使用LabVIEW軟件和NIPXI硬件為并網(wǎng)光伏（PV）設(shè)備快速開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

挑戰(zhàn)：以低的成本在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建一個(gè)自定義的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠使用多種測(cè)量設(shè)備評(píng)估并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的性能和特性。

解決方案：使用開(kāi)放式的NILabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和專(zhuān)用接口軟件，將多個(gè)測(cè)量設(shè)備的輸出通過(guò)串行接口輸入到PXI系統(tǒng)，同時(shí)使用現(xiàn)成的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）函數(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C，提供不同測(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。

“整套設(shè)備的核心是NIPXI-8184實(shí)時(shí)控制器，它提供了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、有著極高的系統(tǒng)可靠性、緊湊性、堅(jiān)固性和方便的可配置性?！?/p>

2007年，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(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，新加坡政府和經(jīng)濟(jì)發(fā)展局下屬的清潔能源研究與實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（CERT）制定了多項(xiàng)措施。為此，我們開(kāi)設(shè)了含有五種不同光伏面板的太陽(yáng)能科技中心，功率總計(jì)達(dá)14.2kW。中心用于展示不同的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，并作為研究熱帶氣候條件下不同光伏模塊長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的性能和特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中心。

為了研究這些光伏模塊的性能和特性，我們請(qǐng)來(lái)自電子工程部門(mén)的一支團(tuán)隊(duì)，以低成本在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建能夠測(cè)量待測(cè)光伏陣列不同參數(shù)和實(shí)際氣候條件的自定義實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

團(tuán)隊(duì)使用LabVIEW軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因?yàn)樗峁┝碎_(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)、多功能性以及獨(dú)創(chuàng)的圖形用戶界面。軟件允許他們快速開(kāi)發(fā)非標(biāo)準(zhǔn)的Modbus串行通信協(xié)議，它是將多個(gè)測(cè)量設(shè)備輸出傳送到PXI實(shí)時(shí)控制器系統(tǒng)的關(guān)鍵接口。之后，使用UDP通信函數(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C用于實(shí)時(shí)顯示、分析和存儲(chǔ)。

光伏系統(tǒng)測(cè)量?jī)x器

整套設(shè)備的核心是NIPXI-8184實(shí)時(shí)控制器，它提供了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、有著極高的系統(tǒng)可靠性、緊湊性、堅(jiān)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。PV測(cè)量與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1：PV測(cè)量與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

開(kāi)發(fā)Modbus串行通信功能

天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由七個(gè)測(cè)量參數(shù)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量參數(shù)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(jì)采集。此外，總共有22個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)是從測(cè)量?jī)x器和五個(gè)電子功率計(jì)采集的，總計(jì)23個(gè)測(cè)量值。為了能夠處理多種測(cè)量數(shù)據(jù)，并且最小化設(shè)備和PXI控制器之間的連線，我們使用串行接口。

團(tuán)隊(duì)使用Modbus遠(yuǎn)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(shè)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(shù)據(jù)，從而提高了吞吐量。但是，每個(gè)Modubs設(shè)備制造商都用不同的函數(shù)代碼、數(shù)據(jù)格式和循環(huán)冗余驗(yàn)證（CRC）代碼實(shí)現(xiàn)這個(gè)協(xié)議。因此，開(kāi)發(fā)Modbus驅(qū)動(dòng)程序從而允許用戶根據(jù)不同制造商的要求修改協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是必要的。

由于LabVIEW提供了虛擬儀器軟件架構(gòu)（VISA）串行函數(shù)，因此設(shè)計(jì)程序在這些設(shè)備之間進(jìn)行通信是簡(jiǎn)單的。此外，由于提供了數(shù)據(jù)操作函數(shù)，例如分割數(shù)字、帶進(jìn)位右移、交換字節(jié)、類(lèi)型轉(zhuǎn)換等，我們可以方便地使用對(duì)應(yīng)的函數(shù)代碼、數(shù)據(jù)格式和CRC錯(cuò)誤驗(yàn)證算法實(shí)現(xiàn)Modbus消息結(jié)構(gòu)。這樣我們開(kāi)發(fā)并測(cè)試了ModbusRTU接口程序，并且能夠?yàn)椴煌圃焐痰脑O(shè)備工作。

從PXI實(shí)時(shí)控制器到PC的數(shù)據(jù)傳送

團(tuán)隊(duì)使用LabVIEW中的UDP函數(shù)將采集到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送，但是在這個(gè)系統(tǒng)中，這并不會(huì)造成什么影響，因?yàn)樵撓到y(tǒng)只需要將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點(diǎn)，也不會(huì)導(dǎo)致任何問(wèn)題。