彭磊
上海来有信信息技术有限公司 上海市 200120
摘要：节能减排战略下，光伏系统设计工作备受关注，设计人员从硬件、软件两方面拓展思路，基于数据采集、数据分析改进发电系统，从而提高发电效率，确保电能持续、稳定供应。本文从温度采集、光照采集、通信系统硬件信息三方面进行硬件设计，接下来分析软件设计要点，从整体上提高光伏数据采集系统实用性。希望该论题能为相关设计人员提供参考，真正丰富光伏系统数据采集的设计经验，推动发电行业可持续发展。
关键词：光伏系统；数据采集；设计；实现
引言：近年来，光伏系统高效发电内容引起研究学者的重视，为充分利用太阳能，务必在光伏数据采集方面精益化设计，确保太阳光线与光伏阵列垂直照射，实现高效发电目标，满足新能源开发需求，真正推动社会经济、世界经济稳健发展。随着光伏应用市场缺口的扩大，光伏系统数据采集设计与实现具有必要性和迫切性，所得到的研究结论能为远程数据通信及网络监控管理系统常态化运用提供正向指导，取得新型能源合理化配置的良好效果。
1.硬件设计
光伏系统发电效果能否达到预期要求，这与太阳能电池板位置、角度有一定联系，然而位置、角度摆放的适宜性受测试数据引导[1]。基于此，提出光伏系统数据采集设计需求，通过获取温度、光照、通信等数据，真正优化硬件质量。下文围绕硬件设计重点分析：
1.1温度采集部分
光伏系统采集温度数据时，重点采集环境温度和工作温度，针对硬件设计时，应考虑到环境复杂性，以及采集要求的多变性，保证设计后的硬件具有较强实用性，使温度数据全面采集、稳定传输。现今，温度传感器类别多样，不同温度传感器的工作性能、测量精度存在差异。其中，铂热电阻+精密型浮动电流源形成了良好线性关系，从电路信号和电阻值中得以表现。温度采集电路环节，恒电压激励下测流过电阻的电流法更具实用性，能够准确得出阻值[2]。采集电路一般由信号滤波放大电路、电流源、两路温度检测切换控制开关这三部分组成。
1.2光照采集部分
光电池（）用于光照采集，应在线性度方面符合相关标准，必要时进行线性补偿，即多量程自动切换器+分段线性插值算法处理非线性问题。考虑到光强变化幅度较大，即上百Lx~十几万Lx，意味着光电池光电流变化范围较大。测量过程中，既要保证测量精度，又要实现自由切换，这为多量程自动切换器设计与实现提供机会。立足实际，多量程自动切换器在倍数调节中灵活反映，这与温度切换电路同理。
1.3通讯系统的硬件部分
通讯电路硬件主要包括芯片、外界总线等，为保证通信质量，势必要排除电波干扰，并全面保护电阻，避免出现信号反射、短路、系统故障等问题。以福建莆田佳通轮胎18.223MW光伏项目监控系统设计为例，监控系统由安全型通讯屏柜（数量为一台）组成，内部安装DMP8口以太网交换机/DMP4028-8T*1、(D型)光伏采集网关DMP-3301T-3/PV gateway-DMP-3301T-3*2、隔离装置syskeeper 2000（正向）/GAP syskeeper2000(F)*1、华为防火墙USG6320*1、4G路由器-TR321-A-C*1[3]。网络信息时代下，光伏系统数据采集工作涉及物联网智能终端，该终端应具有4G/LTE（全网通）通信能力，真正满足边缘计算、算法配置等需求，确保关键数据按照既定的时间要求发送到云平台，实现通信系统硬件部分稳定运行。
在此期间，光伏逆变器在光伏阵列中协配，起到系统平衡作用，并具备最大功率点追踪、孤岛效应保护等功能。光伏逆变器硬件接口设计时，考虑四方内容，即①提供RJ45母头连接、提供485连接接口、提供调试串口连接、提供SIM卡和插槽。其中，接口线序为：1和4为5v→2和5为地→3为485b→6为485a→7为调试串口485a→8为调试串口485b。SIM卡、插槽供应时，如果无适宜空间，那么需要顶部和底部分离，直接在电路板上操作。选择通讯系统硬件产品时，优选插拔式数据采集器（采集棒）/简易型数据采集设备。硬件产品适用条件总结为：支持多种逆变器通讯协议；通信方式包括Ethernet/WiFi/4G/Zigbee等多种，其中，插拔式数据采集器适用4G通信方式；附加设备包括电表、辐射传感器、温度传感器等，其中，插拔式数据采集器与逆变器相连；多用于室内安装，或者简单防护安装或遮挡的室外安装；内含Web Server[4]。
