1 引言

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量輸出因周圍環(huán)境的變化而表現(xiàn)出較大的差異，對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可以獲得原始測量數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化以及以后的科學(xué)研究提供有用數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)及其系統(tǒng)本身的電氣性能進(jìn)行監(jiān)測和分析是保證系統(tǒng)正常高效運(yùn)行的前提。光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行一般是在無人職守的情況下進(jìn)行，對地面上很分散的光伏系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測維護(hù)是十分困難繁瑣的，需要大量的時間和人力物力，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義。Labview可以利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應(yīng)用。靈活高效的軟件可以創(chuàng)建自定義的光伏監(jiān)測系統(tǒng)的用戶界面并能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，可以方便的設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲的方式[4].模塊化的硬件能方便的提供全方位的系統(tǒng)集成，另外Labview還有網(wǎng)頁發(fā)布、報(bào)告生成、數(shù)據(jù)管理以及軟件連接等功能。本文利用Labview的強(qiáng)大功能配合FieldPoint模塊化分布式I/O設(shè)計(jì)了一種光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，并通過網(wǎng)頁發(fā)布的功能達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。

　　2 光伏監(jiān)測系統(tǒng)原理

　　圖1為光伏數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的原理框圖。用電流、電壓、溫度、風(fēng)速等傳感器感應(yīng)光伏發(fā)電系統(tǒng)及周圍環(huán)境的信息，生成可測量的電信號。由于傳感器得到的信號可能會很微弱或者含有大量噪聲，需通過信號調(diào)理裝置進(jìn)行放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波等操作。通過調(diào)理后的信號就可以與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接了。監(jiān)測系統(tǒng)采用工業(yè)RS485總線實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與監(jiān)控主PC之間的通訊。RS485總線最大的通信距離約為1219m,最大傳輸速率為10Mb/S,傳輸速率與傳輸距離成反比，在100Kb/S的傳輸速率下可達(dá)到最大的通信距離，加中繼器以后可以達(dá)到更大的傳輸距離。Labview軟件及其配套的DAQ（Data Acquisition）驅(qū)動程序與數(shù)據(jù)采集硬件形成了一套完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。同時Labview軟件還能夠完成數(shù)據(jù)存儲任務(wù)，以便為以后的科學(xué)研究提供可靠數(shù)據(jù)。通過軟件中的Web發(fā)布工具，可以通過互聯(lián)網(wǎng)隨時登入監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測。

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圖1??? 光伏數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

　　3 光伏監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 傳感器和變換器

　　光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)需要從現(xiàn)場獲取的信息主要包括：①光伏方陣運(yùn)行時的直流電流值、電壓值、功率值，以及經(jīng)過功率調(diào)節(jié)器以后的蓄電池充電參數(shù)。②采集風(fēng)速值、光伏組件表面和周圍環(huán)境的溫度以及太陽的輻照度。③通過一定時期內(nèi)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)發(fā)電量、平均溫度、平均輻照度等數(shù)值的計(jì)算。

　　采用與以上信息相對應(yīng)的傳感器和變換器對數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，溫度傳感器采用精密鉑電阻溫度傳感器PT100,該傳感器按照IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制作，利用鉑電阻在溫度發(fā)生變化時其電阻值也發(fā)生變化的特性來測量溫度，傳感器元件由鉑絲燒制，穩(wěn)定性高，測量范圍廣，利用兩個溫度傳感器可以分別對光伏組件表面溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行測量，將被測溫度轉(zhuǎn)換成（4~20）mA DC二線制標(biāo)準(zhǔn)信號而遠(yuǎn)程發(fā)送。電壓的測量采用四通牌ST-A系列的STCV-800電壓傳感器，該系列傳感器廣泛用于電力系統(tǒng)的監(jiān)測，電壓測試范圍分別為0~1200V.直流電流的測量選用武漢儀表公司生產(chǎn)的HD系列高精度直流大電流傳感器。其工作原理如圖2所示。

