基于LoRa組網(wǎng)的光伏供電裝置設(shè)計(jì)

廣西電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心 張志海 潘信宏 陽佑敏 彭舜杰 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司柳州供電局 黃嘉庚

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司柳州供電局輸電管理所 ，唐秀國

目前戶外的智能終端主要采用光伏供電，光伏供電具有成本低、布控簡單和無污染等優(yōu)點(diǎn)，是最有前途的可再生能源之一。尤其在輸電線路中，在電力桿塔上大量采用光伏供電裝置給智能終端供電。為了增加光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的總能量，需要在安裝時(shí)采取足夠的措施。由于光伏裝置通常位于偏遠(yuǎn)或較高的位置，長期戶外惡劣的環(huán)境中工作極易導(dǎo)致裝置工作不穩(wěn)定，在其運(yùn)行過程中仍有可能出現(xiàn)故障或維護(hù)問題。因此，適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測光伏供電裝置對于確保戶外裝置的供電穩(wěn)定性至關(guān)重要。

針對傳統(tǒng)光伏監(jiān)測裝置整體性能差等問題，文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種基于LABVIEW 軟件的光伏監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光伏裝置的在線監(jiān)測；文獻(xiàn)[2]利用利用LoRa 技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新的光伏電池板長距離輸出電壓和電流測量電路；在應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[3]為了遠(yuǎn)程監(jiān)測農(nóng)業(yè)的狀況，開發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能采集茶園的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，有助于管理人員監(jiān)測茶園的情況。在戶外通過光伏供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置需要設(shè)計(jì)緊湊、功耗低、成本低、抗干擾性強(qiáng)、安全性高等，若能大量部署將具有廣闊的應(yīng)用前景。

而在電力桿塔上的光伏供電裝置存在以下兩個(gè)不足：一是戶外的多數(shù)供電裝置不具備遠(yuǎn)程控制充放電控制功能，戶外的智能終端長時(shí)間待機(jī)會(huì)浪費(fèi)供電裝置的電能，導(dǎo)致電能的利用效率低；二是電力桿塔的多數(shù)光伏供電裝置不具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程回傳功能，導(dǎo)致難以獲取供電裝置的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。為解決上述問題，必須對光伏裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測以提高系統(tǒng)性能，并及早發(fā)現(xiàn)故障，提高供電裝置的可靠性。根據(jù)工廠的產(chǎn)量及其性質(zhì)，有幾種光伏監(jiān)測策略。

上述問題促進(jìn)并鼓勵(lì)了基于軟件和硬件的信息監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。本文利用開源軟件和硬件，實(shí)現(xiàn)了基于LoRa 的低成本光伏監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，對光伏系統(tǒng)信息進(jìn)行處理和可視化，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于電力桿塔的LoRa 組網(wǎng)光伏供電裝置，可遠(yuǎn)程控制供電裝置的充放電工作狀態(tài)，監(jiān)測裝置的狀態(tài)信息。適應(yīng)性強(qiáng)，能夠很好地融入新的技術(shù)潮流。

1 裝置整體設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電是目前最大的太陽能利用系統(tǒng)的核心，被認(rèn)為是可持續(xù)工程技術(shù)的基礎(chǔ)，它是將日光直接轉(zhuǎn)換成電能的方法。而LoRa 通信技術(shù)是一種遠(yuǎn)程、經(jīng)濟(jì)、低比特率的技術(shù)，它是作為物聯(lián)網(wǎng)(IOT)的基本解決方案而發(fā)起的。這項(xiàng)技術(shù)適用于需要窄帶寬電池供電的設(shè)備，能較好地應(yīng)用在本文設(shè)計(jì)的光伏供電裝置中。光伏供電裝置的供電需確保組網(wǎng)鏈路的正常運(yùn)行，并配合線路巡檢工作需求，本文設(shè)計(jì)的光伏供電裝置由光伏板、蓄電池、控制器和LoRa 組網(wǎng)模塊組成，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏供電裝置的狀態(tài)信息、控制裝置電源輸出和數(shù)據(jù)組網(wǎng)通信等功能。以下為整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程：

對整個(gè)系統(tǒng)功耗進(jìn)行估算，按照估算結(jié)果選定太陽能和蓄電池的尺寸與規(guī)格。具體來說由以下公式進(jìn)行估算：按日照時(shí)間為5h、充電效率為50%、起始電量為25%、充電同時(shí)為供負(fù)載供電，要求充電5h（一天的光照）電量達(dá)到90%，則太陽能板功率（Ws）、電池容量（C）、電池輸出電壓（V）負(fù)載功率（W）存在以下關(guān)系：Ws×5×50%=C×V×(90%-25%)+W×5。經(jīng)化簡整理，太陽能板功率選擇估算公式：Ws=0.3C×V+2.5W 電池容量的選擇估算公式：C=(3.3Ws-6.7W)/V。

