光伏发电汇流箱在线监测研究①

张坤乾， 孙 霞， 杨光晨， 赵厚群

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

我国承诺将在2030年实现碳达峰，在2060年是实现碳中和，以及近期东北地区将限电措施由工业用电扩展到生活用电领域，可以看出，“能耗双控”(控制能源消费总量、控制能源消耗强度)正在影响着我们的日常生活。传统的能源不断减少，以及火力发电对环境造成的影响，为了减少污染物的排放，新能源发电具有非常重要的地位。作为新能源的代表之一，光伏发电正在以每年发电量的固定增加进入到我们生活中。光伏发电的主要原理是利用了光生伏特效应，通过光伏组件中的PN结将光子转化为电子，进而产生电能。光伏发电系统主要由光伏组件、汇流箱、逆变器以及控制柜等几部分组成。在大型光伏发电并网系统中，为了减少光伏组件与逆变器之间的电气连接数量，同时降低成本，便于日常维护，采取在光伏组件与逆变器之间加一个中间连接装置，即汇流箱。因此，提出一种基于NB-IoT的光伏发电在线监测系统，该系统能够采集所需光伏发电汇流箱的实时数据，做到实时监测，进而降低光伏发电站的事故发生率，同时提高光伏发电的发电量以及发电效率。

1 NB-IoT的选择以及系统总体结构设计

NB-IoT是基于蜂窝网络的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things)，是一种新兴的物联网技术。它与LoRa以及ZigBee相比具有大连接、低成本、广覆盖、低功率等特点。所以选用NB-IoT作为无线通讯。

NB-IoT无线通讯技术能将整个监测系统分为应用层、网络层以及感知层。如图1所示，通过NB-IoT的感知层实时采集监测对象设计，通过网络层将数据传输至基站，再上传到云平台，通过应用层实现手机或电脑端的在线数据监测。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

系统硬件结构如图2所示，该系统结构由电源供电模块、NB-IoT模块、微控制器模块以及数据采集模块组成。主控芯片采用STM32F103单片机，温度传感器、霍尔电流传感器进行数据的采集，将采集的数据利用NB-IoT通信模块上传至云平台，用户可以通过手机或电脑端对采样数据进行实时监测。

图2 系统硬件结构图

2.1 微控制器模块

系统选用STM32F103C8T6作为主控芯片，该芯片基于32位ARM Cortex-M内核，有64KB的程序储存器，工作时的频率最高可达72MHz，程序存储器类型是FLASH, 16KB RAM, 正常工作时所需电压为2V～3.6V，所需温度为-40℃～85℃，容量大，搭载WH-NB73模块能够实现NB-IoT无线通信。

2.2 数据采集模块

温度测量采用DS18B20温度传感器，电流测量采用ACS712-05B直流电流霍尔传感器。

2.2.1 温度传感器

光伏发电汇流箱的工作环境为-25℃～50℃，DS18B20温度传感器的测量范围为-55℃～125℃，固有测量误差1℃，工作电压3V～5.5V，符合设计以及测量的要求。DS18B20是一款常用的数字温度传感器，体积小，具有很强的抗干扰能力，其以9-12位数字量方式串行传送，输出为数字信号，便于用户直接读取并监测数据。

2.2.2 霍尔电流传感器

电流采集电路选用直流霍尔电流传感器，在光伏组件与汇流排之间接入霍尔传感器，电流经过电流传感器后输出0～5V的电压信号，再经过一个比例运算放大电路将该电压信号降为0～2.5V，由AD转换器转换成便于用户直接读取的数字信号输出。直流霍尔电流传感器采用的型号为ACS712-05B，其输入电流范围为0～5A，输出电压范围为0～5V，输入输出呈现线性相关，误差较小，仅为1%，满足要求。