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圖2 電流傳感器原理圖

　　采用磁性比較方法，M為高導(dǎo)磁率材料鐵芯，、為比例繞組，、分別提供給、直流電流。得到的直流磁勢分別為， ,由于兩個磁勢和方向相反，當(dāng)時，即鐵芯內(nèi)合成磁通為零時，磁勢平衡方程為，且當(dāng)時，.上述說明，即使是一個數(shù)值較大的單個電流，只要有足夠的匝數(shù)，便可以用較小的與之平衡，并可用表示相應(yīng)的數(shù)值，數(shù)值較小，便于直接進(jìn)行精密測量，且為常量不受其他量的影響，因此用磁性比較方法測量直流大電流可以達(dá)到較高的精度。同樣風(fēng)速、太陽輻射量等信號的測量選用與光伏發(fā)電系統(tǒng)相配套傳感器和變換器將信號其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號才能送入數(shù)據(jù)調(diào)理單元。

　3.2 信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集裝置

　　直接采集來的信號由于噪聲等原因不一定能夠滿足采集系統(tǒng)的要求，為了適合數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號必須經(jīng)過處理。信號調(diào)理裝置能夠按照要求放大或者縮小電壓電流范圍，并對信號進(jìn)行隔離濾波等處理。光伏監(jiān)測系統(tǒng)的信號調(diào)理圖如圖3所示。

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圖3 光伏監(jiān)測系統(tǒng)的信號調(diào)理

　　信號調(diào)理裝置SCXI（Signal Conditioning Extension for Instrumentation）由信號調(diào)理機(jī)箱、信號調(diào)理模塊和信號連接端口組成。分布式信號采集系統(tǒng)采用模塊化的方式，完成信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通訊的功能。分布式信號采集系統(tǒng)非常適合于工業(yè)現(xiàn)場的測試，它可以使信號調(diào)理在靠近傳感器的位置進(jìn)行。監(jiān)測系統(tǒng)采用NI公司的FieldPoint模塊化分布式I/O產(chǎn)品，利用RS485串行接口可以方便的連接到本地PC.FieldPoint內(nèi)裝信號調(diào)理部件，可以直接連接到傳感器，具有精確可靠的16位模擬輸入，可供混用與搭配的獨(dú)立I/O模塊能夠在惡劣環(huán)境下使用。另外，F(xiàn)ieldPoint具有將I/O功能、信號終端和通訊方式模塊化的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短而且性能穩(wěn)定，F(xiàn)ieldPoint系統(tǒng)包括大量隔離模擬與數(shù)字I/O 模塊、接線座， 以及網(wǎng)絡(luò)接口， 以便更容易地與標(biāo)準(zhǔn)開放式網(wǎng)絡(luò)相連接[9].用戶可以單獨(dú)選擇最合適的特定應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)接口模塊、I/O 模塊或信號終端類型。光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)選用NI FP-AI-110 單端輸入模塊、NI FP-TC-120 熱電偶模塊和NI FP-1001 網(wǎng)絡(luò)接口模塊。

　　由于太陽能輻射傳感器是利用其頂部的光電探測器來測量太陽輻射的，能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換為電壓信號，于是采集選用NI FP-AI-110模塊，它是8通道單端輸入模塊，用于從各種傳感器直接測量電壓和電流信號。 溫度的采集選用NI FP-TC-120,8通道熱電偶模塊，操作溫度范圍為-40到70°C ,用于標(biāo)準(zhǔn)J、K、T、N、R、S、E和B熱電偶的溫度的測量，具有信號調(diào)理、雙層絕緣隔離、輸入噪聲過濾的功能和高精度delta-sigma 16位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，保證測量數(shù)據(jù)的精確。以上兩模塊均提供HotPnP（熱插拔）操作且配置簡單，可自我診斷和自動調(diào)整到工程單位，是專為高效高可靠度的測量而設(shè)計(jì)的，提供濾波處理的低噪音16位分辨率模擬輸入和過量程保護(hù)、板載診斷的功能都確保了無故障的安裝和維護(hù)，且均附有NIST校準(zhǔn)認(rèn)證書以確保精確可靠的模擬測量，非常適合在光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)FieldPoint和RS485總線之間的通訊，還采用NI FP-1001網(wǎng)絡(luò)接口模塊，每個FP-1001網(wǎng)絡(luò)模塊可將多達(dá)9個FieldPoint I/O 模塊作為結(jié)點(diǎn)連接到RS485網(wǎng)絡(luò)。FP-1001通過FieldPoint端子基座連成的本地高速總線，管理PC和I/O模塊間的通信。 FP-1001還提供若干診斷和自動化的功能，令安裝、使用和維護(hù)得以簡化。