基于Cat.1的光伏发电监控系统

张恒琦,汪旭东,孙 彦,习晓飞,辛沅栩

(上海电机学院电气学院，上海 201306)

0 引言

随着光伏行业的不断发展，现有的监测技术逐渐暴露出了一些问题。文献[1]和文献[2]采用NB-IoT通信技术，这种技术功耗低，必须对现有基站升级改造或新建基站才能通讯，传输速度慢，延迟高，不适合大量数据双向传输。文献[3]使用了GPRS技术进行通讯，目前各大运营商2G退网，这种通讯方式逐渐被淘汰。文献[4]介绍的管理系统把环境和电压电流参数分开采集再通过LoRa通讯汇总，多级网络增大了系统的复杂程度，且LoRa需要额外建设基站。此外现有的网络监测系统只实现监测不能远程控制，且人机交互体验不佳。Cat.1是4G网络的一个分支，使用时不需要对LTE基站进行升级[5]。本文提出的基于Cat.1的光伏发电监控系统凭借Cat.1网络的中速率、低功耗、高覆盖、低延时等特点，搭配云组态的使用，弥补了现有监测系统的不足，能减小运维投入，增强了光伏发电的安全性，同时为中速率物联网在光伏行业的应用进行研。

1 系统整体架构

目前并网型光伏发电系统结构如图1所示，主要由光伏板阵列、汇流箱、交直流配电柜、逆变器和变压器等部分组成。其中承担使线路连接有序和汇流作用的是汇流箱，因而其线路集中，便于对光伏发电数据进行监测[2]。监测数据包括输出电压、输出电流、光伏组件所处环境的温湿度和光照强度，监测数据范围为：直流电压0～200 V、直流电流0～5 A、温度-40～80 ℃、相对湿度0～99%、光照强度1～65 535 Lx。

图1 并网型光伏系统结构框图

基于Cat.1的新型光伏发电监控系统的结构如图2所示，系统分3层，传感器、执行器和STM32共同构成了感知层，系统工作时各种传感器把感知到的数据传输给STM32进行处理，继电器控制光伏板开关。网络层包括Cat.1模块、LTE基站和Cat.1平台，负责将处理好的数据传递给应用层，应用层的云服务器接收数据，云平台对数据进行处理并存入数据库中，用户使用计算机或手机端的云组态查看系统运行情况并可以对系统进行控制。

图2 系统总体框架图

2 硬件设计

系统的硬件结构主要由数据采集电路、固态继电器模块、Cat.1模块、主控芯片、时钟电路、复位和供电电路组成。主控芯片选用主频为72 MHz，有112个引脚和16路ADC，同时选用具有扩展性强、低功耗、运算效率高等特性的STM32F103，时钟电路和复位电路保证主控芯片的稳定运行，电源模块通过电压转换为STM32(3.3 V)和Cat.1模块(3.8 V)供电，系统硬件设计结构图如图3所示。

图3 系统硬件设计结构图

2.1 数据采集模块硬件设计

2.1.1 电压采集电路

电压采集电路图如图4所示，使用STM32的ADC对光伏输出的直流电压进行测量，针对系统的直流电压测量范围(0～200 V),采用电阻分压电路，使被测电压降至0～3.3 V，以满足ADC的电压测量范围。

图4 电压采集电路图

2.1.2 电流采集电路

选用ACS712霍尔电流传感器对直流电流进行测量，具有高精度、温漂小、连接方便等优点。原理为流经电流通过霍尔效应转化为成比例的电压，再经过其内部的调理电路后从端口输出，根据ADC采集电压大小计算出直流电流大小。应用电路图如图5所示，经调理电路将灵敏度系数由185 mV/A增益到610 mV/A，提高测量精度。

图5 电流采集电路图

2.1.3 温湿度采集电路

温湿度采集电路图如图6所示，采用单总线与STM32通讯的DHT22完成。其内部结构主要由1个湿敏电阻和1个负温度系数的热敏电阻组成，可同时对温度和湿度进行高精度测量。由于采用了单总线的通讯方式，其连接简单、可靠性高，DATA引脚使用了1个上拉电阻克服较长电路产生的寄生电容，从而确保了温湿度数据的准确性。

图6 温湿度采集电路图

2.1.4 光照强度采集电路

用BH1750采集光照强度数据，其内部结构包括光电二极管、运算放大器、ADC和晶振等。光电二极管在不同的光照强度下产生不同的电动势，经运放放大和线性处理后，通过I2C通信把数据传输给STM32，电路如图7所示。

图7 光照强度采集电路图

2.2 Cat.1模块硬件设计

Cat.1模块硬件电路设计如图8所示，WH-GM5是一款基于LTE Cat.1网络制式的通讯模组，采用LCC+LGA封装，方便调试和安装。覆盖国内主流频段运营商的LTE Cat.1网络，使用各大运营商的普通SIM卡即可联网，网络波动时可以自动切换到备用的2G网络，实时性和网络覆盖好，可以保证可靠的网络连接。可实现系统和云平台间的双向透传通讯和多路Socket通讯，支持心跳包功能，使连接更稳定，满足云平台的数据传输需求。根据官方设计手册完成Cat.1模块硬件电路设计，硬件电路包括模块功能电路、电源电路、SIM接口电路、复位电路、Reload电路、RF电路和运行状态指示灯电路等。

