NB-IoT+云平台的分布式光伏监测系统
时间：2023-04-18 08:35:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杨鑫鑫，陈昌鑫，任一峰
(1.中北大学，省部共建动态测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；
2.中北大学电气与控制工程学院，山西太原 030051)
近年来，随着高比例可再生分布式能源系统的广泛建设和“碳达峰”、“碳中和”[1]的提出，以去中心化为特征的新型能源主体将成为电力市场的重要组成部分，构建以新能源为主体的新型电力系统刻不容缓。分布式光伏发电[2]为很好的选择，其具有清洁、低碳、安全、高效的特点，并且可以大范围应用于工业园区、居民建筑，可在农村、牧区、山区，发展中的大、中、小城市或商业区附近建造，解决当地用户用电需求。但是分布式光伏系统经常分散安装在屋顶，人工运维比较困难，所以无人化运行调度、故障预警[3]非常必要。如果想要实现以上两种功能，就需要进行无人化监测[4]。
汪添[5]提出基于光纤供能的全景视频监测系统研究，克服了由于系统供电不及时导致设备运行稳定性和图像传输质量下降的难题。王杰[6]依据电能质量电压偏差、频率偏差指标，采集智能光伏并网电能质量波动信号，自动化监测光伏并网电能质量波动。牛鸣原[7]将可视化技术与Web技术相结合，采用浏览器/服务器模式设计开发一套光伏数据可视化监测系统，将光伏数据直接呈现在运维人员面前。上述研究在光伏监测领域取得了一定的成果，但是有线监测随着人工成本的上升并不适用，同时，监测数据不够全面，无法观察到整个系统的运行情况。
针对现有分布式光伏系统的正常运行控制和异常状态预警监测需求，提出了一种基于NB-IOT+云平台的分布式光伏监测系统。
分布式光伏系统由光伏板、逆变器、储能电池、负荷等组成，光伏系统框图如图1所示。为使分布式光伏系统正常运行时能够控制能量有序流动，异常情况时及时预警以及事故发生后排查故障原因，需对光伏系统各部分均进行监测。
图1 光伏系统结构框图
基于NB-IoT+云平台的分布式光伏监测系统结构分为感知层、网络层和应用层，结构框图如图2所示。感知层由监测传感器构成，传感器直接安装在需要监测的光伏系统设备上，利用传感器采集数据，传输至单片机，暂存在寄存器中。网络层由物联网终端和云平台组成，物联网终端将数据打包发送至云平台，并对数据进行保存解析。应用层中运维人员可以实时查看分布式光伏系统的运行情况。
图2 监测系统结构框图
2.1 传感器选型
由于光伏板面积较大，室外环境恶劣，所以选用温度传感器MAX6675，从-40 ℃至+1 600 ℃均可连续测温，其具有测量精度高、热响应时间短、测量范围广等优点。光照强度传感器型号为BH1750，此传感器为数字型传感器，支持I2C通信接口，最大可测量为100 000 lx。利用TMR2501传感器[8]作为电流监测传感器，其测量范围广，输出信号为差分信号，将输出信号通过调理电路处理后，通过STM32的AD模块转换为数字信号。调理电路包括仪表放大电路、跟随电路、供电电路，其中仪表放大电路对信号进行放大，跟随电路起到缓冲、隔离、降低阻抗的作用。电压传感器采用闭环霍尔电压传感器[9]CHV-25P*/100，测量范围为0～±150 V。
2.2 主控电路
系统的硬件电路框图如图3所示，主要包括传感器组、调理电路、电源电路、NB-IoT模块[10]、STM32单片机。STM32单片机下发采集指令，采集时间为200 ms。将数据采集至单片机并进行整理打包，通过NB-IoT模块将数据发送至云平台，完成数据上传。
图3 硬件电路框图
2.3 数据传输电路
将传感器采集的数据按照Modbus[11]通信协议整理，如图4所示。通过RS485发送至NB-IoT模块，上传至云服务器，无需额外增加硬件。可以选择不同的IP地址和端口，将监测数据发送至不同的云服务器。NB-IoT模块选择塔石云DTU，具有RS232和RS485接口，5～36 V供电，30 s没有连接就会进入自动休眠，功耗最低可达0.08 W，支持6种协议，同时可以在手机端查看数据，不仅可以与塔石云连接，也可以与搭建的云服务器连接。普通的SIM卡即插即用。
图4 Modbus通信协议整理下的数据格式
2.4 NB-IoT模块配置
NB-IoT的优势在于：大连接、广覆盖、低功耗、低成本，而TCP设备在网络中具有唯一的地址，可以准确地传输信息并且减少数据流量的浪费。
