一種基于云平臺的微電網(wǎng)光伏模塊數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計

摘要:隨著國家定下的碳中和目標(biāo)以及相關(guān)政策的推進(jìn)，微電網(wǎng)項目的數(shù)量會持續(xù)增加，常規(guī)微電網(wǎng)中主要的發(fā)電組件是光伏發(fā)電平臺，因此對于光伏發(fā)電平臺的運行和維護(hù)的需求也會增加。

機(jī)智云開發(fā)者設(shè)計的一種將本地監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并通過云平臺傳送到總控室PC或維護(hù)人員隨身移動設(shè)備的裝置，在總控室的PC以及移動設(shè)備上可以對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，對一些可能的故障以及其類型進(jìn)行警示提醒，從而提高設(shè)備維護(hù)的實時性及其效率。

引言

小型微電網(wǎng)的位置分布零散，一般沒有現(xiàn)場實時值守的運行和維護(hù)人員，而光伏發(fā)電平臺容易出現(xiàn)光伏板遮擋、光伏組件隱裂、接線故障等問題，一旦出現(xiàn)故障，從工作人員發(fā)現(xiàn)故障、到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測，維修，直到最后解決故障問題的時間周期會很長，會影響原本微電網(wǎng)的供電設(shè)備的穩(wěn)定運行狀態(tài)[1]。

通過在現(xiàn)場加裝數(shù)據(jù)測量裝置和通信裝置，將現(xiàn)場設(shè)備運行的參數(shù)進(jìn)行測量通過云平臺將數(shù)據(jù)發(fā)送到總控室進(jìn)行監(jiān)測和分析，使得當(dāng)現(xiàn)場發(fā)生故障后，維修人員能立即知曉從而迅速響應(yīng)，此外主控室的主控機(jī)對微電網(wǎng)的運行參數(shù)進(jìn)行分析處理，可以對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行一個預(yù)評估，評估可能發(fā)生的故障類型以及發(fā)生故障的可能性，現(xiàn)場可以重點關(guān)注，維修人員能夠預(yù)知故障類型，可以減少現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)節(jié)，減少維修時間[2]。

1系統(tǒng)方案設(shè)計

整個系統(tǒng)分為控制器、光伏組件測量模塊、WiFi模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、總控室PC和手機(jī)app如圖1。除了一些偏遠(yuǎn)地區(qū)建立的離網(wǎng)微電網(wǎng)，比如通信****等，不方便搭建WiFi傳輸環(huán)境之外，對于一些家用的微電網(wǎng)、大型工廠、工業(yè)園區(qū)和科技園等區(qū)域一般都有WiFi覆蓋，因此選擇WiFi來作為無線通信方式可以極大降低項目成本?？刂破鞯墓δ苁鞘占瘻y量模塊的數(shù)據(jù)，發(fā)送給WiFi模塊，以及對現(xiàn)場一些信號燈以及開關(guān)進(jìn)行控制。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺的功能是將WiFi模塊上傳的數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)app和主控室的主控機(jī)。用戶通過手機(jī)app可以對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和對現(xiàn)場一些信號燈和開關(guān)進(jìn)行控制。用戶還可以通過總控室的PC對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，在總控室的PC上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和故障診斷，從而減少設(shè)備因故障停運的時間。

圖1系統(tǒng)整體方案結(jié)構(gòu)圖

2物聯(lián)網(wǎng)云平臺的選擇

在本方案里的物聯(lián)網(wǎng)云平臺選擇了機(jī)智云開發(fā)平臺，這個平臺有面向個人用戶和企業(yè)用戶的機(jī)智云平臺，通過自助的工具、軟件開發(fā)工具包和應(yīng)用編程接口服務(wù)等，將物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)人員的技術(shù)壁壘盡可能地減少，開發(fā)人員的研發(fā)時間降低，提高了開發(fā)商的生產(chǎn)速度，還幫助開發(fā)者進(jìn)行智能升級，更好連接、服務(wù)終端消費者[5-6]。

要使用機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺，用戶只需要編寫建立連接和傳輸協(xié)議，將GAgent植入到WiFi模塊中，并將WiFi模塊與路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)中，控制器就可以通過WiFi模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_的服務(wù)器。用戶通過在手機(jī)端平臺提供的APP應(yīng)用里進(jìn)行綁定，就可以通過手機(jī)查看相關(guān)數(shù)據(jù)或者收發(fā)對應(yīng)的控制信號。

GAgent是一個可以在許多不同類型的通信模塊上運行的應(yīng)用程序，也叫作固件。它不僅提供了手機(jī)應(yīng)用、其他控制終端和云平臺與產(chǎn)品設(shè)備之間的三向的數(shù)據(jù)通信，而且還提供對設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)接入、發(fā)現(xiàn)綁定等多元化功能。主要用于數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，是硬件數(shù)據(jù)、機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺、移動應(yīng)用端的數(shù)據(jù)交互橋梁?？梢栽诟鞣N通信模塊上寫入GAgent固件，實現(xiàn)WIFI模塊、GPRS模塊、藍(lán)牙模塊、電腦端等聯(lián)網(wǎng)配網(wǎng)功能。

