基于LabVIEW的光伏电站监控系统

赵义满，孟　，陈玉洁，孙以泽

(东华大学机械工程学院，上海　201620)

0　引言

随着光伏技术的发展，光伏电站越来越多。为了维持光伏电站的正常运行、简化电站的维护，应对电站的突发状况，设计和开发实时性强、运行稳定、界面友好、操作简单、智能化程度高的光伏电站监控系统。监控系统记录的光伏电站运行数据对于电站系统的管理、设备的维护及以后的科研分析都具有重要的参考价值[1-2]。光伏电站的监控技术已成为光伏发电推广应用的关键技术之一。

LabVIEW语言是一种功能强大的图形化开发语言，广泛应用于自动化测量和控制[3]。文中利用LabVIEW软件、工控机和PCI-6221数据采集卡设计了独立光伏电站监控系统。该系统实现了光伏电站运行参数的采集、处理和存储，具有运行稳定、界面友好、操作简单、扩展方便等优点。

1　监控系统整体方案

光伏电站监控系统的结构图如图1所示。主要由传感器电路模块、信号调理电路、PCI-6221数据采集卡和工控机组成。利用LabVIEW开发平台设计系统的监控界面。

图1　监控系统结构图

系统监控的光伏电站运行状态的参数有太阳辐照度、光伏组件的温度、风速、光伏组件阵列输出的直流电压和直流电流。传感器采集的参数，经信号调理后，接入到CB-37F-HVD接线盒，再通过电缆送至安装在工控机上的PCI-6221数据采集卡的模拟输入端；经卡内A/D模数转换得到16位的数据通过板载缓存送至工控机；通过LabVIEW程序对数据进行处理，然后在监控界面上显示被测参量的值。同时将采集到的数据存储到Microsoft Access 2003数据库文件中，保存到监控的工控机中。

2　硬件系统设计

2．1数据采集卡

NI PCI-6221(37Pin)是低价位多功能M系列数据采集卡，有AI0 ～ AI15共16个模拟输入通道，模拟输入电压范围为-10～+10 V，分辨率为16位，单通道采样率为250 kS/s，卡上存储容量为4095个样本。为避免接地回路干扰和抑制共模电压干扰等，系统采集的5路信号采用差分接法，使用了AI0～AI4和AI8～AI12模拟输入通道。PCI-6221被安装在工控机的PCI插槽里，通过电缆和CB-37F-HVD接线盒引出PCI-6221的所有接口。

2．2传感器的选择

2．2．1太阳辐照度传感器

太阳的辐照是导致光伏电池产生伏特效应的直接影响因素，辐照强度的大小直接影响光伏电池发电量的大小，光伏电池接收的辐照量和电池的发电量成正比。系统选用PH-HTZD辐射计测量太阳的辐射度。其测量范围为0～2 000 W/m2，测量结果以0～5 V直流电压的形式输出。该辐射计稳定性好、精度高。输出的辐射量值r与测量输出电压u、辐射计灵敏度系数α之间的关系是：

r=u/α

2．2．2直流电压传感器

霍尔电流电压传感器是先进的能隔离主电流回路与电子控制电路的电检测元件，它综合了互感器和分流器的优点，克服了互感器和分流器的不足，同一个检测元件可以检测交流信号也可以检测直流信号甚至瞬态峰值[4]。

光伏组件输出的直流电接入到并网逆变器，通过逆变器内的最大功率点跟踪控制，使逆变器输出的交流功率达到最大，系统采集的直流电压为最大功率点处的电压，范围为120～380 V．普通的电磁型互感器的精度仅为3%～5%，测量误差较大。系统选用测量精度小于1．0%的CHV-25P/400霍尔传感器测量直流电压。其供电电压为±15 V，额定电压有效值为400 V．通过配置电阻Rm，使输出电压为0～4 V．图2是霍尔电压传感器电路图，+INPUT和-INPUT分别为被测电压的正负输入端，OUTPUT端输出和输入端成正比的被测信号值。

