張坤乾， 孫 霞， 楊光晨， 趙厚群

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

我國(guó)承諾將在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060年是實(shí)現(xiàn)碳中和，以及近期東北地區(qū)將限電措施由工業(yè)用電擴(kuò)展到生活用電領(lǐng)域，可以看出，“能耗雙控”(控制能源消費(fèi)總量、控制能源消耗強(qiáng)度)正在影響著我們的日常生活。傳統(tǒng)的能源不斷減少，以及火力發(fā)電對(duì)環(huán)境造成的影響，為了減少污染物的排放，新能源發(fā)電具有非常重要的地位。作為新能源的代表之一，光伏發(fā)電正在以每年發(fā)電量的固定增加進(jìn)入到我們生活中。光伏發(fā)電的主要原理是利用了光生伏特效應(yīng)，通過(guò)光伏組件中的PN結(jié)將光子轉(zhuǎn)化為電子，進(jìn)而產(chǎn)生電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、匯流箱、逆變器以及控制柜等幾部分組成。在大型光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，為了減少光伏組件與逆變器之間的電氣連接數(shù)量，同時(shí)降低成本，便于日常維護(hù)，采取在光伏組件與逆變器之間加一個(gè)中間連接裝置，即匯流箱。因此，提出一種基于NB-IoT的光伏發(fā)電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠采集所需光伏發(fā)電匯流箱的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而降低光伏發(fā)電站的事故發(fā)生率，同時(shí)提高光伏發(fā)電的發(fā)電量以及發(fā)電效率。

1 NB-IoT的選擇以及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NB-IoT是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things)，是一種新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。它與LoRa以及ZigBee相比具有大連接、低成本、廣覆蓋、低功率等特點(diǎn)。所以選用NB-IoT作為無(wú)線通訊。

NB-IoT無(wú)線通訊技術(shù)能將整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層以及感知層。如圖1所示，通過(guò)NB-IoT的感知層實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)對(duì)象設(shè)計(jì)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)傳輸至基站，再上傳到云平臺(tái)，通過(guò)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)手機(jī)或電腦端的在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由電源供電模塊、NB-IoT模塊、微控制器模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊組成。主控芯片采用STM32F103單片機(jī)，溫度傳感器、霍爾電流傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，將采集的數(shù)據(jù)利用NB-IoT通信模塊上傳至云平臺(tái)，用戶可以通過(guò)手機(jī)或電腦端對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 微控制器模塊

系統(tǒng)選用STM32F103C8T6作為主控芯片，該芯片基于32位ARM Cortex-M內(nèi)核，有64KB的程序儲(chǔ)存器，工作時(shí)的頻率最高可達(dá)72MHz，程序存儲(chǔ)器類(lèi)型是FLASH, 16KB RAM, 正常工作時(shí)所需電壓為2V～3.6V，所需溫度為-40℃～85℃，容量大，搭載WH-NB73模塊能夠?qū)崿F(xiàn)NB-IoT無(wú)線通信。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

溫度測(cè)量采用DS18B20溫度傳感器，電流測(cè)量采用ACS712-05B直流電流霍爾傳感器。

2.2.1 溫度傳感器

光伏發(fā)電匯流箱的工作環(huán)境為-25℃～50℃，DS18B20溫度傳感器的測(cè)量范圍為-55℃～125℃，固有測(cè)量誤差1℃，工作電壓3V～5.5V，符合設(shè)計(jì)以及測(cè)量的要求。DS18B20是一款常用的數(shù)字溫度傳感器，體積小，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，其以9-12位數(shù)字量方式串行傳送，輸出為數(shù)字信號(hào)，便于用戶直接讀取并監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2.2 霍爾電流傳感器

電流采集電路選用直流霍爾電流傳感器，在光伏組件與匯流排之間接入霍爾傳感器，電流經(jīng)過(guò)電流傳感器后輸出0～5V的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)比例運(yùn)算放大電路將該電壓信號(hào)降為0～2.5V，由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成便于用戶直接讀取的數(shù)字信號(hào)輸出。直流霍爾電流傳感器采用的型號(hào)為ACS712-05B，其輸入電流范圍為0～5A，輸出電壓范圍為0～5V，輸入輸出呈現(xiàn)線性相關(guān)，誤差較小，僅為1%，滿足要求。

2.3 NB-IoT模塊

通訊模塊選用MTK平臺(tái)的新款NB-IoT BC26模組。BC26基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺(tái)研發(fā)，支持全球頻段，具有廣覆蓋的特點(diǎn)。BC26支持低壓供電，正常工作電壓范圍為2.1V～3.63V，一般情況下典型供電電壓為3.3V；正常工作溫度范圍為-35℃～75℃，特殊條件下工作溫度可達(dá)到-40℃～85℃。在設(shè)計(jì)上，BC26采用LCC封裝，同時(shí)能夠兼容GPRS/GSM系列模組，使用戶可以簡(jiǎn)便快捷切換到NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

