2019年10月17日 | 基于LabVIEW的光伏发电远程电能监控系统设计

现如今，全世界发电中，还是以常规发电为主，常规发电有火力发电、水力发电、核能发电3种。其中，又以火力发电为主，但是火力发电会伴随着巨量不可再生的化石燃料的大规模燃烧。随着煤、石油和天然气等常规能源的消耗引起的环境污染以及大量的CO2也随之排放导致的温室效应、全球海平面上升和全球气候反常变化等环境问题，化石能源的储量有限，在不久的将来终将枯竭，因此，无论是从人类自身生存环境来看还是从能源消耗方面来看，都迫使我们寻找可再生能源替代现在的常规能源。

近年来太阳能光伏发电系统越来越受到各个国家的重视，我国公布的相关规划提出，2015年分布式光伏发电要达到1000万千瓦，同时，明确提出鼓励在中东部地区建设与建

筑结合的分布式光伏发电系统。因此，分布式光伏发电是未来的重要发展方向。可以预见，在不远的将来，一次能源以太阳能为主、终端能源以电力为主的能源格局将变成现实本项目设计的“基于LabVIEW的光伏发电远程电能监控系统设计”可实现随时随地通过网络访问该系统完成对系统电能的监控。

1 系统的整体设计

太阳能光伏发电系统(PV系统)的应用主要分为地面应用和空间应用两部分;在未来太阳能光伏发电系统主要以陆地应用为主，目前，光伏发电系统的结构主要有3种形式：无蓄电池有逆流发电系统、无蓄电池无逆流发电系统、有蓄电池无逆流发电系统。所谓的逆流是指剩余电能向电网倒送的现象。本文提出一种直流母线式的有蓄电池有逆流供电系统，主要工作是建立一个光伏发电的远程电能监控系统，具体来说：利用智能电表或者相应的电能传感器将分布式发电装置产生的电能的有关信息(电压、电流、电能量、有功功率、无功功率、功率因素等)采集起来，采用MOD—BUS—RTU协议，通过485通讯或者电力载波技术送至本地客户端，在本地客户端上运行着整个系统的控制显示界面，实时监察终端状况，并且及时关注市场及电网信息动态，当用户需要将多余的电能卖给电网公司时，发送一个变压器并网控制命令，该命令通过XBee无线模块将指令传输至变压器测的驱动控制电路，驱动控制电路以AVR单片机为控制器，接受上位机命令并进行指令下达，从而实现光伏发电的并网控制，同时若用户自己生产的电能不能满足自身需求时还可以从电网上进行购买，此时上位机根据所需求的电能值及相关信息通过无线模块向单片机发送相关指令，进而控制变压器与电网联通进行电能输入，并通过远程发布可实现在任意时间、任意地点的电能监控，系统的整体结构如图1所示。

基于以上分析可以看出整个系统包含供电模块、储能模块、负载模块和控制模块4个部分。其中，供电模块包含光伏发电电池和电网;储能模块是蓄电池;负载又包括直流负载和交流负载;控制模块又包含对蓄电池的控制、对逆变器的控制和对配电箱内的控制。本文侧重于控制模块的设计，其主要包含硬件设计和软件设计两部分，下面将针对硬件和软件两部分设计做分别说明。

2 系统的硬件设计

该系统在硬件方面要完成电压、电流、电能量、有功功率、无功功率、功率因素等电能信号的采集与传输：XBee无线传输模块的设计;现场驱动控制模块设计等。

系统中涉及到的电能信号主要有：电压、电流、电能量、有功功率、无功功率、功率因素等，对整个系统来说，前端的计量采集设备是数据采集的第一单元，是最底层的数据采集终端，也是整个系统的前端设备，本系统选用数字式电能表，具体选取的电能表是丹东伊诺特电气有限公司生产的型号为PD1150—E一3J的智能单相电能表，该系列电能表采用先进的电能计量芯片，结合机械式计度器的优点设计而成;产品具有精度高，可靠性强，寿命长，体积小等优点，是一种具有可编程测量、显示、数字通讯和电能脉冲、变送输出等功能的多功能电力仪表，能够完成电量测量、电能计量、数据显示、采集及传输，采用网络型连接方式将3个电能表连在一起，并通过USB转RS485/RS232转换器连接至上位机。

