徐 劍

（濟南中能華辰太陽能有限公司，山東 濟南 250353）

0 引 言

我國有著巨大的分布式能源市場，為推進分布式光伏發(fā)電的發(fā)展，相關(guān)十四五規(guī)劃中明確提出要優(yōu)先開發(fā)當(dāng)?shù)胤稚⑹胶头植际娇稍偕茉促Y源[1]。隨著光伏裝機數(shù)量的快速增長，設(shè)備運行問題日益凸顯。為解決電站故障率高、電能損耗大、電站效率低等問題，急需一套光伏組件運行監(jiān)測遠程終端控制系統(tǒng)（Remote Terminal Unit，RTU）、信息及通信技術(shù)（Information and Communication Technology，ICT）遠程安全管理技術(shù)平臺，實現(xiàn)對分布式能源的高效監(jiān)控，滿足電力接入電網(wǎng)和日常維護管理要求[2]。

1 光伏組件運行監(jiān)測終端設(shè)備設(shè)計思路

設(shè)計的光伏組件運行監(jiān)測終端設(shè)備要準確、實時地采集光伏組件的電能參數(shù)，并將采集數(shù)據(jù)準確無誤地發(fā)送至遠程服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，可在數(shù)據(jù)庫中記錄并查詢采集的數(shù)據(jù)[3]。成功開發(fā)并測試用于監(jiān)測光伏組件的RTU，能夠?qū)崟r且準確地檢測所連光伏組件的數(shù)據(jù)，反映組件的真實情況。搭建完成每組多個RTU 的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，確保數(shù)據(jù)通道暢通，RTU 每間隔2 min 向服務(wù)器傳輸一次光伏組件實時數(shù)據(jù)，并提供傳輸告警功能，及時發(fā)現(xiàn)傳輸異常的光伏組件。

為保障數(shù)據(jù)采集的正確性和實時性，現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集器采用精確的電量采集模塊。該模塊可以采集電壓、電流、有功功率以及溫度等參量，并且可提供標準通信規(guī)約，兼容性好[4]。設(shè)計電能數(shù)據(jù)的采集頻率為2 min/次，完成電能數(shù)據(jù)采集與存儲后，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器分機采用遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）傳輸技術(shù)將電能數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集器主機。LoRa 接口技術(shù)主要實現(xiàn)LoRa 終端的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、控制信息的收發(fā)。LoRa 終端讀取微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。LoRa 的數(shù)據(jù)發(fā)送是在特定的時間內(nèi)，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)收集器主機。數(shù)據(jù)收集器主機通常用于與上位機或遠程服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。

各個設(shè)備的數(shù)據(jù)采集器通過LoRa 模塊進行相互通信，自組成一個網(wǎng)絡(luò)。采集器分機將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機，主機則根據(jù)各個采集器分機的唯一身份標識碼（Identity Document，ID）識別采集器分機。如果某節(jié)點距離主機過遠，導(dǎo)致與主機之間的通信質(zhì)量較差，則選擇通過其他采集器分機作為中介，將數(shù)據(jù)和采集器分機唯一ID 打包發(fā)送至通信質(zhì)量較好的采集器分機，再由該采集器分機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至主機和遠程控制端。主機與服務(wù)器通過消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議和傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）進行通信。服務(wù)器根據(jù)主機的唯一ID 發(fā)布命令，對應(yīng)的主機接收命令。通過這種方式，不僅可以識別主機，還能實現(xiàn)主機與App 之間的雙向通信。

2 光伏組件運行監(jiān)測終端設(shè)備原理圖設(shè)計

光伏組件運行監(jiān)測終端設(shè)備的設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 光伏組件運行監(jiān)測終端設(shè)備的設(shè)計原理

第一，將光伏組件的正極線纜串聯(lián)接入IM1253B電能計量模塊的I_in 端和I_out 端，光伏組件的負極接入計量模塊的N 端，計量模塊接入5 V 電源，通信的RX 端和TX 端接入1 個3 通道數(shù)字隔離器ISO7831 芯片。此器件可防止總線數(shù)據(jù)或電路的其他噪聲電流進入本地，從而干擾或損壞敏感電路。第二，ISO7831 芯片引出的串口數(shù)據(jù)接入STM32 的USART5通道。數(shù)據(jù)采集器的主機、分機都需要安裝此電能計量模塊。第三，LoRa 傳輸模組接入3.3 V 電源，通信接口接入STM32 的USART1 通道。同樣，數(shù)據(jù)采集器的主機、分機都安裝此LoRa 傳輸模塊。第四，5G 傳輸模組接入5 V 電源，通信接口接入STM32 芯片的USART4 通道。需要注意的是，僅數(shù)據(jù)采集器的主機安裝此5G 傳輸模塊。為方便尋址，數(shù)據(jù)采集器的主機和分機都設(shè)計有撥碼開關(guān)。第五，氣象數(shù)據(jù)儀采用串口通信，接入STM32 芯片的USART1 通道，并在接入接口處設(shè)計6 V 的瞬態(tài)電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）實現(xiàn)鉗壓保護。該設(shè)備僅用氣象數(shù)據(jù)采集器，不涉及LoRa 通信。