2.软件设计
系统软件在光伏系统数据采集中起到关键性作用，再加上，软件为硬件运行传输指令，所以要合理设计软件，使其具备数据信息显示、警报信息传递、数据库、通讯等功能。设计过程中，根据功能模块进行结构调整，使主程序、子程序、中断服务程序的设计任务顺利完成。
2.1设计思路
主程序设计（流程如图1）时，单片机（型号）初始化→计数器重置→A/D采样→增加采样频次（满十次）来减小误差→计算温度值或光强值→处理模拟通道→等待传送中断→计数器重置[5]。温度（）计算的过程中，根据t取值范围来选择相应的计算公式，当t大于-200，但小于零时，参照R0[1+at+t2+t3（t-100）]来计算；当t取值在0和850之间，参照R0[1+at+t2]来计算。计算光强值时，基于量程采样（AD），根据采样值多少来确定量程的增减，当采样值是零，需要增大量程；当采样值不小于3V，应在实际量程值的基础上减少，使采样值恢复到零和3V之间[6]。量程值得出后，根据阻值算出光电流大小。实际上，基于光电池（）光强特性运用分段性差值算法，实现非线性向线性拟合，利用光电流求出光照强度。设计子程序（初始化）时，针对硬件工作方式设定、系统运行参数、变量初始化等内容设计。对于中断服务子程序，基于RS-485通讯启动定时装置，目的是衡量接受超时状态和时间，一旦三字节时间内未收到数据，需要关闭定时中断，针对已接收数据有效处理。即便字节数增多，仍能满足数据高精度处理需求。实际上多种子程序内含于中断服务子程序，具有时效性强、实时响应等功能。
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光伏逆变器智能运维终端软件协议设计总结为六点，即支持Modbus协议从逆变器取数据、Modbus地址协议遵从约定附件格式；使用XML的格式向云端上报数据（遥测和遥信数据）、数据格式遵从约定附件格式；支持HTTP和HTTPS向云端上报数据；支持DNS，主要是NTP服务器域名解析；支持NTP协议，从公网NTP服务器取时间；支持通过串口管理软件对设备的配置。
2.2软件实现
针对设计完成的光伏数据采集系统测试，针对测试结果整理分析，从中得出太阳能资源向电能资源转化情况，推动光伏发电工作迈向新台阶。考虑到光伏系统设备的成本较高，并且设备性能、系统状态直接影响用户用电体验，以及企业经济效益和社会综合效益，对此，要在光伏项目监控系统研究中加大力度，通过系统检测预防光伏发电风险，从而制定相应的应急预案，使损失最小化。
2.2.1调试监控系统
光伏电站监控系统（结构如图2）用于获取远程数据通信、光伏组件及相关电力设备的运行数据，待数据信息通过网络传输到云端后台的监控系统，实现光伏电站运行信息的实时监控和线下运维调度配合，满足安全运行及有效管理需求。系统调试实施阶段，遵循采集通道开通及测试→通讯线路部署→通讯管理机采集配置→正向隔离装置、网络防火墙、4G路由器的调试→数据验证校对这一步骤。各阶段的实质性内容总结为：基于网络拓扑组建箱变测控环网，并开通IEC104的转发通道，借助PMA工具模拟主站完成通道测试，通道链路打通后，回复相应数据。固定安装通讯屏柜，并连接通讯屏柜电源线，连接箱变测控环网与交换机，测试、观察线路接通状态。针对通讯管理机内机采集配置，按箱变测控厂家转发的IEC104通讯点表编辑配置，接下来进行内部UDP转发，最后对通讯管理机外机采集配置，根据内机转发的UDP通讯点表完成编辑配置。根据现有IP配置正向隔离装置；在防火墙设置环节，读取、设置外网IP，基于安全策略过滤外部网络攻击；4G路由器插上4G物联网卡，通电后就可以正常提供网络。待设备配合和调试完毕后，借助管理机显示终端对光伏区设备的数据检索、校对，如发现错误及时修正。校对无误后，说明监控系统调试完毕。