按照需求選定合適控制器，要求控制器能實(shí)現(xiàn)對光伏電源系統(tǒng)的監(jiān)測和管控，其中監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括：光伏板的充電電壓、電流、充電功率；蓄電池的輸出電壓、電流、功率；負(fù)載端的電壓、電流、負(fù)載，同時(shí)還應(yīng)有設(shè)備的位置信息、閾值警告等信息的返回，綜合以上構(gòu)成控制器的基本功能。

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境和傳輸距離選定LoRa 模塊。應(yīng)用于電力桿塔中的LoRa 模塊，應(yīng)優(yōu)先滿足通訊具體、產(chǎn)品功耗的需求，同時(shí)數(shù)據(jù)接口、封裝尺寸和通訊頻段都是考慮的重點(diǎn)。對于本方案而言，要求選定通訊距離＞5kM、產(chǎn)品功率＜1W 的產(chǎn)品，同時(shí)尺寸需要集成在太陽能板中，需要滿足40mm×40mm 的規(guī)格要求。

MCU 的選擇。本系統(tǒng)中選擇STM32f103單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心，同時(shí)與LoRa 通訊模塊和控制器相互通訊，完成LoRa 的組網(wǎng)通訊任務(wù)。

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鑒于防水性和按照便攜式的要求，需將光伏板、蓄電池、控制器和LoRa 組網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合電力桿塔的三角鋼鐵支架的特點(diǎn)，對光伏供電裝置的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用長方體設(shè)計(jì)，裝置上表面為光伏板，左下側(cè)為安裝支架，用于與電力桿塔的三角鐵架銜接，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)合理，利用現(xiàn)有一體化太陽能鈑金及邊框做適當(dāng)改動(dòng)，以適配鐵塔安裝接口及提供用電設(shè)備安裝接口。設(shè)備與供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，整套用抱箍或螺絲鎖上鐵塔即可，可滿足輸電線路多種樣式鐵塔構(gòu)造，包括鋼管塔、鐵塔、門型塔等。裝置的里面安裝有基于LoRa 技術(shù)的組網(wǎng)模塊，用于組網(wǎng)并傳輸數(shù)據(jù)。

2 基于LoRa 組網(wǎng)技術(shù)信息傳輸

遠(yuǎn)程低功耗(LoRa)無線平臺(tái)是全球物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要技術(shù)選擇。這項(xiàng)技術(shù)在ISM 頻段（如Wi-Fi 和藍(lán)牙）使用頻譜供公眾使用，其在1GHz以下的非授權(quán)頻段無需申請即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，故在應(yīng)用時(shí)不需要額外支付通訊費(fèi)用。使用該技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)具有減少節(jié)點(diǎn)間干擾的能力，當(dāng)在小于1GHz 的頻帶中使用擴(kuò)頻調(diào)制時(shí)，允許距離大于10公里的長距離，具有高節(jié)點(diǎn)容量（大于100個(gè)節(jié)點(diǎn)），因此該網(wǎng)絡(luò)的效率得到了提高。

選擇使用LoRa 的原因，主要是考慮的是它的遠(yuǎn)程通信技術(shù)且功耗極低的特點(diǎn)。對于部署在電力桿塔工作環(huán)境而言，由于其為鏈?zhǔn)椒植迹粌H存在距離遠(yuǎn)的問題，同時(shí)供電也較為困難，太陽能板除了為通訊模塊供電，更重要還是為桿塔上其他智能監(jiān)測設(shè)備提供更加充實(shí)穩(wěn)定的能量來源，因此LoRa成為滿足桿塔通訊的首選方案。

本文所設(shè)計(jì)的裝置使用了最新一代的儀器和傳感器，這反過來又降低了成本，同時(shí)保證了可靠性和效率。結(jié)合LoRa 技術(shù)的低功耗的特點(diǎn)和輸電線路的監(jiān)測需求，本文將光伏供電裝置安裝在電力桿塔上，采用E22-400T22S LoRa 技術(shù)進(jìn)行低功耗電源控制網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，該方案的傳輸距離更遠(yuǎn)、速度更快、功耗更低、體積更小，支持空中喚醒、無線配置、載波監(jiān)聽、自動(dòng)中繼、通信密鑰功能。通過LoRa 控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，可遠(yuǎn)程控制光伏板電源的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對自組網(wǎng)模塊的開關(guān)機(jī)控制。

LoRa 組網(wǎng)方式的選擇：最常見的局域網(wǎng)組網(wǎng)方式為星狀組網(wǎng)方式，它包括一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。中心節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于網(wǎng)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制處理。但這種組網(wǎng)方式存在一些缺點(diǎn)，如不能多個(gè)終端設(shè)備同時(shí)發(fā)送信號，同時(shí)由于電力桿塔大多為線性分布，星狀方案的傳輸距離會(huì)受到限制。因此，在本方案中采用級聯(lián)的通訊方案，其中各個(gè)節(jié)點(diǎn)以串聯(lián)形式組網(wǎng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為中繼，將無線信號傳入下一級節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。此方案能極大滿足電力桿塔中低帶寬通訊的傳輸要求，同時(shí)適用于水文水情測報(bào)，環(huán)境監(jiān)控，路燈控制等場景。

