基于LabVIEW的光伏电源监控系统设计 - 全文

 引言

　　光伏发电技术是世界新能源的发展趋势之一，它要求更讲究系统效率、更可靠、也更经济。传统意义上的监控一般建立在近距离条件下，即近距离监控，这种方式要求配备一定的维护人员进行，花费大量的人力、物力和财力，而且随着电站规模的扩大，已经越来越不能适应现代化经济的发展，因此，一种成本低、低功耗、界面简单容易操作、具有配置通用性、方便实用的光伏电源监控系统势在必行。而这种实时监控系统的广泛应用，也会在很大程度上促进国内新能源技术的进一步研究，对于能源及相关工业的发展具有非常重要的意义。

　　本文在研究虚拟仪器及相关通讯技术的基础上，运用LabView对光伏电源监控界面的研发，最终形成一种基于LabVIEW的多功能监控界面设计方案。此监控界面有处理数据类型多、存储数据量大、界面具备人性化等特点。

　　1 光伏电源监控系统

　　光伏电源监控系统可分为以下模块：光伏电源数据采集与控制（DSP28035 ） 、数据处理（ MCUSTC12LE5A60S2）、TFT触摸屏液晶显示、现场监控（PC机）、无线通讯（GSM TC35）、后台监控（PC机）。光伏电源监控系统如图1所示。

图1 光伏电源监控系统框图

　　各模块的作用如下：

　　光伏电源数据采集与控制模块：通过霍尔传感器实现对电压、电流的测量，利用DSP28035强大的数据处理功能，先实现A/D转换，然后将所得的量进行处理，对光伏电源系统输出进行控制，同时通过SPI将数据传输给MCU STC12LE5A60S2.

　　数据处理模块：MCU将DSP传输过来的数据进行分类、计算、存储和数据传输。该模块将所需存储的数据存储在Flash里，并作为DSP与上位机的中间桥梁，通过串口、485和GSM实现TFT显示、现场监控和后台监控。

　　TFT触摸屏模块：该模块通过232与单片机通讯，实现数据的实时显示和对参数的设置。

　　现场监控模块：该模块可实现现场数据的实时显示，同时可以采集60天单片机存储的数据，以便用户进行数据处理和观察设备的运行情况，另外用户可以实现现场的参数设置。

　　无线通讯模块：该模块主要实现数据的远程无线传输，将数据传送给后台。

　　后台监控模块：该模块为设计的主要部分，GSM传输来的数据通过串口给PC机。该后台监控可以实现实时数据监控、历史数据存储、参数设置、数据显示、报警等功能。

　　2 相关监控系统使用软件

　　2.1 LabVIEW

　　LabVIEW是一种用图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言。被工业界、学术界和研究实验室所广泛接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

　　LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

　　LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

　　利用LabVIEW,可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。

　2.2 GSM

　　GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。因此，GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。

　　简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机。

　　本设计采用的是Siemeils公司的TC35,该模块是Siemeils公司推出的新一代无线通信GSM模块。自带RS232通讯接口，可以方便地与PC机、单片机连机通讯。

　　可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真。

　　2.3 Access 2003

　　Access 2003是微软公司Microsoft Office 2003产品组件之一，是一个功能强大的数据库管理工具，是在Windows 2000或Windows XP环境下运行的一种关系数据库管理系统。其交互性很好，用户不用编程就能够创建整个数据库，其中还包含用于开发高级数据库的程序设计语言Access Basic.其主要特点如下：1）存储方式多样；2）面向对象；3）界面友好、易操作；4）集成环境、处理多种数据信息；5）支持ODBC（开发数据库互连，Open Data Base Connectivity）。

　　3 基于LabVIEW的光伏电源监控系统

　　3.1 功能需求

　　目的是在上位机实现系统的各种监控功能。从现场传来的数据，经上位机分析整理后，一方面以图表等形式实时显示，供工作人员查看；另一方面保存到数据库中，作为历史记录，便于以后查询调用。上位机监控具有"可见即可得"的操作界面，并且集成了报警处理、用户权限管理等在工业中非常实用的功能模块。

　　3.2 现场监控系统设计

　　3.2.1 现场监控界面设计

　　现场监控界面是为用户随时观察现场工作情况和采集历史数据所设计的，因此该界面上包括运行状态查询、系统电量查询与电池储能查询、发电时间统计和日志以及趋势图，用户可以根据自己的需要点击相应的模块进入相应界面，设置部分界面如图2、3所示。

图2 运行状态查询

图3 设置界面

　3.2.2 现场监控程序设计

　　为了适应用户操作，程序部分采用了LabVIEW中的几种比较典型的结构--循环结构、事件结构、顺序结构、条件结构。该现场监控的程序由以下几部分组成：

　　倒推日期模块、获取当前系统时间模块、超时模块、设置模块、提取系统电量模块、提取电池储能模块、导入历史数据模块。

　　3.3 后台监控系统设计

　　3.3.1 后台监控界面设计

　　后台监控的功能是用户通过该后台对现场设备进行远程监视和控制。由于后台监控和现场监控的功能存在差异，因此在界面设计的侧重点上有所差异，该后台监控界面主要包括以下功能：查询当前系统运行状态；查询系统的发电量和用电量（表格和直方图形式显示）；查询电池的充电量和放电量（表格和直方图形式显示）；查询发电时间统计；查询故障数据（欠压、过载、过热、过压、控制启动、电池过放、电池过充、负载过压、负载过载、负载端路、预警启动）；查询历史数据（发电量、用电量、充电量、放电量）、日志（控制启动、电池过放、电池过充、负载过压、负载过载、负载端路、预警启动、输出最高、输出最低、最近3月内各月最大日放电量）、参数设置（密码可以修改），设置部分界面如图4、5所示。

图4 参数初始化

图5 发电时间统计

　3.3.2 后台监控程序设计

　　现场监控采用的是485通讯，而后台则是采用GSM无线传输模块，因此在设计后台监控程序时就必须采用一种适合GSM通讯的机制。因此在后台监控中，报警接收是程序运行的默认状态，当用户进行操作或系统的判断为真时才执行操作，这样就大大减少数据量的传输，降低程序的运行成本。当然二者都运用了事件结构作为主结构，这是用户操作触发程序运行比较理想的函数结构。

　　为了实现这一功能，在后台监控程序设计中包含了以下模块：参量初始化、GSM模块初始化、创建数据库、手机号发送模块、通知器模块、超时模块、数据接收模块、设置模块、日志模块、查看统计模块等。

　　4 实测结果与结论

　　4.1 实测结果

　　本光伏电源监控系统已经研制完成并经长期运行，效果良好，验证了设计的正确性。部分实测结果如图6、7所示。

图6 趋势图

图7 电量直方图显示

　　5 结论

　　本文基于LabVIEW设计了一套光伏电源监控系统，对现场设备的各项运行状态、各电路参数、已经运行时间进行详细的检测记录，并通过PC机的界面实时显示出来，通过Access数据库对历史数据做好存储，在实际调试中也获得了良好的效果。在新能源技术快速发展的环境下，这种实时监控系统将会有更广阔的应用前景，也会在很大程度上促进国内新能源监控技术的进一步研究，对于绿色环保可再生新能源领域的相关产业化发展具有很重要的的意义。