3硬件設(shè)計

系統(tǒng)的電路分為MCU主控電路、測量電路、WiFi通信電路、供電電路和控制繼電器電路四個部分。其中MCU主控電路由STM32F103C8T6作為控制芯片，還包括芯片運行所需要的最小系統(tǒng)如圖2，比如供電電路、晶振電路、復(fù)位電路。

測量電路是由HLW8012測量模塊和其他輔助元件組成如圖3。HLW8012是一款用于測量各類電路中的各類參數(shù)的芯片，可用于測量電路中電壓、電流值以及有功功率值等。同時通過內(nèi)部計算，輸出高頻脈沖，通過高頻脈沖得出相應(yīng)的參數(shù)值的大小[7-8]。廣泛應(yīng)用于各類智能家居和智能電表中。

WiFi通信電路是由esp8266芯片以及其他輔助元件組成如圖4。

圖2MCU主控電路圖

圖3測量電路

圖4WiFi通信電路

4軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括MCU主控程序、WiFi模塊程序。MCU主控程序主要包含外部設(shè)備的控制以及和WiFi模塊的通信程序。WiFi模塊的程序通過互聯(lián)網(wǎng)和云平臺進(jìn)行連接和通信。設(shè)備接上電源得電之后，進(jìn)行自動搜索且根據(jù)記憶優(yōu)先搜索之前連接成功的路由器，如果連接成功后，將與云服務(wù)器進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)的通信，從而進(jìn)行對硬件設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)的傳輸通信。如果WiFi連接失敗，可能是WiFi路由器的內(nèi)部信息遭到更改導(dǎo)致無法連接上。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接失敗時，此時系統(tǒng)將會進(jìn)入另外一個工作模式，即AP模式，此時的系統(tǒng)會等待用戶來手動配置入網(wǎng)信息，并且將手機(jī)連接同一局域網(wǎng)下的WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行與系統(tǒng)的對接，此時的路由器會使用UDP的形式將設(shè)備的一些信息進(jìn)行發(fā)送，收到設(shè)備信息的芯片系統(tǒng)將與路由器建立TCP連接，然后把路由器發(fā)送的信息記錄下來。系統(tǒng)工作于STA模式時是屬于一個正常的工作模式，在這樣的工作狀態(tài)下會通過路由器連接網(wǎng)絡(luò)后把智能設(shè)備的信息全部發(fā)送至云服務(wù)器去，當(dāng)系統(tǒng)芯片收到相關(guān)信息時，會對消息進(jìn)行相關(guān)的函數(shù)處理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且對收到的信息進(jìn)行分析后，執(zhí)行相應(yīng)命令對硬件端進(jìn)行控制[9]。

5應(yīng)用app的開發(fā)

機(jī)智云開發(fā)平臺對軟件程序提供APP、IOS等開源框架源碼，可以使用開發(fā)者工具自動生成APP與IOS程序。除此之外，開發(fā)者還可以根據(jù)項目中的實際需求，選擇合適的方式對APP進(jìn)行開發(fā)。機(jī)智云平臺為研發(fā)者提供了APP的開源框架代碼，并且能根據(jù)研發(fā)人員所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)點自動生成相應(yīng)的設(shè)備功能需求的控制APP，對產(chǎn)品的測試以及開發(fā)帶來了極大的便利，降低了開發(fā)的門檻，從而深受電子開發(fā)愛好者的喜歡。

自動生成的APP代碼模塊化集成了智能硬件所需的功能，主要包括：（1）用戶注冊、登錄，或者第三方登錄等功能。（2）配置設(shè)備入網(wǎng)分為三種Airlink+SoftAP+Airkiss模式。（3）設(shè)備進(jìn)行搜索，然后在APP中進(jìn)行列表。（4）對硬件設(shè)備進(jìn)行操作控制。

我們只需將源碼的壓縮包下載完之后進(jìn)行解壓，然后需要在控制功能部分對機(jī)智云的控制設(shè)備部分進(jìn)行同步對應(yīng)，編寫控制流程，也可以根據(jù)自身需求對UI界面進(jìn)行更改以APP控制界面的修改設(shè)計，整個過程基本無需做太大的改變，只需將源碼下載修改后進(jìn)行打包安裝即可完成客戶端APP，從而實現(xiàn)對智能設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，使生活更加貼近智能及方便[10]。

6系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分為以下幾個步驟，首先是使用測量模塊對已知的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，通過MCU收集和顯示，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和對比分析測量模塊的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。之后連接上WiFi模塊，通過在手機(jī)端和主控機(jī)端查看到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和對比。通過上述測試方法，本文設(shè)計的光伏模塊數(shù)據(jù)測量和采集裝置的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都很高。

7結(jié)語

本文設(shè)計的基于云平臺的微電網(wǎng)光伏模塊數(shù)據(jù)采集裝置具有適用范圍廣的優(yōu)點，由于不需要布線，安裝方便，可以對大多數(shù)現(xiàn)存的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行升級，通過控制總站的數(shù)據(jù)收集和分析，可以實現(xiàn)一總站監(jiān)控多光伏發(fā)電系統(tǒng)的功能。維護(hù)人員還可以在總站之外通過網(wǎng)頁系統(tǒng)或者移動端管理系統(tǒng)實現(xiàn)隨時隨地對監(jiān)控范圍內(nèi)的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行管理。

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