圖1 級聯(lián)的通訊方案

通訊協(xié)議的選擇和設(shè)定：MODBUS 網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)常用通訊協(xié)議，它由帶智能終端的可編程控制器和計(jì)算機(jī)通過公用線路或者局部專用線路連接而成，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包含硬件和軟件部分，可用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控中，現(xiàn)在已成為工業(yè)通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此選定為LoRa 通訊的協(xié)議。在進(jìn)行LoRa 組網(wǎng)通訊時(shí)，只有一個(gè)主機(jī)，負(fù)責(zé)通信的控制過程，其余通訊模塊為從機(jī)。

所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)支持247個(gè)遠(yuǎn)程從屬控制器。MODBUS 網(wǎng)絡(luò)以RTU 模式進(jìn)行通信，在消息中每8bits 字節(jié)按照原值進(jìn)行傳輸不做處理，本方式的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)幀傳送之間沒有間隔，在相同波特率下，數(shù)據(jù)密度比傳統(tǒng)ASCIL 更快，傳輸速度更高。對于電力桿塔現(xiàn)場環(huán)境而言，實(shí)時(shí)性和可靠性有相當(dāng)高的要求，MODBUS 協(xié)議基本能滿足本項(xiàng)目中的通訊需要。

3 供電裝置在線監(jiān)測功能實(shí)現(xiàn)

對于光伏供電系統(tǒng)而言，需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)眾多，當(dāng)中最主要的包括：光伏板的充電電壓、電流、充電功率；蓄電池的輸出電壓、電流、功率；負(fù)載端的電壓、電流、負(fù)載。為了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可靠性和穩(wěn)定運(yùn)行，還應(yīng)增加總電源開關(guān)、溫度監(jiān)控、定位功能、閾值報(bào)警功能。同時(shí)為了便于應(yīng)用端的可視化，還應(yīng)建立數(shù)據(jù)庫對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和展示。

供電裝置構(gòu)建了LoRa 控制網(wǎng)絡(luò)，該裝置能夠以圖形方式向用戶展示可視化監(jiān)測數(shù)據(jù)。所設(shè)計(jì)裝置通過上位機(jī)軟件具備遠(yuǎn)程在線監(jiān)測自身工作狀態(tài)等功能，從傳感器能獲得供電裝置的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)。根據(jù)電壓和電流的值，可以用功率單位為瓦特的公式計(jì)算供電裝置的功率。數(shù)據(jù)能通過在線界面（通過電腦或智能手機(jī)）訪問。

裝置具有實(shí)時(shí)內(nèi)外溫度監(jiān)測功能，某天的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖2所示，可以看出：供電裝置由于受到太陽光照的影響，中午時(shí)段的溫度較高，在晚上與凌晨期間，溫度有所下降，趨于平穩(wěn)。除了能監(jiān)測供電裝置的溫度以外，能監(jiān)測太陽能板的電氣信息等，太陽能板狀態(tài)監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖2 太陽能板溫度監(jiān)測曲線

從圖3中可以看出，在早上6點(diǎn)前太陽能光伏板的輸出功率為0、輸出電流為0，這是由于本文通過上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程定時(shí)遠(yuǎn)程關(guān)閉了光伏板電源輸出。整體較好地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測控制功能。不僅如此，還能實(shí)時(shí)查看蓄電池的工作狀態(tài)，蓄電池狀態(tài)監(jiān)測曲線如圖4所示。

圖3 太陽能板狀態(tài)監(jiān)測曲線

圖4 蓄電池狀態(tài)監(jiān)測

圖4中的狀態(tài)監(jiān)測曲線也能很好地體現(xiàn)光伏供電裝置在不同時(shí)間段的工作狀態(tài)。綜上，本文設(shè)計(jì)的光伏供電裝置可遠(yuǎn)程控制供電裝置的充放電工作狀態(tài)，監(jiān)測裝置的狀態(tài)信息，具有良好的在線監(jiān)測功能。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于電力桿塔的LoRa 組網(wǎng)光伏供電裝置，該裝置的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)Π惭b在偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)的光伏逆變器進(jìn)行低成本、高性能的監(jiān)控。使用該技術(shù)（LoRa 技術(shù)）的未來是通過互聯(lián)網(wǎng)連接整個(gè)系統(tǒng)，并允許連接的設(shè)備相互通信，以控制光伏逆變器系統(tǒng)產(chǎn)生的能量。

該裝置能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制供電裝置的充放電工作狀態(tài)，監(jiān)測裝置的狀態(tài)信息，較好地解決了輸電線路電力桿塔自組網(wǎng)裝置戶外供電受限、光伏供電裝置遠(yuǎn)程獲取自身狀態(tài)信息困難的問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。