基于LabVIEW的光伏電站發(fā)電設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘要：本文基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺，設(shè)計了一套光伏電站發(fā)電設(shè)備溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)。通過對光伏組件溫度和環(huán)境溫度的監(jiān)測，不僅為系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定提供了保障，還為光伏發(fā)電量的預(yù)測提供了有力的依據(jù)；系統(tǒng)還可以實時監(jiān)測防雷匯流箱、并網(wǎng)逆變器和變壓器的溫度、變壓器運行狀態(tài)、故障信息等，及時掌握工作現(xiàn)場發(fā)電設(shè)備運行情況，從而有效降低了發(fā)電系統(tǒng)的故障率。 　　1引言 　　光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、匯流箱、并網(wǎng)逆變器、變壓器等設(shè)備組成。在光伏電站實際運行中，有時會因為設(shè)備故障導(dǎo)致其工作溫度過高，如變壓器的軸流風(fēng)機發(fā)生故障而無法啟動，導(dǎo)致變壓器工作溫度過高；或由于設(shè)備的工作溫度過高，影響光伏發(fā)電設(shè)備的壽命和故障率，如逆變器工作溫度過高，會影響其內(nèi)部器件尤其是IGBT器件的工作壽命，并增加故障率。針對上述兩種情形，如果能實時掌握設(shè)備運行時的溫度，則不僅能對光伏發(fā)電設(shè)備的運行狀態(tài)做出預(yù)測，還可及時針對故障采取有效的防范措施，降低系統(tǒng)故障率，提高系統(tǒng)運行的安全可靠性。 　　但目前，多數(shù)光伏電站均利用人力定時巡檢，這不僅增加了運行人員的工作量，更降低了系統(tǒng)運行的可靠性、安全性。針對上述問題，本文開發(fā)了一套基于LabVIEW的光伏電站發(fā)電設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能： 　　（1）實時監(jiān)測光伏組件、匯流箱、逆變器、變壓器和室外環(huán)境的溫度，并具有溫度越線告警、超高溫告警等功能； 　?。?）對光伏電站正常運行極為重要的變壓器設(shè)備采用故障優(yōu)先報警模式； 　?。?）具有數(shù)據(jù)存儲、曲線存儲、報表打印、歷史數(shù)據(jù)回訪等功能，加上其友好、簡約的上位機界面，為用戶操作提供極大方便。 　　該系統(tǒng)的應(yīng)用可有效降低光伏電站的故障率，提高光伏電站的安全可靠性，減輕運行人員的工作量，提高運行管理的自動化程度，推動光伏發(fā)電行業(yè)科學(xué)技術(shù)的進步，為未來光伏發(fā)電事業(yè)的發(fā)展起到示范作用。 　　2監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu) 　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　本系統(tǒng)硬件主要由室外溫度傳感器、匯流箱、逆變器、變壓器溫控表、485集線器、RS485-RS232串口轉(zhuǎn)換器等設(shè)備構(gòu)成。 　　在5#發(fā)電單元設(shè)計有室外溫度傳感器，采集光伏組件溫度和室外環(huán)境溫度，用于光伏發(fā)電量預(yù)測系統(tǒng)研究；每臺匯流箱內(nèi)部設(shè)計有溫度傳感器，主要采集其箱體內(nèi)部溫度，因為當(dāng)匯流箱設(shè)計參數(shù)不符合要求或其接線工藝不符合標(biāo)準(zhǔn)，則會導(dǎo)致箱體內(nèi)部溫度異常；針對逆變器主要監(jiān)測其內(nèi)部器件溫度和接線端溫度，防止溫度過高影響器件和電纜的壽命；變壓器主要采集其三相溫度，針對風(fēng)機啟動、超溫、跳閘等狀態(tài)具有報警功能。本系統(tǒng)通訊方式采用RS485通訊，該方式結(jié)構(gòu)簡單、通訊可靠、成本低廉。 　　2.2RS485拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計 　　RS485通訊的拓撲結(jié)構(gòu)主要有手拉手總線結(jié)構(gòu)、星型拓撲結(jié)構(gòu)、樹型拓撲結(jié)構(gòu)等，如圖1所示。 　　星型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、通訊速率高，但這種方式布線較多，不經(jīng)濟，而且當(dāng)線路較長時，會產(chǎn)生反射信號，從而影響485通信質(zhì)量。 　　樹型拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)點是布線較簡單、可擴展性好，但是該方式需要485中繼器輔助實現(xiàn)，成本較高。 　　手拉手總線結(jié)構(gòu)是常用方式，雖然布線較復(fù)雜，但具有傳輸可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點，而且本光伏電站占地面積廣，設(shè)備與主控室間距離遠，采用手拉手總線方式可延長傳輸距離、保障傳輸質(zhì)量。 　　