基于LabVIEW的聚光式光伏数据采集系统设计

韦明泽，吴贺利*，杨 帆，罗晨晖，吴 满

基于LabVIEW的聚光式光伏数据采集系统设计

韦明泽1，吴贺利*1，杨 帆2，罗晨晖2，吴 满2

（1.武汉城市学院 机电工程学部，湖北 武汉 436500； 2.武汉外语外事职业学院 机电技术学部，湖北 武汉 430202）

针对现实聚光式光伏发电系统数据采集和监控数据的碎片化现状，且未在新能源汽车中得到充分应用，文章提出了利用可视化图形化编程软件LabVIEW设计出专门的数据采集系统。该数据采集系统实现了监控数据实时显示、历史数据回顾查询，采集数据本地保存，完成上位机和下位机通信，并留有与车载控制器局域网络（CAN）通信接口，实现地质环境监测模块、冷却模块、逆变并网模块以及逆变并网模块的集中监控与管理，使得聚光式光伏系统软件具有较强的扩展性和开发性。此设计对新能源汽车中的清洁能源应用起到了促进作用。

聚光式光伏；LabVIEW；数据采集系统；数据监控

太阳能作为一种可以广泛应用的清洁能源，其能流密度低决定了需要太阳能收集器来提高能量收集效率。然而太阳光与太阳收集器存在一定角度差别，其对太阳能的工作效能会产生极大影响，特别是聚光或者聚热型收集器，对太阳跟踪更为重要。例如对于一个聚光比为1 000的塔式系统，其跟踪精度要达到±0.058°。针对这种高精度的要求，聚光式光伏系统对数据反馈提出了更高要求，根据反馈的动态数据实时调整太阳系统的跟踪控制策略[1-2]。

随着时代不断发展，目前已出现了不少数据采集系统软件设计工具，但是由于技术壁垒的存在，这些软件大多针对特定应用场景而设计，存在着通用性不足、缺乏友好人机界面等问题。因此，本文提出一种基于 LabVIEW的聚光式光伏数据采集系统，该系统利用 LabVIEW图形化编程软件 LabVIEW开发平台，根据实际环境需求设计了地质环境监测模块与逆变并网模块的聚光式光伏系统。该系统可以实现实时监测各个模块的温度、电压和电流等相关数据，并能够对数据进行保存，并利用 LabVIEW软件完成上位机与下位机的通信。

该系统设计了上位机和下位机通信协议，可以完成多路采集数据的采集与处理，并实现对采集数据的回放、查询和分析，具有较强的扩展性和开发性。该数据采集系统具备聚光光伏电站的环境地质参数测量与监控，以及光伏发电系统电气化参数的反馈与调整[3-4]功能，同时拥有下位机和上位机两层架构。下位机作为光伏系统的执行器和传感器，实时提供地质环境参数，例如温度、湿度、风速、辐照强度、气压、全球定位系统（Global Positioning System, GPS）定位经纬度等，同时还采集光伏系统自身的电气化参数，例如单体聚光组件电压、电流、组件温度、冷却系统水温与流速，以及光伏系统实时输出的电压、电流、频率、功率因素和输出波形的畸变率。上位机作为光伏系统控制器，是整个系统的控制监控中心，为光伏系统提供实时数据查询以及系统故障报警，也为光伏电站管理者提供集中化管理。

1 系统总体设计

聚光光伏系统总体设计如图1所示。上位机监测与控制聚光模块、环境监测模块、冷却系统以及逆变并网系统。每个聚光模块中又包括冷却模块、无线通信模块、跟踪器模块和电力输出模块，通信模块将聚光模块中的实时数据通过无线通信模块与上位机进行通信。上位机可以通过统筹数据实时作出决策调整，将动作数据提供给聚光模块中的执行机构跟踪模块。环境监测模块为上位机提供地质环境数据太阳能辐照度、风速、温度、湿度以及经纬度。冷却系统采用的是水冷散热，将聚光模块中的热量通过水带走，将冷却系统的水压、进水温度和出水温度数据传递给上位机，随后上位机根据散热量计算来控制水泵，实现对水流的流量控制。并网光伏系统将各聚光模块产生的电能汇集逆变并网，并将实时电力数据提供上位机，如图1所示。

