基于NB-IoT的光伏电站监测系统

李 琴，潘三博

(上海电机学院电气学院，上海 201306)

0 引言

太阳能因具有成本低、可再生、开发利用简单的优点而得到迅速发展，其中并网发电是其主要利用方式。光伏电站大部分都坐落在偏远地区，地势复杂，气候多变，因此监测系统必不可少[1]。现有的光伏电站监测系统的监测数据类型大都是固定的，不能根据用户的需求设定，具有一定的局限性。为了方便工作人员依据需求远程实时监测光伏发电站的运行状况，基于Tlink平台开发一套用户可自主设计的光伏发电监测系统尤为重要。

文献[2]对霍尔电流传感器进行了改进，使其能通过LoRa通信技术将数据上传至计算机，但该系统只能监测电流的变化。文献[3]介绍了一种基于NB-IoT的光伏阵列运行参数监测系统，监测数据为直流电压电流、光伏组件表面温度及光照强度，用户不能选择监测的数据，造成监测范围不够全面，不能观察到整个系统的运行情况。此外LoRa采用433/868 MHz免费频段进行传输，需另外建设基站且危险性高。NB-IoT已被3GPP授权，传输网络安全可靠，无需额外搭建基站。而且NB-IoT待机时间可达10 a，覆盖面积大且能满足海量用户信息获取需求，现已应用在智能电网、车联网、智能农业等领域[4]。光伏电站具有分布广、数量多的特点，故选用NB-IoT(narrowband internet of things)作为通信技术。本文提出了基于NB-IoT的光伏电站监测系统，该系统能自主选择监测数据并能实时监控光伏电站,减小事故发生的可能性，减轻运维压力，提高发电效率。

1 系统总体设计方案

光伏逆变器是太阳能发电系统中的核心设备，通过监测逆变器就能了解到整个系统的运行状况，光伏系统框图如图1所示。逆变器本身就含有MCU能实时测得PV侧及电网侧各相的电流、电压、功率等数据，且能详细监测出系统的故障原因，如母线欠压、电网欠频、继电器故障等，相对于传统的超限警报，能更加细致找出故障原因，便于运维人员及时解决问题。因此，选取逆变器作为监测点。监测数据可以根据用户需求选取，使用户能合理利用数据并能更加全面监测系统，且能避免多余的数据传输浪费流量。

图1 光伏系统框图

基于NB-IoT的光伏电站监测系统框图如图2所示，其结构由感知层、通讯传输层、应用层构成。NB-IoT终端直接连接逆变器采集逆变器两侧的电压、电流等信号，NB-IoT终端构成感知层。通过通讯传输层的基站和NB-IoT平台接收采集的数据，将数据打包后发送给应用层。应用层中的服务器接收到NB-IoT平台推送的数据后，对数据进行处理并保存到数据库。用户可以通过电脑、手机端实时查看光伏电站的运行状况。

图2 系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 主控制器电路设计

系统的硬件结构图如图3所示，主要包括电源电路、NB-IoT模块、STM32单片机、时钟电路及复位电路。电源电路负责给STM32单片机和NB-IoT模块提供3.3 V电压，逆变器与STM32单片机通信完成基本数据的采集，NB-IoT模块负责与云平台交互完成数据的上传。

图3 系统硬件结构图

STM32F103C8T6采用ARM 32位的Cortex-M3内核，工作频率最高可达到72 MHz，闪存为64 KB[5]，其效率高、耗能低，所以选用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片。

2.2 数据采集模块硬件设计

STM32单片机的串口与逆变器的通信接口经过MAX232电平转换后连接，采集逆变器所测得的数据。逆变器与STM32单片机之间通过Modbus RTU协议通信，STM32单片机对逆变器进行读操作即可获取数据，无需额外增加硬件。用户可以选择监测的数据类型，不同的PDU地址代表着不同的数据，只需对相应的地址进行读操作，改善了数据类型用户不能选择的难题，实现了监控数据自主化设计。

2.3 NB-IoT模块电路设计

NB-IoT通信模块选择可与众多终端设备进行连接的BC95-B8，采用LCC贴片封装，尺寸小、功耗低，在省电模式下电流功耗低至5 μA，几乎能满足所有物联网方面的应用需求。其工作在900 MHz，普通的移动SIM卡即可连接，无需申请专门的物联网卡。BC95-B8模块的供电电压范围为3.1～4.2 V，可与3.3 V供电的STM32单片机直接连接，BC95-B8模块包含射频电路、USIM卡座电路、稳压电路等，其硬件电路如图4所示。