由于本系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備較多，因此采用總線拓撲結(jié)構(gòu)為主，星型拓撲結(jié)構(gòu)為輔的混合性拓撲結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架見圖2所示。 　　從圖2可知，底層設(shè)備（溫度傳感器、匯流箱、逆變器和變壓器溫控表）間采用總線拓撲結(jié)構(gòu)，使得通信安全可靠；5個逆變站與主控室間的通訊采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，可有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率。在此，采用485集線器來增強帶負載能力和抗干擾能力，使得通信更穩(wěn)定、準(zhǔn)確、迅速。 　　3監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　3.1 編程環(huán)境簡介 　　本文軟件在LabVIEW環(huán)境下實現(xiàn)。LabVIEW由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的程序開發(fā)環(huán)境，與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 　　LabVIEW的主要特點：①盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件；②可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。③用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器；④完全模塊化程序，無須編寫復(fù)雜的代碼，簡單易學(xué)。 　　3.2通訊協(xié)議介紹 　　本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485ModBusRTU通信協(xié)議，即“9600，n，8，1”，波特率9600（可選），無校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。采用CRC校驗方式，從地址字節(jié)開始到校驗之前的所有字節(jié)。 系統(tǒng)采用上位機發(fā)送查詢命令、下位機響應(yīng)并返回應(yīng)答命令方式。 　　上位機查詢命令幀格式為： 　　下位機應(yīng)答命令幀格式為： 　　3.3系統(tǒng)軟件實現(xiàn) 　　逆變器和變壓器溫控表與上位機通訊采用RS485通訊方式，因此，需要在LabVIEW中調(diào)用串口通訊模塊，并根據(jù)通訊協(xié)議對其進行正確配置，系統(tǒng)軟件主程序流程如圖3所示。 　　在主程序運行過程中，調(diào)用了Serial-Read子程序，該子程序主要功能是完成上 位機與底層設(shè)備間的串口通信功能，Serial-Read的流程圖如圖4所示。在Serial-Read 程序中又調(diào)用了CRC-16校驗碼計算子程序。 　　CRC校驗碼計算程序框圖和計算流程如圖5所示。 　　4實驗及調(diào)試 　　本系統(tǒng)已在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市的神舟電力5MW光伏示范電站中應(yīng)用。該示范電站分為5個發(fā)電單元，共有172臺匯流箱、28臺逆變器和5臺變壓器，逆變器和變壓器分別布置于五個逆變器室內(nèi)。其中，距主控室最遠的距離達到400米以上。 　　利用所編制的軟件對5個區(qū)發(fā)電區(qū)的光伏組件溫度、環(huán)境溫度、172臺匯流箱箱內(nèi)溫度、28臺逆變器工作溫度和5臺變壓器工作溫度進行了現(xiàn)場監(jiān)測，調(diào)試界面如圖6所示。為驗證上位機串口讀取數(shù)據(jù)的正確性，在實驗過程中，布置一位現(xiàn)場查看人員，通過對講機與主控室調(diào)試人員進行核對。并通過人為設(shè)定變壓器的風(fēng)機啟動、超溫、跳閘的溫度閾值來測試報警功能是否正常。 　　經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)可實現(xiàn)光伏組件溫度、環(huán)境溫度、匯流箱溫度、逆變器溫度和變壓器三相溫度的實時監(jiān)測顯示，并可通過曲線方式進行數(shù)據(jù)分析；可實現(xiàn)變壓器狀態(tài)顯示、故障報警（包括語音報警）等功能；并且可將變壓器溫度數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息存儲、打印，也可進行信息回訪（由于篇幅有限，在此不以圖片形式展示）。 　　5總結(jié) 　　本文運用美國NI公司的LabVIEW軟件開發(fā)平臺，研制了一套光伏電站發(fā)電設(shè)備溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計理念，運用分層次調(diào)用子程序方式，提高程序的擴展性和可維護性；開發(fā)可視化、友好化人機交互界面，更方便用戶系統(tǒng)管理。將該系統(tǒng)運用到大型光伏電站中，不僅大大減少運營人員的巡檢強度，而且顯著的提高了光伏電站運行效率，有效保障了電站的安全可靠性，并為光伏發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)、運營維護起到示范作用。