2 系统硬件集成

聚光光伏系统硬件组成为上位机、环境监测模块、聚光模块、冷却系统以及逆变并网系统。上位机监测和控制各下位机模块，下位机各模块是并联连接，相互依存又相互独立。

2.1 上位机

上位机作为监控整个聚光光伏系统的关键设备，由四核J1900嵌入式工控机搭载上位机软件LabVIEW为主体，其作为系统核心，可以完成与下位机的通信。数据采集设备为数据采集卡USB-3110，可以实现8路模拟信号输入、4路模拟信号输出、4路数字信号输入和4路数字信号输出。其中，模拟信号输入包括温度、电压、电流、温度传感器信号、电压传感器信号和电流传感器信号；模拟信号输出包括继电器控制端的状态、继电器触点断开和接通等；数字信号输入包括开关量输出和开关量输入，其中开关量输入脉冲输出和开关量输入脉冲输出等；数字信号输出包括数字开关量输出等。

图1 系统总体设计图

2.2 聚光器模块

聚光器模块采用菲涅尔聚光镜收集能量密度低的太阳能，利用砷化镓聚光太阳能电池进行光电效应而发电。聚光器由散热冷却模块、为保持太阳能电池处于最大功率点而追迹太阳的跟踪模块、保护并保持电力的输出模块，以及进行实时数据传输的无线通信模块（型号：TP306）组成。

2.3 环境监测模块

环境监测模块由太阳光总辐射传感器STBQ OW:RS485、风速传感器HSTL-MIFS01、温湿度传感器C2000-S1-TH03N02-E01等组成。传感器采集到的数据通过串口通信上传至上位机，同时其风速、温度和湿度等参数在上位机中能够实时显示。

STBQ OW是一种可以远距离、大范围、实时监测的太阳能总辐射传感器，其安装在聚光器顶部，对太阳光进行反射接收，经过处理后将太阳光总辐射信号转换为电信号，再经过RS485总线发送至上位机。风速传感器HSTL-MIFS01可以检测太阳光、风速、风向和温度等参数，采用Lab- VIEW软件开发平台设计时，能够根据需要设计多路传感器采集接口和协议，对采集的数据进行保存。

2.4 冷却系统

冷却系统由水温表、水压表、流量表、散热器、风扇以及电源等组成。水温表可以实时显示温度，水压表和流量表分别用来显示压力和流量的大小，通过串口通信技术将温度和压力数据传送给计算机主机，经过计算机主机计算后，对温控阀进行调节，控制风机运转以达到良好的冷却效果。

2.5 逆变并网系统

逆变并网系统选用阳光能源逆变器SG6K-D为主体，其额定输出功率为6 kW；额定电网电源为220 Vac；电网频率范围为45～55 Hz；总电流畸变率小于3%；功率因素大于0.99。逆变器采用了三相 LCL滤波器，具有结构简单、成本低、损耗小等特点，由三个并联LC滤波器组成，通过高频开关元件实现并网电流与电网频率相位同步。逆变器采用基于数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）控制技术的正弦脉宽调制（Sinu- soidal Pulse Width Modulation, SPWM）控制方式，实现了并网逆变器的数字控制功能和逆变器并网电流波形的优化处理，简化了传统的模拟控制方式。

3 软件框架设计

太阳能光伏系统由工控机装在LabVIEW图形化软件开发的上位机设计系统数据采集界面[5]，并通过上位机配置无线和串口通信接口，与下位机聚光模块、环境监测模块、冷却系统、逆变并网系统进行通信握手。若通信握手成功，则可以实时读取数据，监控界面显示实时数据，同时数据都存入上位工控机硬盘，后期可以通过界面调取工控机内历史数据，以供查询。软件框架实现如图2所示。

图2 监控系统框架结构

3.1 软件界面设计

软件界面设计以图形界面设计为主要原则，反映聚光数据系统所包含的地质环境数据、冷却系统数据、逆变并网系统数据以及可扩展的聚光模块数据。整个界面布局如图3所示，界面紧凑，且数据显示丰富，作为数据系统与用户进行人机交互的窗口，直观透明且简单易用。软件能支持历史数据查询，清晰地显示动态历史数据。

