基于LabVIEW的光伏發電遠程電能監控系統設計

丁全鑫，師 鑫，楊君寶

（1.大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連金州供電公司 遼寧 大連 116100）

現如今，全世界發電中，還是以常規發電為主，常規發電有火力發電、水力發電、核能發電3種[1]。其中，又以火力發電為主，但是火力發電會伴隨著巨量不可再生的化石燃料的大規模燃燒。隨著煤、石油和天然氣等常規能源的消耗引起的環境污染以及大量的CO2也隨之排放導致的溫室效應、全球海平面上升和全球氣候反常變化等環境問題，化石能源的儲量有限，在不久的將來終將枯竭，因此，無論是從人類自身生存環境來看還是從能源消耗方面來看，都迫使我們尋找可再生能源替代現在的常規能源[2]。

近年來太陽能光伏發電系統越來越受到各個國家的重視，我國公布的相關規劃提出，2015年分布式光伏發電要達到1 000萬千瓦，同時，明確提出鼓勵在中東部地區建設與建筑結合的分布式光伏發電系統。因此，分布式光伏發電是未來的重要發展方向。可以預見，在不遠的將來，一次能源以太陽能為主、終端能源以電力為主的能源格局將變成現實。本項目設計的 “基于LabVIEW的光伏發電遠程電能監控系統設計”可實現隨時隨地通過網絡訪問該系統完成對系統電能的監控。

1 系統的整體設計

太陽能光伏發電系統（PV系統）的應用主要分為地面應用和空間應用兩部分，在未來太陽能光伏發電系統主要以陸地應用為主，目前，光伏發電系統的結構主要有3種形式：無蓄電池有逆流發電系統、無蓄電池無逆流發電系統、有蓄電池無逆流發電系統[3]。所謂的逆流是指剩余電能向電網倒送的現象。本文提出一種直流母線式[4]的有蓄電池有逆流供電系統，主要工作是建立一個光伏發電的遠程電能監控系統，具體來說：利用智能電表或者相應的電能傳感器將分布式發電裝置產生的電能的有關信息（電壓、電流、電能量、有功功率、無功功率、功率因素等）采集起來，采用MOD-BUS-RTU協議，通過485通訊或者電力載波技術送至本地客戶端，在本地客戶端上運行著整個系統的控制顯示界面，實時監察終端狀況，并且及時關注市場及電網信息動態，當用戶需要將多余的電能賣給電網公司時，發送一個變壓器并網控制命令，該命令通過XBee無線模塊將指令傳輸至變壓器測的驅動控制電路，驅動控制電路以AVR單片機為控制器，接受上位機命令并進行指令下達，從而實現光伏發電的并網控制，同時若用戶自己生產的電能不能滿足自身需求時還可以從電網上進行購買，此時上位機根據所需求的電能值及相關信息通過無線模塊向單片機發送相關指令，進而控制變壓器與電網聯通進行電能輸入，并通過遠程發布可實現在任意時間、任意地點的電能監控，系統的整體結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

基于以上分析可以看出整個系統包含供電模塊、儲能模塊、負載模塊和控制模塊4個部分。其中，供電模塊包含光伏發電電池和電網；儲能模塊是蓄電池；負載又包括直流負載和交流負載；控制模塊又包含對蓄電池的控制、對逆變器的控制和對配電箱內的控制。本文側重于控制模塊的設計，其主要包含硬件設計和軟件設計兩部分，下面將針對硬件和軟件兩部分設計做分別說明。

2 系統的硬件設計

該系統在硬件方面要完成電壓、電流、電能量、有功功率、無功功率、功率因素等電能信號的采集與傳輸；XBee無線傳輸模塊的設計；現場驅動控制模塊設計等。

系統中涉及到的電能信號主要有：電壓、電流、電能量、有功功率、無功功率、功率因素等，對整個系統來說，前端的計量采集設備是數據采集的第一單元，是最底層的數據采集終端，也是整個系統的前端設備，本系統選用數字式電能表，具體選取的電能表是丹東伊諾特電氣有限公司生產的型號為PD1150-E-3J的智能單相電能表，該系列電能表采用先進的電能計量芯片，結合機械式計度器的優點設計而成；產品具有精度高，可靠性強，壽命長，體積小等優點，是一種具有可編程測量、顯示、數字通訊和電能脈沖、變送輸出等功能的多功能電力儀表，能夠完成電量測量、電能計量、數據顯示、采集及傳輸，采用網絡型連接方式將3個電能表連在一起，并通過USB轉RS485/RS232轉換器連接至上位機。

系統上位機發出的各種控制指令都是通過XBee無線模塊傳輸至現場各個單元的。因此，首先需要建立XBee無線網絡，我們選取MaxStream公司的XBee-PRO OEM RF模塊，利用我們為XBee打造的無線擴展板就可以很方便地將XBee模塊連接到Arduino上，這樣Arduino板可以方便的利用無線模塊進行通訊。過板子上的選擇開關可以配置無線模塊的通訊方式，可以選擇通過USB/串口轉換器與上位機通訊，或者直接與Arduino（單片機）通訊。