系统上位机发出的各种控制指令都是通过XBee无线模块传输至现场各个单元的。因此，首先需要建立XBee无线网络，我们选取MaxStream公司的XBee-PRO OEM RF模块，利用我们为XBee打造的无线扩展板就可以很方便地将XBee模块连接到Arduino上，这样Arduino板可以方便的利用无线模块进行通讯。过板子上的选择开关可以配置无线模块的通讯方式，可以选择通过USB/串口转换器与上位机通讯，或者直接与Arduino(单片机)通讯。

上位机的一些控制指令，比如并网控制指令、电池充放电指令、配电箱内切换指令等通过XBee无线传输模块传输至单片机控制模块后，单片机在根据上位机的指令给各个现

场单元发出对应的命令信号。本设计选用AVR单片机系列中的ATmega8单片机，它继承了AT90所具有的一些特点，而且在AT90的基础上，增加了更多的接口功能，而且性能更稳定，省电、灵活性强、抗干扰性高。ATmega8在片内集成了容量比较大的数据存储器、非易失性程序和工作存储器，是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于RISC结构的8位单片机，除此之外，需要注意的的是该系列单片机的Flash存储器在空间上分成了两段：应用程序段和引导程序段，对于应用程序段内程序的更新可以通过对驻留在引导程序段内的引导程序使用SPM指令实现。这样通过串行在线编程方法或者并行编程(用编程器写入)的方法可以将程序写到应用程序段。其控制原理图如图2所示。

3 系统的软件设计

3.1 单片机控制程序设计

单片机程序设计采用了一种新的编程软件Arduino，这是一种可以使计算机测量和控制更多物理设备的一个开发平台，是一个编写软件代码的开发环境。它的编程语言是一种“线实现”，类似一种基于处理多媒体编程环境的物理计算平台，它可以运行在诸如Windows、Linux、Mac OS等一些操作系统下，它的编程环境简单、清晰，对新手来说很容易使用，最重要的是它的源代码是开放的，有一些C++库或者源代码直接就可以使用，编写的程序很容易读懂。图3是单片机控制的程序流程图。

3.2 上位机与单片机的XBee通信程序设计

实际上配置完成后的XBee无线模块在功能上就等效为一根“串口线”，这根串口线中间是无线连接，两端是对应的串口端子，一端接在单片机控制模块上，另一端接在了上位机串口处。因此，我们可以利用LabVIEW编写一个串口读写程序来实现上位机与现场单片机控制端的通信，如图4所示。

3.3 远程发布

用户若想实现远程登录访问、操作需有一个链接，而这个链接是通过本地LabVIEW程序WEB发布实现的，客户端对远程前面的访问可以使用不同的方法。如在网页上浏览HTML文件;在网页上浏览程序前面板，通过开启LabVIEW的Web服务器，可以在网页上发布LabVIEW程序，使本地或远程的客户端计算机可以实时浏览或控制Web服务器中的远程面板，实现生产环境的远程控制。使用LabVIEW的Web发布工具：Tools/Options，在弹出的对话框中完成与Web服务器有关的设置和LabVIEW程序的发布分别设置Web服务器：配置;Web服务器：可见VI;Web服务器：浏览器访问。通过Tools/Web Publishing Tools对话框，可以将Web内存中的程序，以网页的形式发布，在客户端进行浏览，本系统采用在网页上浏览程序前面板的方式实现远程监控。

4 系统测试结果

在系统构建完成并且远程发布实现之后，用户在远程客户端浏览器的地址栏中输入对应的网址后回车，即可进入远程前面板的系统登录界面，在空白处单击，会出现一个对话框，选择“请求VI控制权”，申请成功后，系统的各种操作权限都交给了远程客户端，用户点击运行，在输入正确的用户名和密码之后，页面会自动转入整个系统的监控界面，用户首先根据要求配置参数(主要是485通讯串口参数和XBee无线通讯参数)，当用户电能不足需要从电网买入电能时，发送并网指令此时上位机会显示控制指令状态，图5是整个系统的控制主界面前面板。

5 结论

该远程监控系统用智能单相电能表作为电能信号采集终端，通过485总线实现信号传输;以基于XBee的无线传输模块，实现各种控制指令在上位机和现场单片机控制单元之间的传输;上位机以基于LabVIEW的开发系统为平台，利用LabVIEW自带的工具包或函数模块完成了数据通讯功能，编写整个系统的电能监控界面，并利用自带的WEB发布技术，将系统进行了远程发布，实现了用户的远程访问和监控。整个系统结构简单、设置灵活、可靠性高、运行稳定，对电能监控方面的案例有很好的借鉴意义。