图3 前面板界面功能图

系统软件包括以下两个功能模块：1）主界面：该界面主要显示实时温度、电压、电流等数据，而且系统数据以饼状图和柱状图的方式进行动态显示，其中饼状图由温度柱状图组成，而柱状图由各个模块的电压电流柱状图组成（见图3）。2）数据分析与管理：该系统可以对历史数据进行回放、查询和分析，统计不同时间段的数据情况。例如：在开始阶段，对温度曲线进行绘制；在结束阶段对温度曲线进行查询；查询和统计每一个模块的数据记录，最后生成曲线趋势图、趋势变化图、方差分析图、平均值趋势图等。

3.2 软件系统程序设计

利用双循环架构，使用生产者/消费者模式的应用框架模式程序。一个循环用于执行数据流分析以及数据处理，或者在以不均匀速率产生数据的数据源中进行触发采集。当然数据也可以被实时展示和分析，并且保存与历史浏览；另一个循环以事件驱动的方式，生成消息队列，让消息队列形成排队项，同时通过响应事件实现代码的异步执行，对用户的动作做出不同响应。这一循环替代了常用的“用户界面事件处理器”模式，因此，不影响用户界面的响应速度，后面板软件程序框架图（程序源码）如图4所示。

图4 后面板软件程序框架图（程序源码）

4 总结

本文设计的聚光光伏数据采集系统，采用实时采集数据，且能与历史数据交互、绘制曲线，为聚光光伏系统提供可靠的数据来源，也为系统工作提供准确的预判依据，增补了光伏系统数据采集环节技术内容。

同时，此数据采集系统具有较强的扩展性和开发性、良好的人机交互界面，可用于各种数据采集和处理，同时在功能上达到了较高水平，对于开发更多、更复杂的数据采集和处理系统具有重要的参考意义，且具备一定的实用性和可拓展性。

[1] DUFFIE J A.Solar Engineering of Thermal Processes [M].New York:Jone Wiley & Sons,2006.

[2] 杜春旭.用天文测量简历精确计算太阳位置的方法[J].可再生能源,2010,28(3):86-87.

[3] 盛庆博,王涛,邹林,等.模块化光伏电站参数采集系统设计[J].工业仪表与自动化装置,2023(1):67-71.

[4] 张安莉,谢檬,苏晨,等.基于LabVIEW的太阳能光伏发电监控系统设计[J].计算机测量与控制,2021,29 (6):74-78.

[5] 黄鑫广,江铭,徐飞儿,等.基于LabVIEW的电机控制和数据采集系统[J].时代汽车,2023(4):14-16.

Design of Data Acquisition System for Concentrated Photovoltaic Based on LabVIEW

WEI Mingze1, WU Heli*1, YANG Fan2, LUO Chenhui2, WU Man2

( 1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan City College, Wuhan 436500, China; 2.Department of Mechanical and Electrical Technology, Wuhan College of Foreign Language & Foreign Affairs, Wuhan 430202, China )

Aiming at the fragmentation of data acquisition and monitoring data in the real concen- trating photovoltaic power generation system,which has not beenfully applied in new energy vehicles, this paper proposes to design a special data acquisition system by using the visual graphical programming software LabVIEW.The data acquisition system realizes real-time display of monitor- ing data, review and query of historical data, local storage of collected data, and communication between upper computer and lower computer, and there is a communication interface with the onboard controller area network(CAN),realizes the centralized monitoring and management of geological environment monitoring module, cooling module, inverter grid connection module and inverter grid connection module,which makes the concentrating photovoltaic system have strong expansibility and development.This design promotes the application of clean energy in new energy vehicles.

Concentrated photovoltaic;LabVIEW;Data acquisition system;Data monitoring

U473.4

A

1671-7988(2023)19-67-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.013

韦明泽（2001－），男，硕士，研究方向为新能源发电及数据采集，E-mail:1376736859@qq.com。

吴贺利（1983－），男，硕士，讲师，研究方向为新能源发电及数据采集，E-mail:yunflyen@163.com。

屋顶光伏/光热与储能一体化系统设计（S202213235011）；新形势下基于大学生远程竞赛与教学相结合的教学方法实践（2022CYYBJY015）。