2.3 NB-IoT模块

通讯模块选用MTK平台的新款NB-IoT BC26模组。BC26基于联发科MT2625芯片平台研发，支持全球频段，具有广覆盖的特点。BC26支持低压供电，正常工作电压范围为2.1V～3.63V，一般情况下典型供电电压为3.3V；正常工作温度范围为-35℃～75℃，特殊条件下工作温度可达到-40℃～85℃。在设计上，BC26采用LCC封装，同时能够兼容GPRS/GSM系列模组，使用户可以简便快捷切换到NB-IoT网络。

2.4 系统供电模块

如图3所示，系统供电主要采用光伏发电系统作为主要的供电方式，同时配置蓄电池作为辅助供电方式。当光伏发电量充足时，对蓄电池进行充电，以便在阴雨天气时蓄电池中的电能能够支持整个系统的正常运行。由于设计所用芯片都可以使用DC 3.3V作为供电电压，所以需要先将220V交流电压降为3.3V直流电压。首先选用LH25-20B12芯片将AC 220V稳定输出DC 12V，其后选用LM2576T芯片高效输出DC 3.3V。

图3 系统供电结构图

3 系统软件设计

系统软件设计首先要对微控制器模块、NB-IoT模块、数据采集模块等进行初始化处理，随后将各传感器采集得到的数据由NB-IoT模块传送至云平台，再上传至用户手机端或电脑端网页，以达到用户可以实时智能检测的目的。

3.1 系统总体流程设计

软件总体设计流程如图4所示，工作流程具体如下：

图4 系统软件设计流程图

(1)系统进行各个模块初始化处理；

(2)NB-IoT模块网络连接，并判断是否连接成功，若连接成功，则进行数据采集，若不成功，则进行再次连接。多次连续连接失败，则系统报警，并交由工作人员处理；

(3)将采集的数据通过NB-IoT模块上传至华为云平台；

(4)通过华为云平台将数据传至手机端或电脑网页，以便用户实时查看；

(5)用户根据数据信息判断是否需要做出调整，若不需要，则本次系统的数据采集、上传等工作结束;若需要，则华为云平台传送用户反馈至NB-IoT模块，再由STM32模块再次进行数据采集。

3.2 云平台

系统设计采用华为云平台，华为云平台是一款专业云计算平台，采用数据中心集群架构设计，云主机采用SAS磁盘、系统快照备份以及RAID技术。储存数据方面是通过用户鉴权，MD5码完整性校验，ACL访问控制和传输安全确保数据存储、传输以及访问的安全性。

华为云平台把系统分为数据层、控制层、业务层和客户层4个部分。其中，数据层基于华为数据中心实现对数据存储、管理以及传输工作；控制层将底端采集的数据信息进行分析处理，再通过业务层把数据上传至客户层；业务层是华为云平台的核心，主要工作是对一些具体工作进行处理，包括服务接口设计、业务逻辑处理以及数据采集命令发送等；客户层包括手机端和电脑网页，主要作用是保证客户能够实时准确的获取数据。

4 系统测试

在完成系统整体设计、硬件设计以及软件设计后，进行系统测试。用户可以通过手机端或电脑网页对华为云平台进行访问，查看所要监测的数据信息。在华为云平台设置本次设计需要监测的温度、电流数据信息，如图5所示，是通过手机测试端得到的数据信息。结果证明，本次系统的设计符合预期要求。

图5 手机端测试图

另外，在实验室还针对温度模拟测试。首先，将所涉及的各个系统调试完成，再将温度传感器DS18B20放置在特定的能这够用来模拟汇流箱工作环境的环境中进行模拟实验。实验结果如表1所示，总体温度误差的平均值为0.06℃，满足设计要求。

表1 测试点温度数据表

5 结 语

设计基于NB-IoT技术的光伏发电汇流箱的在线监测系统，该系统通过温度传感器和直流霍尔电流传感器采集数据，NB-IoT技术将数据传输到云平台，再上传至手机端或电脑网页，能够完成数据监测，增强了汇流箱工作的稳定性和安全性，提高了光伏发电效率。