基于LabVIEW的智能化分布式光伏发电监控系统设计

涂希，张佳伟（通讯作者），朱文欢（通讯作者）

（1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都，610000；2.河海大学，江苏南京，211100；3.上海交通大学，上海，200240）

最近，国家出台了一系列政策，用于大力助推分布式光伏电站的发展。2021年6月，国家能源局综合司下发了《关于报送整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》文件，为进一步加速分布式光伏发展铺平了道路。为了便于对分布式光伏发电系统进行全过程管理，使其能够更安全、更经济、更高效地运行，需要配置一套独立的监控系统，用来监测光伏发电过程中的各种参数和状态，从而发现异常及时预警，并根据预置管理逻辑下达控制指令，控制系统状态的切换和有关开关的动作。

但是目前，大多分布式光伏发电系统没有配备独立的监控系统，只具备太阳能控制器和光伏逆变器等产品自带的一些简易监控功能。检修维护人员只能通过狭小的液晶显示屏完成一些基本的监测和控制操作。这类监控系统普遍存在扩展性差、功能单一、开发环境封闭等问题。而如果直接选用针对集中式光伏发电的监控系统，往往会存在系统匹配度低的问题，而且过高的采购成本对于较小规模的分布式光伏发电站来说，是十分不经济且难以接受的。

针对以上问题，本文基于LabVIEW设计了一种专用的分布式光伏发电状态监控系统。我们知道，LabVIEW是一种图形化的编程语言开发环境，具有庞大的函数库，且功能强大、使用灵活。本文基于它开发的监控系统，具有实时数据采集、智能监控、数据分析、数据存储等功能，能够为分布式光伏发电系统提供了一种便捷、高效、低成本的监控平台。

1 系统总体方案设计

该监控系统主要包括：实时采集模块、通讯管理模块、监控显示模块、数据存储模块这四个部分，其结构框图如图1所示。

图1 监控系统结构框图

其中，实时采集模块由自制的采集板卡和光照传感器组成，负责采集分布式光伏发电系统中的电压、电流、温度和光照等模拟量信号，再通过RS-232或RS-485接口将信息上送；通讯管理模块使用ZLAN5443A串口服务器，实现多路串口数据转TCP/IP，上位机只需一根网线就可高速获取下位机采集的所有数据；监控显示模块以LabVIEW为开发平台，采用Modbus TCP协议与下位机通讯，借助监控面板以数值和图表的形式直观地将获取的数据显示出来；数据存储模块，由LabVIEW通过数据连接工具与SQL Server数据库建立连接，再通过自带的Database工具库实现对数据库的删、增、查、改、比等操作，从而做到对数据的有效存储、管理和利用。

2 系统子模块设计及实现

■2.1 实时采集模块

采集模块中，采集卡由电源电路、STM32F103主控芯片、复位电路、ST-Link接口电路、信号调理电路、RS-485通讯接口电路组成。主控芯片、电源电路和复位电路构成STM32的最小系统。信号调理电路将采集的电压、电流、温度等信号统一转换成0-10V的电压信号，经过滤波，然后送入主控芯片内置的AD模块进行模数转换；RS-485通讯接口电路实现采集板与外部的通讯；ST-Link接口既可以作为调试接口，也可以作为程序下载接口。光照传感器选用自带RS-485输出接口的工业产品，其采集的光照强度信号不需要送入采集板，直接送入通讯管理机。采集板的功能框图见图2。

图2 采集板功能框图

电源电路选用MP2359芯片，外部电源输入DC12V，转换成3.3V给采集板主控芯片及其他电路供电，电路原理图如图3所示。

图3 电源电路原理图

由于采集信号的类型不同，所以调理电路也会相应不同。电压、电流信号均利用闭环霍尔传感器采集，其输出皆为电流信号，调理电路也基本一致；温度信号选用负温度系数的热敏电阻NTC作为传感器，它接入采集板后，由采集板给它提供1mA的恒定电流，通过监测其两端的电压来获取温度信号。图4为信号调理电路的原理图。

RS-485通讯接口，选用SP3485芯片，它是+3.3V低功耗半双工收发器，能够满足RS-485串行协议的要求，其电路原理图如图5所示。

图5 RS-485通讯接口电路原理图

■2.2 通讯管理模块

ZLAN5443A是一款通用的通讯管理设备。它有4路串口和1路网口，4路串口均支持RS-232、RS-422/RS-485，它们互不干扰，可设置不同的波特率。使用时，需要安装ZLVircom软件来管理设备，界面如图6所示。