利用NB-IoT模块配置工具设置和单片机一样的波特率9 600 bit/s，校验参数8位，停止位1位，选择TCP/IP透传[11]的工作模式，输入云端目标端口和目标地址，按照Modbus协议传输数据[12]，如果正常接收，客户端向服务器发送的数据字段就会接收显示。如果发生请求错误，这个字段就会出现异常码，不被解析。NB-IoT模块调试工具图如图5所示。
图5 NB-IoT调试工具
3.1 主程序设计
硬件系统上电后，将STM32单片机串口和NB-IoT模块初始化，当NB-IoT模块power灯亮起之后，开始对云端IP问询，建立连接之后，link灯亮起，表示连接成功。STM32单片机开始周期性地采集数据，按照从站地址+功能码+寄存器地址+数据+CRC校验码[13]的数据形式，进行打包。如果超过30 s没有数据发送，则NB-IoT模块重新上电，再次连接。主程序框图示意图如图6所示。
图6 主程序框图示意图
3.2 数据采集及传输设计
温度传感器MAX6675采用SPI串行输出温度值，将MAX6675的SCK、SO、SI接入STM32单片机IO口，光照强度传感器采用I2C总线通信方式，电流、电压传感器均接入STM32单片机AD模块。
NB-IoT模块DTU的目标端口为6430，目标地址为82.157.236.102，可根据用户不同的需求，输入云平台地址。配置完成后，进入配置状态、读取参数，配置工具窗口回复OK，说明连接成功，重启设备，即可开始使用，STM32将数据整理成十六进制数，同时在数据尾端加上CRC校验，将数据打包发送至云平台。
单片机选用STM32F103ZET6，向传感器组发送采集指令，传感器组接收到正确的指令就会回传数据，单片机暂存数据后，通过RS485串口发送至NB-IoT模块DTU。具体程序设计如图7所示。
图7 数据采集及上传程序设计
云平台选择腾讯云平台[14]的轻量应用服务器，可以开发各类测试环境，相比普通云服务器更加简单且更贴近应用。本系统在Win10环境下利用LabVIEW[15]软件编程开发，搭建TCP服务器，整个上位机程序以while循环和条件结构为基础，具体操作步骤为：初始化TCP网络连接IP和端口，将其捆绑为数组簇→打开侦听器→检查侦听，确认TCP连接成功→按照Modbus协议发送数据→读取数据，将数据拆分解析，显示在前面板→采集的数据被格式化写入文件保存→30 s没有数据传输自动关闭。搭建完成云平台后，将VI文件转为exe格式，同时下载安装包，登录腾讯云远程计算机IP地址，如图8所示。
图8 远程桌面登录界面
安装监测文件，即可完成云平台的搭建。采集硬件电路的NB-IoT模块为客户端，TCP服务器具有收发数据的功能，开启侦听器，传输时间设为100 ms，建立连接后，就可以互发数据，每次顺序将温度、光照强度、电流、电压数据打包发送，在服务器读取之后，截取字符段解析到显示界面，采用布尔元件，判定数据是否大于警告阈值或小于最低阈值，并发出预警警报。云端运行流程图如图9所示。
图9 云端运行流程图
在中北大学微电网实验室，利用200 W光伏板进行实验。该光伏板正常工作电压为12 V，正常工作电流为4 A±3%，短路电流为10 A±3%。在上午时间段进行监测测试。由于光伏板面积较大，温度传感器安装在光伏板的四周，取其平均值，光照强度传感器安装方向与光伏板面向方向水平，电流传感器选择光伏板的正接线端的导线，另外尽量避开其他导线，保持一定范围内只有正接线端的导线，减少其他导线产生的磁场对正接线端导线的影响，以免产生误差。在每次采集的过程中，需要TMR传感器紧贴导线，以免因为距离的原因导致误差的产生，电压传感器并联到电路中。另外，将监测主机云服务器置于实验室内，远程监测数据的采集结果，云端数据显示如图10所示。
图10 实验数据
本系统可以实时监测分布式光伏的运行情况，正常情况下，根据温度、光照强度、电压和电流传感器的测量数据，运维人员可以对电能的调度做出调整，异常情况下发出警报，及时提醒运维人员进行维修。另外，所有的监测数据均被储存在后台文件，以方便之后查看故障原因。
针对分布式光伏系统正常运行控制和异常状态预警监测需求，提出了一种基于NB-IoT+云平台的分布式光伏系统的监测系统，并进行了监测实验。实验验证了数据采集、传输、显示、分析及记录功能，该系统实现了分布式光伏运行状态的无人化实时监测。这些监测数据对于双碳目标下光伏微网能量有序调度和异常情况下的故障预警具有重要意义。
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