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在项目验收报告中显示安装与调试结果，即安装质量、布线质量符合行业标准；上电验收工作正常；通讯验收、功能验收均正常。光伏电站气象传感器设备中网关通讯屏柜体/ Data Acquisition Gateway Rack（一套）、D型光伏采集网关DMP-3301T-3/PV gateway-DMP-3301T-3（两台）、隔离装置syskeeper 2000正向/GAP syskeeper2000F（一台）、华为防火墙USG6320（一台）、DMP8口以太网交换机/DMP4028-8T（一台）、4G路由器-TR321-A-C（一台）、移动4G流量卡（一张）的数量合格，并且实际功能与产品描述（依次对应安装与保护采集设备、数据采集及转发、网络隔离、防火墙，防止网络攻击、网络交换、为整站提供网络、放在4G路由器内提供网络）相一致，准予验收。
2.2.2对比分析所采集数据
光伏逆变器智能运维终端软件数据采集如约进行，即16-19个数据类型(电流、电源、频率、温度、湿度等)；每十二分钟上报一次数据；个别数据由逆变器接收（1次/s），当接收数据数量为十五个，将数据平均值再次上报；立刻上报重要数据；内含遥信、遥测（逢变上传）数据；单台逆变器下连约二十个采集点。如约上报XML数据：逆变器序列号与数采序列号一致；逆变器型号（SG-额定功率值）；设备UID使用数采序列号末两位；数采UUID使用数采序列号[7]。
2.3系统应用
分析小型户用光伏数据采集系统应用现状，了解这一系统的远程监控和常规运维管理现状，掌握该系统对业主和运维服务商提供的光伏发电系统监测、故障预警和统计分析等服务的效果，达到低成本、快速接入、数据高效管理、全过程监控、设备远程管理等目的。数据采集环节提供后台设备数据服务，即持续监听端口，动态采集接收逆变器、智能电表等设备发送的数据，根据不同的设备类型、品牌和型号使用相应的数据解析协议进行解析，对数据进行分析和结构化处理后存储到数据库中。当户用+监控系统模式面向光伏发电系统监控人员、客户服务人员、终端用户、设备供应商大范围推广，实施岗位责任制，使电站监控管理功能全面发挥。对于电站监控人员来说，利用小型户用光伏数据采集系统查看当前发生故障电站、故障信息、历史故障记录。对于客户服务人员来说，能够借助这一系统查看和处理客户报修的故障、查看和回复客户提交的咨询和反馈。对于电站监控人员来说，利用该系统统计报表，具体功能总结为：统计装机以表格、图表呈现；统计发电量；统计故障数；分析日均等效发电小时；分析故障率；统计厂商；统计设备型号统计等。
结束语：综上所述，光伏系统数据采集设计与实现的探究意义不言而喻，对于光伏发电领域的工作者来说，会及时抓住行业发展机遇，探索数据处理技巧，为光伏数据采集系统有效运用提供新思路、新方法，大大提高光伏发电效率。从硬件设计、软件设计两部分入手，从整体上提高光伏数据采集设计水平，取得新型能源开发与利用的良好效果。随着新能源需求量的激增，日后光伏系统数据采集设计与实现能够得到基础支撑，使得光伏电站行业持续、稳健发展。
参考文献：
[1]莫康信,李延峰,王智聪.光伏电站环境监测系统的设计与实现[J].工程技术研究,2019,4(9):4-6.
[2]付晓光,李海建,祝海龙.光伏组件光谱入射角特性检测系统的设计与实现[J].中国建材科技,2020,29(3):20,19.
[3]李春枚,郝金平.分布式光伏电站监控系统的设计与实现[J].科学家,2017,5(12):85,115.
[4]蒲文君.光伏电站远程监控系统的设计与实现[J].城市建设理论研究（电子版）,2016(12):3467-3467.
[5]冯志刚,宋子慧.光伏组件表面清扫控制系统设计与实现[J].电子设计工程,2020,28(2):173-179.
[6]甘家强,韦秋冬.浅析新型光伏发电数据采集系统的设计[J].数码设计（上）,2020,9(10):91.
[7]卞楠,马聪.基于CPLD的光伏数据采集系统的设计[J].电子技术应用,2016,42(2):68-70.
简介：彭磊；1988.08，男，汉族，河南省信阳市人，河南工业贸易职业学院，大专学历，数字控制专业，从事电力行业，电力自动化通讯及技术支持十年有余，参与公司技术方案的研发、改进与实施工作