图6 ZLVircom搜索到的ZLAN5443A

图6 出现的4行分别对应ZLAN5443A内部的4个串口，默认设置下，串口1-4分别对应的IP地址为192.168.1.200~192.168.1.203，根据项目实际需要，双击其中一行，可以对其进行配置和编辑。设置界面如图7所示。

图7 通讯管理机串口设置界面

上面的操作界面中，能够设置串口的参数包括：波特率、数据位、校验位，以及网络设置中的IP地址、网关、子网掩码等。

ZLAN5443A的通讯端口中，1路串口分配给采集板；1路串口分配给光照传感器；另外2路串口用作预留，用于后期对系统进行升级和扩展；上位机与网口连接，利于上位机的网络化部署。

■2.3 监控显示模块

监控显示模块以LabVIEW为平台来进行开发，它主要由通讯子模块、登录界面、主界面、设备详情界面和实时曲线界面组成。通讯子模块使用DSC工具包中提供的Modbus库函数，来实现基于Modbus TCP协议的通讯。Modbus采用的是典型的主从通讯模式，其对话是由主站发出，从站被动地响应。在监控显示模块与下位机的通讯中，监控显示模块为主站，下位机为从站，其通讯子模块程序框图如图8所示。

图8 通讯接口程序框图

登录系统后，默认进入主界面。如图9所示，单线图可以直观地显示系统的拓扑，并通过数值元件和图表元件实时显示系统及各个设备的关键信息，包括光照强度、当前发电功率、当前时间、当日发电量、累计发电量、系统运行模式、蓄电池电量、开关状态等。界面左侧有4个快捷按钮，通过单击，可跳转到不同的界面，也可点击拓扑图中的设备图片进行跳转。

图9 监控系统主界面

设备详情界面能够显示光伏板、蓄电池以及逆变器的品牌、型号、关键技术参数等基本信息，包括光伏板的额定输出电压、额定输出电流、开路电压、短路电流、当前输出电压、当前输出电流，以及蓄电池的电压、电流、工作状态等。

采集的数据中，有些需要观察它在一段时间内的变化趋势或者变化过程，因此在系统中设计了实时曲线界面。它能通过曲线的形式，更加直观地展示当前时间点以及前一段时间内的数据变化趋势，并实时更新，更新周期可根据项目需要进行调整。实时曲线界面如图10所示。

图10 检测通用信息处理板FPGA外部管脚间粘连的实验结果

图10 实时曲线界面

后期系统中，还将增加智能报警功能，当某项数据超出正常值范围时，该系统能够及时予以提醒或报警，从而有效避免事故的进一步扩大。

■2.4 数据存储模块

当LabVIEW调用数据库时，其首先要与数据库建立有效的连接关系，一般有3种方式：(1)利用DSN连接数据库；(2)利用UDL连接数据库；(3)利用连接字符串连接数据库。这3种方式的连接过程，如图11所示。与第1种方式相比，本文中采用第2种方式，其优点为：ODBC仅支持关系型数据库，而ADO对关系型数据库和非关系型数据库都能提供支持。方法是，在LabVIEW界面中单击“工具”菜单下的“Create Data Link”选项，创建UDL，双击该文件，配置“连接属性”对话框，选择“SQL Server”后，在“连接”选项卡上选择需要的数据库文件，并测试连接状态。系统连接成功后，UDL文件将自动记录连接数据库的有关信息。系统调用时，使用“Database”工具包中的库函数实现对SQL Server数据库的操作。

图11 LabVIEW与数据库连接的三种方式

3 结语

本文基于LabVIEW设计了一套应用于分布式光伏发电的监控系统，该系统由实时采集模块、通讯管理模块、监控显示模块、数据存储模块组成，具有实时数据采集、数据分析、智能监控、数据存储等较为完备的功能，能够满足预期设计目标。该监控系统具有开放性好、扩展性强、配置及维护成本低等优点，可广泛应用于分布式光伏发电站（尤其是小规模电站），为分布式光伏发电站的经济、安全、高效运行提供有效的数据管理和决策支撑。