2.4 系統(tǒng)供電模塊

如圖3所示，系統(tǒng)供電主要采用光伏發(fā)電系統(tǒng)作為主要的供電方式，同時(shí)配置蓄電池作為輔助供電方式。當(dāng)光伏發(fā)電量充足時(shí)，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，以便在陰雨天氣時(shí)蓄電池中的電能能夠支持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。由于設(shè)計(jì)所用芯片都可以使用DC 3.3V作為供電電壓，所以需要先將220V交流電壓降為3.3V直流電壓。首先選用LH25-20B12芯片將AC 220V穩(wěn)定輸出DC 12V，其后選用LM2576T芯片高效輸出DC 3.3V。

圖3 系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)首先要對(duì)微控制器模塊、NB-IoT模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等進(jìn)行初始化處理，隨后將各傳感器采集得到的數(shù)據(jù)由NB-IoT模塊傳送至云平臺(tái)，再上傳至用戶手機(jī)端或電腦端網(wǎng)頁(yè)，以達(dá)到用戶可以實(shí)時(shí)智能檢測(cè)的目的。

3.1 系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)

軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖4所示，工作流程具體如下：

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

(1)系統(tǒng)進(jìn)行各個(gè)模塊初始化處理；

(2)NB-IoT模塊網(wǎng)絡(luò)連接，并判斷是否連接成功，若連接成功，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，若不成功，則進(jìn)行再次連接。多次連續(xù)連接失敗，則系統(tǒng)報(bào)警，并交由工作人員處理；

(3)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT模塊上傳至華為云平臺(tái)；

(4)通過(guò)華為云平臺(tái)將數(shù)據(jù)傳至手機(jī)端或電腦網(wǎng)頁(yè)，以便用戶實(shí)時(shí)查看；

(5)用戶根據(jù)數(shù)據(jù)信息判斷是否需要做出調(diào)整，若不需要，則本次系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、上傳等工作結(jié)束;若需要，則華為云平臺(tái)傳送用戶反饋至NB-IoT模塊，再由STM32模塊再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2 云平臺(tái)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用華為云平臺(tái)，華為云平臺(tái)是一款專(zhuān)業(yè)云計(jì)算平臺(tái)，采用數(shù)據(jù)中心集群架構(gòu)設(shè)計(jì)，云主機(jī)采用SAS磁盤(pán)、系統(tǒng)快照備份以及RAID技術(shù)。儲(chǔ)存數(shù)據(jù)方面是通過(guò)用戶鑒權(quán)，MD5碼完整性校驗(yàn)，ACL訪問(wèn)控制和傳輸安全確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸以及訪問(wèn)的安全性。

華為云平臺(tái)把系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、控制層、業(yè)務(wù)層和客戶層4個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)層基于華為數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理以及傳輸工作；控制層將底端采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，再通過(guò)業(yè)務(wù)層把數(shù)據(jù)上傳至客戶層；業(yè)務(wù)層是華為云平臺(tái)的核心，主要工作是對(duì)一些具體工作進(jìn)行處理，包括服務(wù)接口設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)邏輯處理以及數(shù)據(jù)采集命令發(fā)送等；客戶層包括手機(jī)端和電腦網(wǎng)頁(yè)，主要作用是保證客戶能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的獲取數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在完成系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)后，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。用戶可以通過(guò)手機(jī)端或電腦網(wǎng)頁(yè)對(duì)華為云平臺(tái)進(jìn)行訪問(wèn)，查看所要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息。在華為云平臺(tái)設(shè)置本次設(shè)計(jì)需要監(jiān)測(cè)的溫度、電流數(shù)據(jù)信息，如圖5所示，是通過(guò)手機(jī)測(cè)試端得到的數(shù)據(jù)信息。結(jié)果證明，本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求。

圖5 手機(jī)端測(cè)試圖

另外，在實(shí)驗(yàn)室還針對(duì)溫度模擬測(cè)試。首先，將所涉及的各個(gè)系統(tǒng)調(diào)試完成，再將溫度傳感器DS18B20放置在特定的能這夠用來(lái)模擬匯流箱工作環(huán)境的環(huán)境中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，總體溫度誤差的平均值為0.06℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 測(cè)試點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)表

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)基于NB-IoT技術(shù)的光伏發(fā)電匯流箱的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器和直流霍爾電流傳感器采集數(shù)據(jù)，NB-IoT技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，再上傳至手機(jī)端或電腦網(wǎng)頁(yè)，能夠完成數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，增強(qiáng)了匯流箱工作的穩(wěn)定性和安全性，提高了光伏發(fā)電效率。