上位機的一些控制指令，比如并網控制指令、電池充放電指令、配電箱內切換指令等通過XBee無線傳輸模塊傳輸至單片機控制模塊后，單片機在根據上位機的指令給各個現場單元發出對應的命令信號。本設計選用AVR單片機系列中的ATmega8單片機，它繼承了AT90所具有的一些特點，而且在AT90的基礎上，增加了更多的接口功能，而且性能更穩定，省電、靈活性強、抗干擾性高[5]。ATmega8在片內集成了容量比較大的數據存儲器、非易失性程序和工作存儲器，是一款采用低功耗CMOS工藝生產的基于RISC結構的8位單片機，除此之外，需要注意的的是該系列單片機的Flash存儲器在空間上分成了兩段：應用程序段和引導程序段，對于應用程序段內程序的更新可以通過對駐留在引導程序段內的引導程序使用SPM指令實現。這樣通過串行在線編程方法或者并行編程（用編程器寫入）的方法可以將程序寫到應用程序段[6]。其控制原理圖如圖2所示。

3 系統的軟件設計

3.1 單片機控制程序設計

單片機程序設計采用了一種新的編程軟件Arduino，這是一種可以使計算機測量和控制更多物理設備的一個開發平臺，是一個編寫軟件代碼的開發環境。它的編程語言是一種“線實現”，類似一種基于處理多媒體編程環境的物理計算平臺，它可以運行在諸如Windows、Linux、Mac OS等一些操作系統下，它的編程環境簡單、清晰，對新手來說很容易使用，最重要的是它的源代碼是開放的，有一些C++庫或者源代碼直接就可以使用，編寫的程序很容易讀懂。圖3是單片機控制的程序流程圖。

3.2 上位機與單片機的XBee通信程序設計

實際上配置完成后的XBee無線模塊在功能上就等效為一根“串口線”，這根串口線中間是無線連接，兩端是對應的串口端子，一端接在單片機控制模塊上，另一端接在了上位機串口處。因此，我們可以利用LabVIEW編寫一個串口讀寫程序來實現上位機與現場單片機控制端的通信，如圖4所示。

3.3 遠程發布

用戶若想實現遠程登錄訪問、操作需有一個鏈接，而這個鏈接是通過本地LabVIEW程序WEB發布實現的，客戶端對遠程前面的訪問可以使用不同的方法。如在網頁上瀏覽HTML文件；在網頁上瀏覽程序前面板，通過開啟LabVIEW的Web服務器，可以在網頁上發布LabVIEW程序，使本地或遠程的客戶端計算機可以實時瀏覽或控制Web服務器中的遠程面板，實現生產環境的遠程控制。使用LabVIEW的Web發布工具：Tools/Options，在彈出的對話框中完成與Web服務器有關的設置和LabVIEW程序的發布分別設置Web服務器：配置；Web服務器：可見VI；Web服務器：瀏覽器訪問。通過Tools/Web Publishing Tools對話框，可以將Web內存中的程序，以網頁的形式發布，在客戶端進行瀏覽，本系統采用在網頁上瀏覽程序前面板的方式實現遠程監控。

圖2 單片機控制電路Fig.2 SCM control circuit

圖3 單片機控制流程圖Fig.3 SCM control flow chart

4 系統測試結果

在系統構建完成并且遠程發布實現之后，用戶在遠程客戶端瀏覽器的地址欄中輸入對應的網址后回車，即可進入遠程前面板的系統登錄界面，在空白處單擊，會出現一個對話框，選擇“請求VI控制權”，申請成功后，系統的各種操作權限都交給了遠程客戶端，用戶點擊運行，在輸入正確的用戶名和密碼之后，頁面會自動轉入整個系統的監控界面，用戶首先根據要求配置參數 （主要是485通訊串口參數和XBee無線通訊參數），當用戶電能不足需要從電網買入電能時，發送并網指令此時上位機會顯示控制指令狀態，圖5是整個系統的控制主界面前面板。

5 結 論

該遠程監控系統用智能單相電能表作為電能信號采集終端，通過485總線實現信號傳輸；以基于XBee的無線傳輸模塊，實現各種控制指令在上位機和現場單片機控制單元之間的傳輸；上位機以基于LabVIEW的開發系統為平臺，利用LabVIEW自帶的工具包或函數模塊完成了數據通訊功能，編寫整個系統的電能監控界面，并利用自帶的WEB發布技術，將系統進行了遠程發布，實現了用戶的遠程訪問和監控。整個系統結構簡單、設置靈活、可靠性高、運行穩定，對電能監控方面的案例有很好的借鑒意義。

[1]王建華.新能源發電的現狀及前景[J].能源工程，1999（1）：8-9.WANG Jian-hua.The present situation and prospect of new energy power generation[J].Energy Engineering，1999（1）:8-9.

[2]葉峰.新能源發電-實現人類的可持續發展[J].能源與環境，2008（3）：55-57.YE Feng.New energy power generation-achieve the sustainable development of human beings[J].Energy and Environment，2008（3）:55-57.

圖4 上位機XBee無線傳輸程序框圖Fig.4 PC XBee wireless transmission block diagram

圖5 控制主界面前面板Fig.5 The front panel of main control interface

[3]趙春江.并網微網智能網全球聯網 [J].電網與清潔能源，2010，26（6）：6-9.ZHAO Chun-jiang.On-grid micro-grid smart-grid and global interconnection[J].Power System and Clean Energy，2010，26（6）:6-9.

[4]雷琩，艾芊.光伏并網策略及應用研究[J].低壓電器，2010（2）：21-26.LEI Ting，AI Qian.Photovoltaic grid-connected strategy and its application research[J].Low Voltage Apparatus，2010（2）:21-26.

[5]包秀榮，王楠.AVR單片機的特點與應用[J].內蒙古科技與經濟，2004（6）:51-52.BAO Xiu-rong，WANG Nan.Feature and application of AVR microcontroller[J].Inner Mongolia Scientech and Economy，2004（6）:51-52.

[6]李宏.AVR單片機入門與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.