一种光伏组件运行监测终端设备的设计

徐 剑

（济南中能华辰太阳能有限公司，山东 济南 250353）

0 引 言

我国有着巨大的分布式能源市场，为推进分布式光伏发电的发展，相关十四五规划中明确提出要优先开发当地分散式和分布式可再生能源资源[1]。随着光伏装机数量的快速增长，设备运行问题日益凸显。为解决电站故障率高、电能损耗大、电站效率低等问题，急需一套光伏组件运行监测远程终端控制系统（Remote Terminal Unit，RTU）、信息及通信技术（Information and Communication Technology，ICT）远程安全管理技术平台，实现对分布式能源的高效监控，满足电力接入电网和日常维护管理要求[2]。

1 光伏组件运行监测终端设备设计思路

设计的光伏组件运行监测终端设备要准确、实时地采集光伏组件的电能参数，并将采集数据准确无误地发送至远程服务器的数据库，可在数据库中记录并查询采集的数据[3]。成功开发并测试用于监测光伏组件的RTU，能够实时且准确地检测所连光伏组件的数据，反映组件的真实情况。搭建完成每组多个RTU 的无线传输网络，确保数据通道畅通，RTU 每间隔2 min 向服务器传输一次光伏组件实时数据，并提供传输告警功能，及时发现传输异常的光伏组件。

为保障数据采集的正确性和实时性，现场设备数据采集器采用精确的电量采集模块。该模块可以采集电压、电流、有功功率以及温度等参量，并且可提供标准通信规约，兼容性好[4]。设计电能数据的采集频率为2 min/次，完成电能数据采集与存储后，现场数据采集器分机采用远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）传输技术将电能数据传送至数据采集器主机。LoRa 接口技术主要实现LoRa 终端的数据采集、数据发送、控制信息的收发。LoRa 终端读取微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）传输的数据信息。LoRa 的数据发送是在特定的时间内，将采集的数据发送给数据收集器主机。数据收集器主机通常用于与上位机或远程服务器进行数据交换。

各个设备的数据采集器通过LoRa 模块进行相互通信，自组成一个网络。采集器分机将采集的数据发送至主机，主机则根据各个采集器分机的唯一身份标识码（Identity Document，ID）识别采集器分机。如果某节点距离主机过远，导致与主机之间的通信质量较差，则选择通过其他采集器分机作为中介，将数据和采集器分机唯一ID 打包发送至通信质量较好的采集器分机，再由该采集器分机将数据转发至主机和远程控制端。主机与服务器通过消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议和传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）进行通信。服务器根据主机的唯一ID 发布命令，对应的主机接收命令。通过这种方式，不仅可以识别主机，还能实现主机与App 之间的双向通信。

2 光伏组件运行监测终端设备原理图设计

光伏组件运行监测终端设备的设计原理如图1所示。

图1 光伏组件运行监测终端设备的设计原理

第一，将光伏组件的正极线缆串联接入IM1253B电能计量模块的I_in 端和I_out 端，光伏组件的负极接入计量模块的N 端，计量模块接入5 V 电源，通信的RX 端和TX 端接入1 个3 通道数字隔离器ISO7831 芯片。此器件可防止总线数据或电路的其他噪声电流进入本地，从而干扰或损坏敏感电路。第二，ISO7831 芯片引出的串口数据接入STM32 的USART5通道。数据采集器的主机、分机都需要安装此电能计量模块。第三，LoRa 传输模组接入3.3 V 电源，通信接口接入STM32 的USART1 通道。同样，数据采集器的主机、分机都安装此LoRa 传输模块。第四，5G 传输模组接入5 V 电源，通信接口接入STM32 芯片的USART4 通道。需要注意的是，仅数据采集器的主机安装此5G 传输模块。为方便寻址，数据采集器的主机和分机都设计有拨码开关。第五，气象数据仪采用串口通信，接入STM32 芯片的USART1 通道，并在接入接口处设计6 V 的瞬态电压抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，TVS）实现钳压保护。该设备仅用气象数据采集器，不涉及LoRa 通信。

3 光伏组件运行监测终端设备的硬件设计

3.1 现场电能数据采集器的设计

现场电能数据采集器采用精确的电量采集模块，即型号为IM1253B 的电能计量采集模块。此模块可以采集电压、电流、功率以及温度等多个参量，具有掉电保护功能，能够确保数据的安全。模块表面涂覆了三防漆，防护性可靠。该模块的电量信息存储空间较大，即使电量信息存满，也可覆盖并重新计量数据，确保数据的持续性和准确性[5]。

3.2 MCU 芯片的选型

电能数据采集器分为主机和分机，每个电能数据采集器均需配备MCU 芯片，文章选用STM32F103Rx芯片。该芯片是一款成本低廉的MCU 平台，管脚数目少、系统功耗低，具有卓越的计算性能和先进的中断系统响应能力[6]。

在光伏组件运行监测终端设备中，STM32F103Rx芯片占用3 个通用同步/异步串行接收/发送器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）接口通道，分别与电量采集模块、LoRa 模组及5G 模组进行串口通信。其中，电量采集模块通过STM32 芯片的USART5 通道（51 引脚和52 引脚）进行通信，LoRa 模组通过STM32 芯片的USART1 通道（42 引脚和43 引脚）进行通信，5G模组通过STM32 芯片的USART4 通道（51 引脚和52引脚）进行通信。