3 光伏組件運行監(jiān)測終端設(shè)備的硬件設(shè)計

3.1 現(xiàn)場電能數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計

現(xiàn)場電能數(shù)據(jù)采集器采用精確的電量采集模塊，即型號為IM1253B 的電能計量采集模塊。此模塊可以采集電壓、電流、功率以及溫度等多個參量，具有掉電保護功能，能夠確保數(shù)據(jù)的安全。模塊表面涂覆了三防漆，防護性可靠。該模塊的電量信息存儲空間較大，即使電量信息存滿，也可覆蓋并重新計量數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的持續(xù)性和準確性[5]。

3.2 MCU 芯片的選型

電能數(shù)據(jù)采集器分為主機和分機，每個電能數(shù)據(jù)采集器均需配備MCU 芯片，文章選用STM32F103Rx芯片。該芯片是一款成本低廉的MCU 平臺，管腳數(shù)目少、系統(tǒng)功耗低，具有卓越的計算性能和先進的中斷系統(tǒng)響應(yīng)能力[6]。

在光伏組件運行監(jiān)測終端設(shè)備中，STM32F103Rx芯片占用3 個通用同步/異步串行接收/發(fā)送器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）接口通道，分別與電量采集模塊、LoRa 模組及5G 模組進行串口通信。其中，電量采集模塊通過STM32 芯片的USART5 通道（51 引腳和52 引腳）進行通信，LoRa 模組通過STM32 芯片的USART1 通道（42 引腳和43 引腳）進行通信，5G模組通過STM32 芯片的USART4 通道（51 引腳和52引腳）進行通信。

3.3 工作電源的設(shè)計

采集器的工作電源選用帶有隔離的直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）電源模塊，保障供電安全性。此模塊的輸出功率為30 W，輸出電壓為5 V，最高輸出電流為6 A，且輸入電壓范圍廣，具有150 V 的直流隔離電壓。采集器的保護功能包含過流保護、過壓保護、輸出短路保護等。對于MCU所需的3.3 V 供電電源，可使用LM2596-3.3 V 芯片來提供，該3.3 V 電源也為LoRa 傳輸模塊供電。

3.4 LoRa 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

由于電能數(shù)據(jù)的采集頻率一般為2 min/次，在完成電能數(shù)據(jù)采集存儲后，每個現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器分機采用LoRa 傳輸技術(shù)將電能數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集器主機。LoRa 作為低功耗廣域網(wǎng)的代表技術(shù)之一，由美國Semtech 公司推出，專門面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線通信技術(shù)。LoRa 使用非授權(quán)頻段，可自由搭建，不受限制，適用于低成本需求的應(yīng)用。與其他無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相比，LoRa 具有高靈敏度、遠距離、低成本、低功耗以及抗干擾性強等優(yōu)點。LoRa 傳輸模塊采用E78-400TBL-01 模組，該模組采用翱捷科技股份有限公司的ASR6505芯片，適用于多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。LoRa 終端讀取的數(shù)據(jù)為MCU 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。LoRa的數(shù)據(jù)發(fā)送則是在特定的時間內(nèi)將讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)收集器主機。數(shù)據(jù)收集器主機通常用于與上位機或遠程服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換；LoRa 控制信息的收發(fā)通常是在特定的時間內(nèi)發(fā)起，以實現(xiàn)更低的功耗，延長電池的使用壽命。各個電能數(shù)據(jù)采集器通過LoRa進行無線通信，共同組成一個局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，采集器分機先與主機通信，再將采集的組件電能參數(shù)發(fā)送至主機。通信主機則根據(jù)每一個采集器分機的唯一標識ID 地址進行識別。如果某臺采集分機距離主機過遠，導(dǎo)致兩者的通信質(zhì)量較差，則主機可以選擇與其距離較近、通信質(zhì)量較好的其他采集分機作為中繼機。選中的中繼機將數(shù)據(jù)和采集分機的ID 地址一同發(fā)送至主機，再由主機發(fā)送至遠程控制平臺，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和及時性。

