基于LabVIEW的光伏發(fā)電遠程電能監(jiān)控系統(tǒng)設計

 現(xiàn)如今，全世界發(fā)電中，還是以常規(guī)發(fā)電為主，常規(guī)發(fā)電有火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電3種。其中，又以火力發(fā)電為主，但是火力發(fā)電會伴隨著巨量不可再生的化石燃料的大規(guī)模燃燒。隨著煤、石油和天然氣等常規(guī)能源的消耗引起的環(huán)境污染以及大量的CO2也隨之排放導致的溫室效應、全球海平面上升和全球氣候反常變化等環(huán)境問題，化石能源的儲量有限，在不久的將來終將枯竭，因此，無論是從人類自身生存環(huán)境來看還是從能源消耗方面來看，都迫使我們尋找可再生能源替代現(xiàn)在的常規(guī)能源。

近年來太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)越來越受到各個國家的重視，我國公布的相關規(guī)劃提出，2015年分布式光伏發(fā)電要達到1000萬千瓦，同時，明確提出鼓勵在中東部地區(qū)建設與建

筑結合的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。因此，分布式光伏發(fā)電是未來的重要發(fā)展方向。可以預見，在不遠的將來，一次能源以太陽能為主、終端能源以電力為主的能源格局將變成現(xiàn)實本項目設計的“基于LabVIEW的光伏發(fā)電遠程電能監(jiān)控系統(tǒng)設計”可實現(xiàn)隨時隨地通過網(wǎng)絡訪問該系統(tǒng)完成對系統(tǒng)電能的監(jiān)控。

1 系統(tǒng)的整體設計

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(PV系統(tǒng))的應用主要分為地面應用和空間應用兩部分;在未來太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要以陸地應用為主，目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構主要有3種形式：無蓄電池有逆流發(fā)電系統(tǒng)、無蓄電池無逆流發(fā)電系統(tǒng)、有蓄電池無逆流發(fā)電系統(tǒng)。所謂的逆流是指剩余電能向電網(wǎng)倒送的現(xiàn)象。本文提出一種直流母線式的有蓄電池有逆流供電系統(tǒng)，主要工作是建立一個光伏發(fā)電的遠程電能監(jiān)控系統(tǒng)，具體來說：利用智能電表或者相應的電能傳感器將分布式發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能的有關信息(電壓、電流、電能量、有功功率、無功功率、功率因素等)采集起來，采用MOD—BUS—RTU協(xié)議，通過485通訊或者電力載波技術送至本地客戶端，在本地客戶端上運行著整個系統(tǒng)的控制顯示界面，實時監(jiān)察終端狀況，并且及時關注市場及電網(wǎng)信息動態(tài)，當用戶需要將多余的電能賣給電網(wǎng)公司時，發(fā)送一個變壓器并網(wǎng)控制命令，該命令通過XBee無線模塊將指令傳輸至變壓器測的驅

動控制電路，驅動控制電路以AVR單片機為控制器，接受上位機命令并進行指令下達，從而實現(xiàn)光伏發(fā)電的并網(wǎng)控制，同時若用戶自己生產(chǎn)的電能不能滿足自身需求時還可以從電網(wǎng)上進行購買，此時上位機根據(jù)所需求的電能值及相關信息通過無線模塊向單片機發(fā)送相關指令，進而控制變壓器與電網(wǎng)聯(lián)通進行電能輸入，并通過遠程發(fā)布可實現(xiàn)在任意時間、任意地點的電能監(jiān)控，系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

基于以上分析可以看出整個系統(tǒng)包含供電模塊、儲能模塊、負載模塊和控制模塊4個部分。其中，供電模塊包含光伏發(fā)電電池和電網(wǎng);儲能模塊是蓄電池;負載又包括直流負載和交流負載;控制模塊又包含對蓄電池的控制、對逆變器的控制和對配電箱內的控制。本文側重于控制模塊的設計，其主要包含硬件設計和軟件設計兩部分，下面將針對硬件和軟件兩部分設計做分別說明。

2 系統(tǒng)的硬件設計

該系統(tǒng)在硬件方面要完成電壓、電流、電能量、有功功率、無功功率、功率因素等電能信號的采集與傳輸：XBee無線傳輸模塊的設計;現(xiàn)場驅動控制模塊設計等。

系統(tǒng)中涉及到的電能信號主要有：電壓、電流、電能量、有功功率、無功功率、功率因素等，對整個系統(tǒng)來說，前端的計量采集設備是數(shù)據(jù)采集的第一單元，是最底層的數(shù)據(jù)采集終端，也是整個系統(tǒng)的前端設備，本系統(tǒng)選用數(shù)字式電能表，具體選取的電能表是丹東伊諾特電氣有限公司生產(chǎn)的型號為PD1150—E一3J的智能單相電能表，該系列電能表采用先進的電能計量芯片，結合機械式計度器的優(yōu)點設計而成;產(chǎn)品具有精度高，可靠性強，壽命長，體積小等優(yōu)點，是一種具有可編程測量、顯示、數(shù)字通訊和電能脈沖、變送輸出等功能的多功能電力儀表，能夠完成電量測量、電能計量、數(shù)據(jù)顯示、采集及傳輸，采用網(wǎng)絡型連接方式將3個電能表連在一起，并通過USB轉RS485/RS232轉換器連接至上位機。

