　　本文在研究虛擬儀器及相關(guān)通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上，運用LabView對光伏電源監(jiān)控界面的研發(fā)，最終形成一種基于LabVIEW的多功能監(jiān)控界面設(shè)計方案。此監(jiān)控界面有處理數(shù)據(jù)類型多、存儲數(shù)據(jù)量大、界面具備人性化等特點。

　　1 光伏電源監(jiān)控系統(tǒng)

　　光伏電源監(jiān)控系統(tǒng)可分為以下模塊：光伏電源數(shù)據(jù)采集與控制（DSP28035 ） 、數(shù)據(jù)處理（ MCUSTC12LE5A60S2）、TFT觸摸屏液晶顯示、現(xiàn)場監(jiān)控（PC機(jī)）、無線通訊（GSM TC35）、后臺監(jiān)控（PC機(jī)）。光伏電源監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 光伏電源監(jiān)控系統(tǒng)框圖

　　各模塊的作用如下：

　　光伏電源數(shù)據(jù)采集與控制模塊：通過霍爾傳感器實現(xiàn)對電壓、電流的測量，利用DSP28035強大的數(shù)據(jù)處理功能，先實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，然后將所得的量進(jìn)行處理，對光伏電源系統(tǒng)輸出進(jìn)行控制，同時通過SPI將數(shù)據(jù)傳輸給MCU STC12LE5A60S2.

　　數(shù)據(jù)處理模塊：MCU將DSP傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、計算、存儲和數(shù)據(jù)傳輸。該模塊將所需存儲的數(shù)據(jù)存儲在Flash里，并作為DSP與上位機(jī)的中間橋梁，通過串口、485和GSM實現(xiàn)TFT顯示、現(xiàn)場監(jiān)控和后臺監(jiān)控。

　　TFT觸摸屏模塊：該模塊通過232與單片機(jī)通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和對參數(shù)的設(shè)置。

　　現(xiàn)場監(jiān)控模塊：該模塊可實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時顯示，同時可以采集60天單片機(jī)存儲的數(shù)據(jù)，以便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和觀察設(shè)備的運行情況，另外用戶可以實現(xiàn)現(xiàn)場的參數(shù)設(shè)置。

　　無線通訊模塊：該模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸，將數(shù)據(jù)傳送給后臺。

　　后臺監(jiān)控模塊：該模塊為設(shè)計的主要部分，GSM傳輸來的數(shù)據(jù)通過串口給PC機(jī)。該后臺監(jiān)控可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、報警等功能。

　　2 相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)使用軟件

　　2.1 LabVIEW

　　LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所廣泛接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。

　　LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。

　　LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。

　　利用LabVIEW,可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32位/64位編譯器。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。[!--empirenews.page--]2.2 GSM

　　GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。因此，GSM模塊具有發(fā)送SMS短信，語音通話，GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能。

　　簡單來講，GSM模塊加上鍵盤、顯示屏和電池，就是一部手機(jī)。

　　本設(shè)計采用的是Siemeils公司的TC35,該模塊是Siemeils公司推出的新一代無線通信GSM模塊。自帶RS232通訊接口，可以方便地與PC機(jī)、單片機(jī)連機(jī)通訊。

　　可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)和傳真。

　　2.3 Access 2003

　　Access 2003是微軟公司Microsoft Office 2003產(chǎn)品組件之一，是一個功能強大的數(shù)據(jù)庫管理工具，是在Windows 2000或Windows XP環(huán)境下運行的一種關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。其交互性很好，用戶不用編程就能夠創(chuàng)建整個數(shù)據(jù)庫，其中還包含用于開發(fā)高級數(shù)據(jù)庫的程序設(shè)計語言Access Basic.其主要特點如下：1）存儲方式多樣；2）面向?qū)ο螅?）界面友好、易操作；4）集成環(huán)境、處理多種數(shù)據(jù)信息；5）支持ODBC（開發(fā)數(shù)據(jù)庫互連，Open Data Base Connectivity）。

　　3 基于LabVIEW的光伏電源監(jiān)控系統(tǒng)

　　3.1 功能需求

　　目的是在上位機(jī)實現(xiàn)系統(tǒng)的各種監(jiān)控功能。從現(xiàn)場傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)上位機(jī)分析整理后，一方面以圖表等形式實時顯示，供工作人員查看；另一方面保存到數(shù)據(jù)庫中，作為歷史記錄，便于以后查詢調(diào)用。上位機(jī)監(jiān)控具有"可見即可得"的操作界面，并且集成了報警處理、用戶權(quán)限管理等在工業(yè)中非常實用的功能模塊。

　　3.2 現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　3.2.1 現(xiàn)場監(jiān)控界面設(shè)計