图4 BC95-B8模块硬件电路

3 系统软件设计

3.1 主程序软件设计

系统上电后，STM32单片机及NB-IoT模块进行初始化，尝试与NB-IoT网络连接，网络连接成功后STM32单片机周期性对数据采集点采集数据，采集完成后对标志位置位，STM32将采集到的数据上传至Tlink平台，若标志位为true则完成了数据采集到上传整个过程。如果连接NB-IoT网络失败则继续连接，连接时间超过300 s系统重新上电，再次尝试连接，主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

3.2 数据采集软件设计

逆变器采用Modbus RTU通信协议与STM32单片机通信，串口的波特率必须与逆变器的一致均设置为9 600 B。首先进行串口初始化，STM32单片机向逆变器发送请求帧获取数据，若逆变器返回应答信号则STM32单片机对应答帧进行解析判断其是否有效。如果应答有效返回处理结果，无效则发出出错报警，其数据采集流程图如图6所示。

图6 数据采集流程图

3.3 数据上传软件设计

BC95-B8模块具有3种工作模式：在Active工作模式下，模块所有功能均可正常使用；Idle工作模式下，网络正常连接，能接收寻呼，BC95-B8模块处于浅睡眠状态，Active和Idle均能切换为另外2种模式；PSM工作模式下，网络断开，仅有RTC正常工作，不再接收寻呼消息，但模块可通过AT命令唤醒或者定时器超时后唤醒。

NB-IoT模块只在Active状态和Idle状态下接收数据，在PSM状态下不接收数据。本系统主要是收发数据，故采用Active模式，在无数据交互达到一定时间时进入Idle模式下，降低功耗。

NB-IoT的主要优势是低功耗，而CoAP是专门为低功率传输设计的，故选用CoAP协议作为BC95-B8模块与STM32之间通信的协议。CoAP采用异步通信方式，以UDP协议为传输层，数据包小、传输周期短，功耗低[6]。CoAP的数据传输格式如图7所示，报文含义如表1所示。

图7 CoAP传输格式

表1 CoAP报文含义表

STM32单片机将数据上传云平台的流程图如图8所示，STM32将十六进制数转换为字符串，为发送AT指令做准备。STM32单片机通过串口向BC95-B8模块发送AT指令，BC95-B8模块通过CoAP信道将数据发送到云服务器，BC95-B8模块回复OK表明发送成功。在数据交互过程中，若60 s内未检测到回复OK，则判定为此次数据传输失败，再次发送数据；若返回错误，MCU延时20 s后再次尝试发送数据；若连续3次数据均发送失败，则进入异常处理流程。

图8 数据上传流程图

3.4 云平台

本系统采用Tlink平台，Tlink平台将传感器、网络、云平台联系起来，使用户可以根据需求灵活的搭建监测系统，现已应用在电力、车辆管理、远程开关等领域。它集成了TCP、HTTP、MB RTU、NB-IoT、CoAP等多种物联网协议。Tlink平台能保障数据的可靠性，即使云服务器发生故障，也可以将数据迁移到其他服务器上，保证数据不丢失，使系统能安全可靠的运行。

Tlink平台设计主要包括创建设备、设备连接等，BC95-B8模块的设置必须与创建设备的IP、端口、序列号等信息保持一致。创建设备时，传感器添加数据需与逆变器实际数据类型及映射计算方式相一致，用户可以依据实际需求批量添加多个数据，并可以为数据的显示顺序排序，增加了自主选择性。系统与Tlink平台连接成功后，可以通过电脑浏览器实时监测当前运行状况、故障记录、实时曲线、历史查询等信息。在手机Tlink微信公众号绑定账号后，可以在手机端监控运行状况。历史监测数据可以通过Tlink平台下载，便于工作人员分析运行情况及故障原因。

4 系统测试结果

用户可以通过手机微信及电脑浏览器对Tlink平台进行访问，查看光伏电站的当前及历史数据。在Tlink平台上可以根据需求添加数据类型，实验选取电流、电压、功率作为监测数据，图9为11：39AM时刻手机微信公众号所监测到的数据。该系统可以实时监测光伏电站的运行状况，当光伏电站出现异常时，Tlink平台提示运维工作者检修，并能查询历史报警时间、报警内容等信息，为查明故障原因提供帮助。运行期间监测的历史数据也可以查询并提取出来，为科研工作提供了数据支持。

图9 手机监测界面

5 结论

本文介绍了一种基于NB-IoT的光伏电站监测系统的设计方案。该系统实时采集光伏电站的运行数据，利用NB-IoT无线传输技术将数据传输至云平台，使用户可以通过手机或电脑即可实时监测光伏电站的运行状况，实现便携式远程监测，保障了光伏电站的安全运行。且该系统具有功耗小、连接量大、数据传输安全可靠等优点，为NB-IoT在各领域大规模批量应用提供参考。