系統(tǒng)上位機發(fā)出的各種控制指令都是通過XBee無線模塊傳輸至現(xiàn)場各個單元的。因此，首先需要建立XBee無線網(wǎng)絡，我們選取MaxStream公司的XBee-PRO OEM RF模塊，利用我們?yōu)閄Bee打造的無線擴展板就可以很方便地將XBee模塊連接到Arduino上，這樣Arduino板可以方便的利用無線模塊進行通訊。過板子上的選擇開關可以配置無線模塊的通訊方式，可以選擇通過USB/串口轉換器與上位機通訊，或者直接與Arduino(單片機)通訊。

上位機的一些控制指令，比如并網(wǎng)控制指令、電池充放電指令、配電箱內切換指令等通過XBee無線傳輸模塊傳輸至單片機控制模塊后，單片機在根據(jù)上位機的指令給各個現(xiàn)

場單元發(fā)出對應的命令信號。本設計選用AVR單片機系列中的ATmega8單片機，它繼承了AT90所具有的一些特點，而且在AT90的基礎上，增加了更多的接口功能，而且性能更穩(wěn)定，省電、靈活性強、抗干擾性高。ATmega8在片內集成了容量比較大的數(shù)據(jù)存儲器、非易失性程序和工作存儲器，是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于RISC結構的8位單片機，除此之外，需要注意的的是該系列單片機的Flash存儲器在空間上分成了兩段：應用程序段和引導程序段，對于應用程序段內程序的更新可以通過對駐留在引導程序段內的引導程序使用SPM指令實現(xiàn)。這樣通過串行在線編程方法或者并行編程(用編程器寫入)的方法可以將程序寫到應用程序段。其控制原理圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 單片機控制程序設計

單片機程序設計采用了一種新的編程軟件Arduino，這是一種可以使計算機測量和控制更多物理設備的一個開發(fā)平臺，是一個編寫軟件代碼的開發(fā)環(huán)境。它的編程語言是一種“線實現(xiàn)”，類似一種基于處理多媒體編程環(huán)境的物理計算平臺，它可以運行在諸如Windows、Linux、Mac OS等一些操作系統(tǒng)下，它的編程環(huán)境簡單、清晰，對新手來說很容易使用，最重要的是它的源代碼是開放的，有一些C++庫或者源代碼直接就可以使用，編寫的程序很容易讀懂。圖3是單片機控制的程序流程圖。

3.2 上位機與單片機的XBee通信程序設計

實際上配置完成后的XBee無線模塊在功能上就等效為一根“串口線”，這根串口線中間是無線連接，兩端是對應的串口端子，一端接在單片機控制模塊上，另一端接在了上位機串口處。因此，我們可以利用LabVIEW編寫一個串口讀寫程序來實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場單片機控制端的通信，如圖4所示。

3.3 遠程發(fā)布

用戶若想實現(xiàn)遠程登錄訪問、操作需有一個鏈接，而這個鏈接是通過本地LabVIEW程序WEB發(fā)布實現(xiàn)的，客戶端對遠程前面的訪問可以使用不同的方法。如在網(wǎng)頁上瀏覽HTML文件;在網(wǎng)頁上瀏覽程序前面板，通過開啟LabVIEW的Web服務器，可以在網(wǎng)頁上發(fā)布LabVIEW程序，使本地或遠程的客戶端計算機可以實時瀏覽或控制Web服務器中的遠程面板，實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境的遠程控制。使用LabVIEW的Web發(fā)布工具：Tools/Options，在彈出的對話框中完成與Web服務器有關的設置和LabVIEW程序的發(fā)布分別設置Web服務器：配置;Web服務器：可見VI;Web服務器：瀏覽器訪問。通過Tools/Web Publishing Tools對話框，可以將Web內存中的程序，以網(wǎng)頁的形式發(fā)布，在客戶端進行瀏覽，本系統(tǒng)采用在網(wǎng)頁上瀏覽程序前面板的方式實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

4 系統(tǒng)測試結果

在系統(tǒng)構建完成并且遠程發(fā)布實現(xiàn)之后，用戶在遠程客戶端瀏覽器的地址欄中輸入對應的網(wǎng)址后回車，即可進入遠程前面板的系統(tǒng)登錄界面，在空白處單擊，會出現(xiàn)一個對話框，選擇“請求VI控制權”，申請成功后，系統(tǒng)的各種操作權限都交給了遠程客戶端，用戶點擊運行，在輸入正確的用戶名和密碼之后，頁面會自動轉入整個系統(tǒng)的監(jiān)控界面，用戶首先根據(jù)要求配置參數(shù)(主要是485通訊串口參數(shù)和XBee無線通訊參數(shù))，當用戶電能不足需要從電網(wǎng)買入電能時，發(fā)送并網(wǎng)指令此時上位機會顯示控制指令狀態(tài)，圖5是整個系統(tǒng)的控制主界面前面板。

5 結論

該遠程監(jiān)控系統(tǒng)用智能單相電能表作為電能信號采集終端，通過485總線實現(xiàn)信號傳輸;以基于XBee的無線傳輸模塊，實現(xiàn)各種控制指令在上位機和現(xiàn)場單片機控制單元之間的傳輸;上位機以基于LabVIEW的開發(fā)系統(tǒng)為平臺，利用LabVIEW自帶的工具包或函數(shù)模塊完成了數(shù)據(jù)通訊功能，編寫整個系統(tǒng)的電能監(jiān)控界面，并利用自帶的WEB發(fā)布技術，將系統(tǒng)進行了遠程發(fā)布，實現(xiàn)了用戶的遠程訪問和監(jiān)控。整個系統(tǒng)結構簡單、設置靈活、可靠性高、運行穩(wěn)定，對電能監(jiān)控方面的案例有很好的借鑒意義。