图8 Cat.1模块硬件电路图

2.3 继电器模块硬件设计

通过STM32的IO口控制固态继电器的通断，实现光伏板的开关操作。由于固态继电器的无机械运动的结构，通断时没有火花出现，提升了线路安全性[6]。针对系统的监测电压范围为0～200 V，监测电流范围为0～5 A，选用负载电压12～220 V，输出电流为10 A，控制电压为3～32 V，控制电流为5～20 mA的直流控直流型固态继电器作为控制器。STM32的PD2和GND引脚分别接入继电器的控制电源接口，当PD2引脚输出低电平时，继电器断开，光伏板处于关闭状态，PD2引脚输出高电平时，继电器闭合，光伏板开始工作。

3 软件设计

系统启动后，系统、传感器、Cat.1模块依次进入初始化，随后系统检测是否成功连接Cat.1网络，网络连接成功后，STM32循环采集数据，并对数据进行处理，然后通过Cat.1网络将数据传输到Tlink云平台上，直至用户将监控系统关闭，主程序流程图如图9所示。

图9 主程序流程图

3.1 数据采集模块软件设计

数据采集模块的程序用Keil对STM32编程实现，根据数据类型分为电压、电流、温湿度和光照强度采集程序。电压和电流通过STM32的ADC采集后进行换算，温湿度通过单总线通讯完成采集，DHT22最小读取间隔为2 s，大于其他传感器的读取间隔，所以数据采集模块的读取间隔周期应大于2 s，光照强度数据通过I2C通讯进行采集，需对STM32的I2C进行配置。数据采集的流程图如图10所示。

图10 数据采集流程图

3.2 Cat.1模块软件设计

通过使用WH-GM5模块，可以把监控设备与Tlink云平台连接实现交互功能。WH-GM5模块有3种通讯模式：网络透传模式是将打包好的数据按设定的地址进行传输，并不对数据本身进行加工的数据透明通信；HTTPD模式是模块向HTTP服务器发送请求并接收来自服务器的反馈信息；短信透传模式是用户可以通过短信的方式查看和控制运行设备。根据云平台的配置需求，选用网络透传作为系统和云平台的通讯模式。

TCP在收发数据前，通过3次握手协议建立可靠连接。可自定义数据格式的特性使其灵活性很高，相比UDP协议，数据传输更安全，稳定性更高，常应用于远程检测控制领域中。具有长协议连接、同连接传输不同系统的数据等特点。选用TCP作为传输协议，传输格式如图11所示。

图11 TCP协议传输格式

通过STM32发送AT指令对WH-GM5模块进行配置，工作模式为网络透传模式，连接类型为TCP长连接，并写入云平台的网络地址和端口。WH-GM5通过串口与STM32通信，还应将USART1波特率设置为115200，校验、数据、校验位分别设置为NONE、8、1，并且开启串口的接收中断，STM32接收来自WH-GM5的信息进行下一步操作。每次发送完毕后，WH-GM5对网络进行检查，若超过60 s网络异常，则WH-GM5进行重启。

3.3 Tlink云平台设计

系统采用Tlink云平台的云组态技术，Tlink集成了TCP、HTTP、MQTT、UDP、CoAP等物联网协议，连接了云平台、边缘计算网关、传感终端，实现了工业数字化，用户可以自定义搭建监控系统，具有安全性高、可靠性强、使用灵活等特点，已应用于电力、化工、环境等工业领域。

随着物联网技术的发展，使用云组态技术可以根据使用者的需求灵活搭建组态界面，将其运用在工业生产中可以方便地对工业设备进行监控运维[7]。与传统组态相比主要优势：使用便捷，直接通过浏览器即可配置和使用组态，支持不同操作系统的设备；只需简单操作即可搭建实用的组态界面；方便大数据处理和分析，传统组态长时间运行后无用数据堆积，导致运行效率变低，数据分析功能也需要大量的操作才能实现，云组态的数据自动存储至云端，通过数据库和智能算法满足数据采集和分析功能。

云平台的设计首先进行设备添加和编辑，根据STM32向Cat.1模块发送的数据格式建立相应的TCP协议标签，包括数据头、分隔符、数据和结束符标签，进入云组态的编辑界面，调整画布大小，添加文字说明、时间、天气等基本信息。然后添加和配置用到的交互和监测组件，如数值显示、开关、连接状态、可选时段曲线等，通过这些组件可以完成与云组态的人机交互，设置各个数据的报警区间，最后调整云组态的布局后保存并上传。图12为云组态的实时监控界面。

图12 云组态实时监控界面

4 测试结果

用户可以使用手机或计算机登录云组态对光伏发电设备进行实时监测和控制，实时性好，也可以通过报警记录和运行记录查看历史运行状况，平台根据运行数据自动生成曲线图和报表。通过监控系统的实时监控界面，可以直观了解光伏系统的运行状态，当数据异常时，系统会发出报警信息并通知运维人员处理故障。图13为运行记录界面，通过对运行记录进行分析可以避免出现安全事故，提升光伏系统运行的安全性。

图13 云组态运行记录界面

5 结论

本文提出的基于Cat.1的新型光伏发电监控系统，实现了随时随地通过云组态对光伏发电系统监控，相对现有的监测系统，采用云组态技术提升了人机交互能力，采用Cat.1网络进行通信，数据刷新率高、实时性强，操作反应迅速，对中速率物联网在数据监测和工业控制方面的使用进行了探索。