使用LabVIEW软件和NI PXI硬件为并网光伏（PV）设备快速开发监测系统

挑战：以低的成本在短时间内构建一个自定义的实时监测系统，能够使用多种测量设备评估并网光伏系统的性能和特性。
解决方案：使用开放式的NI LabVIEW软件平台设计监测系统和专用接口软件，将多个测量设备的输出通过串行接口输入到PXI系统，同时使用现成的用户数据报协议（UDP）函数将数据传输到PC，提供不同测量结果的实时显示。
 “整套设备的核心是NI PXI-8184实时控制器，它提供了数据存储功能、有着极高的系统可靠性、紧凑性、坚固性和方便的可配置性。”

2007年，新加坡政府投入3.5亿新加坡元用于将城市改造为全球清洁能源枢纽，重点是开发太阳能。为了实现这个目标，新加坡政府和经济发展局下属的清洁能源研究与实验计划（CERT）制定了多项措施。为此，我们开设了含有五种不同光伏面板的太阳能科技中心，功率总计达14.2 kW。中心用于展示不同的并网光伏系统，并作为研究热带气候条件下不同光伏模块长时间运行的性能和特性的测试实验中心。
为了研究这些光伏模块的性能和特性，我们请来自电子工程部门的一支团队，以低成本在短时间内构建能够测量待测光伏阵列不同参数和实际气候条件的自定义实时监测系统。
团队使用LabVIEW软件进行开发，因为它提供了开放式的开发平台、多功能性以及独创的图形用户界面。软件允许他们快速开发非标准的Modbus串行通信协议，它是将多个测量设备输出传送到PXI实时控制器系统的关键接口。之后，使用UDP通信函数，将数据传输到PC用于实时显示、分析和存储。
光伏系统测量仪器
整套设备的核心是NI PXI-8184实时控制器，它提供了数据存储功能、有着极高的系统可靠性、紧凑性、坚固性和方便的可配置性。软件的开发是基于LabVIEW和LabVIEW实时模块进行的。PV测量与监测系统如图1所示。
开发Modbus串行通信功能
天气监测系统由七个测量参数组成，包括全球太阳辐照度、散射太阳辐照度、温度、湿度、风速、风向和降雨量。光伏监测系统的测量参数包含直流电压、直流电流和面板温度。交流电源和功率发生使用电子功率计采集。此外，总共有22个测量数据点是从测量仪器和五个电子功率计采集的，总计 23个测量值。为了能够处理多种测量数据，并且最小化设备和PXI控制器之间的连线，我们使用串行接口。
团队使用Modbus远程终端单元（RTU），它是开放式的串行（RS232或RS485）协议，提供通过网络连接设备之间的主/从通信。它使用简单、可靠、成本低，并且能够交换二进制格式的数据，从而提高了吞吐量。但是，每个Modubs设备制造商都用不同的函数代码、数据格式和循环冗余验证（CRC）代码实现这个协议。因此，开发Modbus驱动程序从而允许用户根据不同制造商的要求修改协议的实现是必要的。
由于LabVIEW提供了虚拟仪器软件架构（VISA）串行函数，因此设计程序在这些设备之间进行通信是简单的。此外，由于提供了数据操作函数，例如分割数字、带进位右移、交换字节、类型转换等，我们可以方便地使用对应的函数代码、数据格式和CRC错误验证算法实现Modbus消息结构。这样我们开发并测试了Modbus RTU接口程序，并且能够为不同制造商的设备工作。
从PXI实时控制器到PC的数据传送
团队使用LabVIEW中的UDP函数将采集到的数据传送到PC中。UDP简单，方便，并能将消息同时广播到多个地址的功能。虽然它不保证可靠的数据传送，但是在这个系统中，这并不会造成什么影响，因为该系统只需要将数据以10 s的时间间隔传送到PC中即可，所以即便丢失了一些数据点，也不会导致任何问题。
设计图形化用户界面
系统需求之一是提供显示所有与监测系统测量数据以及太阳能技术中心设置有关的综合信息。LabVIEW中的选项卡控件为用户提供了在单一应用程序中放置所有信息而不让用户界面变得过于复杂的实用功能。
另一个挑战是将不同测量数据显示在图表中。图表让用户直观地看到一个参数和另一个参数之间的关系，以及任何参数的变化趋势。在任何一个时间点上有22个测量数据点，其中包括天气参数、光伏直流电压和电流以及每个类型太阳能面板的面板温度。在一张图表上列出所有数据是不可能的。这可以通过用程序方法控制图表绘制加以解决。程序的设计使用了项目选取以及图表属性节点来实现。用户可以在一个图表中一次性查看多达四条数据曲线和测量参数。图2显示了用户界面的截屏。
结论
LabVIEW帮助我们的团队在三个月内快速开发了Modbus接口程序，并且设计了富有信息量的优秀用户界面。使用NI PXI硬件确保了系统可靠性，它自从2008年9月以来每周七天，每天24小时 不间断运行至今。我们团队的下一个任务是评估光伏系统性能，包括评估光伏阵列效率、能量发生关于气候条件和模块条件的关系。
 

图2：用户界面截屏
作者信息:
Chin Siet Choo
Ngee Ann Polytechnic
新加坡

本文已刊登于《中国电子商情》2010年6月刊