3.3 工作电源的设计

采集器的工作电源选用带有隔离的直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）电源模块，保障供电安全性。此模块的输出功率为30 W，输出电压为5 V，最高输出电流为6 A，且输入电压范围广，具有150 V 的直流隔离电压。采集器的保护功能包含过流保护、过压保护、输出短路保护等。对于MCU所需的3.3 V 供电电源，可使用LM2596-3.3 V 芯片来提供，该3.3 V 电源也为LoRa 传输模块供电。

3.4 LoRa 传输系统的设计

由于电能数据的采集频率一般为2 min/次，在完成电能数据采集存储后，每个现场数据采集器分机采用LoRa 传输技术将电能数据传送至数据采集器主机。LoRa 作为低功耗广域网的代表技术之一，由美国Semtech 公司推出，专门面向物联网应用的无线通信技术。LoRa 使用非授权频段，可自由搭建，不受限制，适用于低成本需求的应用。与其他无线网络通信技术相比，LoRa 具有高灵敏度、远距离、低成本、低功耗以及抗干扰性强等优点。LoRa 传输模块采用E78-400TBL-01 模组，该模组采用翱捷科技股份有限公司的ASR6505芯片，适用于多种物联网应用场景。LoRa 终端读取的数据为MCU 传输的数据信息。LoRa的数据发送则是在特定的时间内将读取的数据发送给数据收集器主机。数据收集器主机通常用于与上位机或远程服务器进行数据交换；LoRa 控制信息的收发通常是在特定的时间内发起，以实现更低的功耗，延长电池的使用寿命。各个电能数据采集器通过LoRa进行无线通信，共同组成一个局域网络系统。在这个系统中，采集器分机先与主机通信，再将采集的组件电能参数发送至主机。通信主机则根据每一个采集器分机的唯一标识ID 地址进行识别。如果某台采集分机距离主机过远，导致两者的通信质量较差，则主机可以选择与其距离较近、通信质量较好的其他采集分机作为中继机。选中的中继机将数据和采集分机的ID 地址一同发送至主机，再由主机发送至远程控制平台，确保数据传输的准确性和及时性。

3.5 5G 传输模块的设计

数据采集主机通过中国移动的5G 网络信号进行数据传输，且与服务器通过MQTT/TCP 协议进行通信。服务器会根据不同的主机唯一ID标识符发布命令，对应的主机接收该命令。通过这种方式，系统不仅能识别各个主机，还能实现主机与App的双向通信。此外，5G 模组为用户提供开放的指令接口，用户只需使用这些指令，就能轻松实现与平台服务器、终端设备之间的通信数据交流。

4 光伏组件运行监测终端设备嵌入式程序的设计

4.1 分机设计

在电源开启后，首先对STM32 芯片进行初始化处理，定义控制字和各个变量。其次读取拨码开关，定义自己的编号。再次向计量模块发送读取数据命令。如果连续3 次均未收到反馈数据，则上报设备故障；如果收到数据，则存储数据，等待主机命令，并上传命令。最后，上传数据。如果2 min 内不能上传数据，则重新采集数据；如果已完成数据上传，则2 min 内重新采集数据，并再次等待上传数据。RTU分机程序主流程如图2 所示。

图2 RTU 分机程序主流程

4.2 主机设计

在电源开启后，首先进行STM32 芯片初始化，定义控制字和各个变量。其次读取拨码开关，定义自己的编号。再次向计量模块发送读取数据命令。如果连续3 次均未收到反馈数据，则上报设备故障；如果收到数据，则存储数据，并向其他分机发送上传数据命令。最后，获取分机回应。如果没有获取分机回应则报通信故障；如果获得分机数据，则与远程服务器建立连接，并上传所有分机数据。上传所有数据2 min 后，再次向服务器上传数据。RTU 主机程序主流程如图3 所示。

5 设计创新点

与传统的光伏组件数据采集不同，文章设计的无线通信模式更适用于分布式的小型光伏电站，无须复杂的现场布线工作。第一，数据传输具有实时性，每个主机可以接入至少200 个分机。第二，数据传输速率快，从数据采集到上传至远程服务器，仅需几秒钟。第三，数据传输正确率高，免受现场复杂环境的干扰。第四，不同电站采集点的位置不受区域范围限制，根据中国移动的信号覆盖范围，无论电站采集点的位置相距多远，只要通过移动网络5G 信号，即可实现数据的采集与上报。第五，采集点的可扩展性强，可以随时增加数据采集点，不存在以往线路路径重新敷设的问题。第六，所有接入的采集点数据上传至远程服务器后，平台系统会进行大数据分析，以提供更为准确的维修信息、设备预诊断信息、光伏发电趋势的判断以及商业模式的分析[7]。文章设计的光伏组件运行监测终端设备具有唯一性的ID 编码，便于维护人员准确找到维修设备位置，且可根据系统预诊断信息提取准备运维配件，能够提高运维效率，减少运维费用[8]。

6 结 论

文章设计了一种光伏组件运行监测终端设备，通过RTU 对光伏组件的电能参数进行准确、实时的采集，并将采集的数据准确无误的发送至远程服务器的数据库。这样，数据可在数据库中得到记录，方便后续查询。ICT 远程管理平台通过调用数据库平台，对光伏组件的运行状态进行分析，从而准确预判组件故障，提高电站的运行效率。