图2　霍尔电压传感器电路图

2．2．3直流电流传感器

光伏组件输出的直流电流最大达20 A，为了满足信号采集的需求，系统选用额定值为50 A的CHB-50P闭环霍尔电流传感器。其线性误差小于0．1%，电路如图3所示。被测电流母线从传感器中穿过，输出端OUTPUT输出被测电流。在M端接电阻Rm，使输出信号转变为电压信号，再接入到数据采集卡的模拟信号输入端。

图3　霍尔电流传感器电路图

2．2．4温度传感器

采集光伏组件温度的传感器要放在室外，紧贴光伏组件。传感器要具备稳定性好、抗震动、耐高压等特点。据现场检测，在晴天中午1点左右的时候，光伏组件上的温度最高，可达50 ℃左右。选用测量范围为-200～+400 ℃之间的Pt100铂热电阻温度传感器测量光伏组件的温度。其阻值随温度升高而均匀增加，热响应时间<30 s，允许通过的最大电流为5 mA，经济实用。

2．2．5风速传感器

风速是影响光伏电站发电量的关键因素之一，风速传感器安装在室外光伏组件旁边，要具备稳定性好、信号传输距离远、抗干扰能力强等特点。选用RY-FS01/S风速传感器，该传感器将内部的脉冲信号转为模拟信号，测量范围为0～30 m/s，输出电流信号为4～20 mA，精度为5%，启动风力<0．5 m/s．具有测量精度高、线性度高等特点。

2．3信号调理电路

由于不可避免的存在环境噪声和工频信号的干扰，传感器采集的信号存在噪声，为了获得信号的准确值，为系统设计了滤波电路，在进行A/D转换之前滤除信号中的噪声。因为滤波电路的电阻元件对信号功率有消耗，在电路中引入具有能量放大作用的有源器件，选择Sallen-Key二阶低通滤波器。为了快速衰减超过截止频率的噪声，得到较窄的过渡带和更好的滤波效果，采用Sallen-Key二阶低通滤波器。

3　系统软件设计

电站监控系统的软件开发平台为LabVIEW 2011，数据采集卡的驱动程序为NI-DAQmx9．4。监控系统的主要功能有系统登录、实时显示采集的数据、5个参数波形曲线显示等。根据需要还可以随时保存波形、打印波形或打开保存过的波形等。利用LabSQL工具包实现对数据的数据库操作即数据的保存、查询、修改、删除等。

3．1系统登录

系统启动运行时，首先显示的是系统登录界面。需要输入账户和密码，可以选择登录系统或退出。设计系统登录功能主要实现控制用户的权限、记录用户的操作和保护系统的安全等功能。

3．2监控主界面

登录系统后，进入如图4所示的监控主界面。监控界面上5个量表控件依次实时显示被测的5个参量的即时值，5个波形图表控件实时显示5个被测参量值的变化趋势曲线，左侧的按钮用于实现波形操作和监控界面的打印浏览。系统的采样频率为1 kHz，为了减小记录数据的误差，通过求取平均值，系统每5 min记录1个采样值。

图4　监控主界面

系统运行时，需要灵活方便的操作当前监控界面上的即时波形，或者操作以前保存的波形，判断电站是否正常运行，计算电站的发电效率等。左侧的控件实现对5个波形进行操作，可以暂停或保存当前的波形、打开以前保存的波形等。随时暂停正在运行的波形，以便检查、研究。随时保存波形曲线信息到文件，方便日后查看。打开波形主要是打开已经保存的波形曲线文件，重新显示保存的动态曲线。考虑到监控人员有时需要即时的波形曲线，设计开发了监控界面的打印功能，系统外连打印机，可以即时打印监控界面，也可以以网页的形式浏览监控主界面。

为了使波形光滑，采用三次样条插值法对波形进行插值处理。三次样条插值是一种改进的分段插值函数，可以实现输出信号本身的连续性，具有波形平滑的优点[5]。系统在t0、t1、t2…点记录的值分别为y0、y1、y2…，其中g(t)为三次样条插值函数，是分段三次多项式：

式中：

ti-1≤t≤ti，j=1，2，…

(1)

hi=ti-ti-1，j=1，2…

(2)

Mi=g″(ti)，j=0，1，2，…

(3)