3.5 5G 傳輸模塊的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集主機通過中國移動的5G 網(wǎng)絡(luò)信號進行數(shù)據(jù)傳輸，且與服務(wù)器通過MQTT/TCP 協(xié)議進行通信。服務(wù)器會根據(jù)不同的主機唯一ID標識符發(fā)布命令，對應(yīng)的主機接收該命令。通過這種方式，系統(tǒng)不僅能識別各個主機，還能實現(xiàn)主機與App的雙向通信。此外，5G 模組為用戶提供開放的指令接口，用戶只需使用這些指令，就能輕松實現(xiàn)與平臺服務(wù)器、終端設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)交流。

4 光伏組件運行監(jiān)測終端設(shè)備嵌入式程序的設(shè)計

4.1 分機設(shè)計

在電源開啟后，首先對STM32 芯片進行初始化處理，定義控制字和各個變量。其次讀取撥碼開關(guān)，定義自己的編號。再次向計量模塊發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令。如果連續(xù)3 次均未收到反饋數(shù)據(jù)，則上報設(shè)備故障；如果收到數(shù)據(jù)，則存儲數(shù)據(jù)，等待主機命令，并上傳命令。最后，上傳數(shù)據(jù)。如果2 min 內(nèi)不能上傳數(shù)據(jù)，則重新采集數(shù)據(jù)；如果已完成數(shù)據(jù)上傳，則2 min 內(nèi)重新采集數(shù)據(jù)，并再次等待上傳數(shù)據(jù)。RTU分機程序主流程如圖2 所示。

圖2 RTU 分機程序主流程

4.2 主機設(shè)計

在電源開啟后，首先進行STM32 芯片初始化，定義控制字和各個變量。其次讀取撥碼開關(guān)，定義自己的編號。再次向計量模塊發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令。如果連續(xù)3 次均未收到反饋數(shù)據(jù)，則上報設(shè)備故障；如果收到數(shù)據(jù)，則存儲數(shù)據(jù)，并向其他分機發(fā)送上傳數(shù)據(jù)命令。最后，獲取分機回應(yīng)。如果沒有獲取分機回應(yīng)則報通信故障；如果獲得分機數(shù)據(jù)，則與遠程服務(wù)器建立連接，并上傳所有分機數(shù)據(jù)。上傳所有數(shù)據(jù)2 min 后，再次向服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)。RTU 主機程序主流程如圖3 所示。

5 設(shè)計創(chuàng)新點

與傳統(tǒng)的光伏組件數(shù)據(jù)采集不同，文章設(shè)計的無線通信模式更適用于分布式的小型光伏電站，無須復(fù)雜的現(xiàn)場布線工作。第一，數(shù)據(jù)傳輸具有實時性，每個主機可以接入至少200 個分機。第二，數(shù)據(jù)傳輸速率快，從數(shù)據(jù)采集到上傳至遠程服務(wù)器，僅需幾秒鐘。第三，數(shù)據(jù)傳輸正確率高，免受現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的干擾。第四，不同電站采集點的位置不受區(qū)域范圍限制，根據(jù)中國移動的信號覆蓋范圍，無論電站采集點的位置相距多遠，只要通過移動網(wǎng)絡(luò)5G 信號，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與上報。第五，采集點的可擴展性強，可以隨時增加數(shù)據(jù)采集點，不存在以往線路路徑重新敷設(shè)的問題。第六，所有接入的采集點數(shù)據(jù)上傳至遠程服務(wù)器后，平臺系統(tǒng)會進行大數(shù)據(jù)分析，以提供更為準確的維修信息、設(shè)備預(yù)診斷信息、光伏發(fā)電趨勢的判斷以及商業(yè)模式的分析[7]。文章設(shè)計的光伏組件運行監(jiān)測終端設(shè)備具有唯一性的ID 編碼，便于維護人員準確找到維修設(shè)備位置，且可根據(jù)系統(tǒng)預(yù)診斷信息提取準備運維配件，能夠提高運維效率，減少運維費用[8]。

6 結(jié) 論

文章設(shè)計了一種光伏組件運行監(jiān)測終端設(shè)備，通過RTU 對光伏組件的電能參數(shù)進行準確、實時的采集，并將采集的數(shù)據(jù)準確無誤的發(fā)送至遠程服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。這樣，數(shù)據(jù)可在數(shù)據(jù)庫中得到記錄，方便后續(xù)查詢。ICT 遠程管理平臺通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫平臺，對光伏組件的運行狀態(tài)進行分析，從而準確預(yù)判組件故障，提高電站的運行效率。