　　現(xiàn)場監(jiān)控界面是為用戶隨時觀察現(xiàn)場工作情況和采集歷史數(shù)據(jù)所設(shè)計的，因此該界面上包括運行狀態(tài)查詢、系統(tǒng)電量查詢與電池儲能查詢、發(fā)電時間統(tǒng)計和日志以及趨勢圖，用戶可以根據(jù)自己的需要點擊相應(yīng)的模塊進(jìn)入相應(yīng)界面，設(shè)置部分界面如圖2、3所示。

圖2 運行狀態(tài)查詢

圖3 設(shè)置界面

　3.2.2 現(xiàn)場監(jiān)控程序設(shè)計

　　為了適應(yīng)用戶操作，程序部分采用了LabVIEW中的幾種比較典型的結(jié)構(gòu)--循環(huán)結(jié)構(gòu)、事件結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)。該現(xiàn)場監(jiān)控的程序由以下幾部分組成：

　　倒推日期模塊、獲取當(dāng)前系統(tǒng)時間模塊、超時模塊、設(shè)置模塊、提取系統(tǒng)電量模塊、提取電池儲能模塊、導(dǎo)入歷史數(shù)據(jù)模塊。

　　3.3 后臺監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　3.3.1 后臺監(jiān)控界面設(shè)計

　　后臺監(jiān)控的功能是用戶通過該后臺對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。由于后臺監(jiān)控和現(xiàn)場監(jiān)控的功能存在差異，因此在界面設(shè)計的側(cè)重點上有所差異，該后臺監(jiān)控界面主要包括以下功能：查詢當(dāng)前系統(tǒng)運行狀態(tài)；查詢系統(tǒng)的發(fā)電量和用電量（表格和直方圖形式顯示）；查詢電池的充電量和放電量（表格和直方圖形式顯示）；查詢發(fā)電時間統(tǒng)計；查詢故障數(shù)據(jù)（欠壓、過載、過熱、過壓、控制啟動、電池過放、電池過充、負(fù)載過壓、負(fù)載過載、負(fù)載端路、預(yù)警啟動）；查詢歷史數(shù)據(jù)（發(fā)電量、用電量、充電量、放電量）、日志（控制啟動、電池過放、電池過充、負(fù)載過壓、負(fù)載過載、負(fù)載端路、預(yù)警啟動、輸出最高、輸出最低、最近3月內(nèi)各月最大日放電量）、參數(shù)設(shè)置（密碼可以修改），設(shè)置部分界面如圖4、5所示。

圖4 參數(shù)初始化

圖5 發(fā)電時間統(tǒng)計[!--empirenews.page--]3.3.2 后臺監(jiān)控程序設(shè)計

　　現(xiàn)場監(jiān)控采用的是485通訊，而后臺則是采用GSM無線傳輸模塊，因此在設(shè)計后臺監(jiān)控程序時就必須采用一種適合GSM通訊的機(jī)制。因此在后臺監(jiān)控中，報警接收是程序運行的默認(rèn)狀態(tài)，當(dāng)用戶進(jìn)行操作或系統(tǒng)的判斷為真時才執(zhí)行操作，這樣就大大減少數(shù)據(jù)量的傳輸，降低程序的運行成本。當(dāng)然二者都運用了事件結(jié)構(gòu)作為主結(jié)構(gòu)，這是用戶操作觸發(fā)程序運行比較理想的函數(shù)結(jié)構(gòu)。

　　為了實現(xiàn)這一功能，在后臺監(jiān)控程序設(shè)計中包含了以下模塊：參量初始化、GSM模塊初始化、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、手機(jī)號發(fā)送模塊、通知器模塊、超時模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、設(shè)置模塊、日志模塊、查看統(tǒng)計模塊等。

　　4 實測結(jié)果與結(jié)論

　　4.1 實測結(jié)果

　　本光伏電源監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)研制完成并經(jīng)長期運行，效果良好，驗證了設(shè)計的正確性。部分實測結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 趨勢圖

圖7 電量直方圖顯示

　　5 結(jié)論

　　本文基于LabVIEW設(shè)計了一套光伏電源監(jiān)控系統(tǒng)，對現(xiàn)場設(shè)備的各項運行狀態(tài)、各電路參數(shù)、已經(jīng)運行時間進(jìn)行詳細(xì)的檢測記錄，并通過PC機(jī)的界面實時顯示出來，通過Access數(shù)據(jù)庫對歷史數(shù)據(jù)做好存儲，在實際調(diào)試中也獲得了良好的效果。在新能源技術(shù)快速發(fā)展的環(huán)境下，這種實時監(jiān)控系統(tǒng)將會有更廣闊的應(yīng)用前景，也會在很大程度上促進(jìn)國內(nèi)新能源監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)一步研究，對于綠色環(huán)?？稍偕履茉搭I(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有很重要的的意義。