3．3数据库操作

数据存储是光伏电站监控系统的重要组成部分，光伏系统的运行数据对于整个电站系统的评估，故障诊断和改进等都具有十分重要的参考价值。数据库除了要实时记录系统采集的辐照度、电压、电流、组件温度和风速外，还需要记录系统的实时功率、日发电量、总发电量和报警信息等。监控系统数据库操作界面如图5所示。

图5　数据库操作

系统的数据库功能是运用LabSQL工具包实现的。LabSQL是一个免费的、多数据库、跨平台的LabVIEW数据库访问工具包，LabSQL利用Microsoft ADO以及SQL语言来完成数据库的访问，其将复杂的底层ADO和SQL操作封装成一系列的LabSQ，VIs，用户可以通过调用子VI的方式实现对数据库的访问[6-7]。

3．3．1数据存储

记录存储数据的程序如图6所示。在数据库操作界面用户可以手动操作菜单下拉列表控件选择开始记录数据或者停止记录数据。数据存储在Access建立的数据库文件中。

图6　数据记录程序

在图5所示的监控界面ConnectionString 3中输入DSN=data，再单击开始记录数据，系统就开始记录保存采集到的数据。记录的字段有时间、辐射度、电压、电流、温度和风速。

3．3．2数据查询、修改和删除

查询记录的程序如图5所示，输入SQL语句即可实现对记录数据的查询。查询的字段可以是时间、电压、电流、辐射度、温度、风速。例如在监控界面的“Command Text”中输入“SELECT * FROM data WHERE 电压=‘284．87’order by ID”，再单击开始查询，在查询结果的Table中即显示电压为284．87的所有记录，并以ID排序显示查询结果。查询结果如图5所示。在监控界面选用文本下拉列表控件实现删除记录和修改记录的选择。

4　系统调试运行

监控系统被安装在学校5．1 kW光伏电站上，图4显示某天从6：00到17：30系统运行时记录的数据和数据变化趋势图。5个量表控件依次实时显示的数值为太阳辐射度、光伏组件阵列输出的直流电压、直流电流、组件的温度和风速，5个波形图表控件显示5个被测参量值的变化趋势曲线。曲线都采用了波形平滑处理。系统具有报警功能，当系统的电压或电流超出正常值的范围时，系统自动弹出报警信息，并记录报警信息。系统同时将发电量计算成相应的环保数据，如CO2、C、SO2、粉尘、氮氧化物等的减排量保存在数据库中。根据采集的电压和电流值计算求得电站的实时功率，日发电量和总体发电量等，并记录在数据库中。经测试，系统实现了预期的功能，运行状态良好。

5　结语

文中设计的光伏电站监控系统在学校并网光伏电站上运行，实现预期的功能，包括：

(1)实现了电站参数的采集、数据实时的波形显示、对波形操作、监控界面的打印和网页浏览等功能。

(2)实现了对采集数据的存储、查询、修改和删除等数据库的功能。通过计算记录了电站实时的并网功率，系统的日发电量和系统的总发电量，还记录了系统的报警信息。

(3)系统人机交互界面友好、操作简单、运行稳定、安全可靠性高。设计的光伏电站监控系统采用模块化设计，易于扩展。

参考文献：

[1]TORRES M，MUNOZ F J．MUNOZ J V．，et al．Online monitoring system for stand-alone photovoltaic applications-analysis of system performance from monitored data．Journal of Solar Energe Engineering，2012，(134)：034502-1-034502-8．

[2]叶琴瑜，胡天友，何耀．基于CAN总线的光伏电站监控系统．仪表技术与传感器，2012(3)：76-81．

[3]ARISTIZABAL J，GORDILLO G．Performance monitoring results of the first grid-connected BIPV system in Colombia．Renewable Energy，2008，(33)：2475-2484．

[4]王颖，刘春明，刘连光，等．电网地磁感应电流在线监测系统．电力系统自动化，2009，33(15)：112-115．

[5]金维刚，刘会金．基于三次样条插值时域采样重构的间谐波检测新算法．电网技术，2012，36(7)：74-80．

[6]马海瑞，周爱军．利用LabSQL实现LabVIEW中的数据库访问．山东大学学报(工学版)，2005(35)：218-221．

[7]谢标锴，沈辉，陈鸣．基于LabVIEW的光伏运行数据库设计和应用．太阳能学报，2010，31(8)：994-998．