高精度仿真、多址分布式太阳能电场监测系统

 “针对这个项目，我们采用LabVIEW来设定WSN节点、WSN网关、CompactRIO设备、服务器、网页、kiosk与离线分析软件。 单种编程语言可用于项目的每一部分，这是史无前例的创举。”
                                                            - Chris Fronda, Certified LabVIEW Architect, VI Design Group, Inc.

挑战：

        针对圣安东尼奥德州大学 (UTSA) 校园附近多个地点，设计出高精度仿真的太阳能电场监测系统，进而以百分之百的稳定性高速测量转换器 (AC)、结合器 (DC)、辐照、热电偶与天气数据。

解决方案：

       采用NI CompactRIO、NI无线网关、NI无线传感器网络 (WSN) 节点，打造出业界领先的高精度分布式监测系统，提供中央服务器数据采集与处理功能，以及网页与Kiosk显示器以便其他用户进行操作。

       VI Design Group是经验证的NI联盟伙伴，也是专业的NI技术系统集成商。  VI Design Group团队成员都已获得LabVIEW程序架构师认证，致力于提供最出色的系统开发品质。 VI Design Group开发即用型产品的经验非常丰富，其中包含远程数据记录器、控制系统和自动化测试系统。 它主要提供医疗、可再生能源、石油与天然气，以及其他工业级产品。

       鉴于系统本身的分布式特性与所需的高精度仿真，我们必须通过NI技术来开发自定制的太阳能电场监测系统。 目前现成的解决方案都不能满足我们的项目需求。 此外，UTSA还希望未来能够将控制逻辑整合在相同的系统内，以便控制电池存储并追踪太阳运行情况。 NI平台的与众不同之处，就在于能够将控制元件整合至同一个监测系统，这一点是其他供应商无法企及的。

图1. 3个配备相关设备 (包含1个313kW系统)的场地。

       此项目参与了NI绿色能源工程奖金计划。 凭借创新的设计与出色的教学成果，该项目获得殊荣。 其资金来源于美国复苏与再投资法案所属的能源部门。

UTSA的研究助理Gerardo Trevino在领奖时发表了以下陈述：

       VI Design Group能够获选成为该项目的系统集成商，是因为自身在监测系统方面的专业能力。 该公司使用CompactRIO执行远程监测的经验非常丰富。 此外还能稳定地将数据传输至中央服务器，进一步存储信号并进行后续处理。 VI Design Group针对UTSA多个实体地点，以多重相位的方式开发出该系统并进行部署。

系统设计概述

       该系统由3个主要部分组成　(如图2与图3所示)。 红色是系统进行数据采集的部分，许多地点都采用相同的架构。 其中的构成要素包含CompactRIO设备，其采集数据的方式分为两种：通过WSN网关无线采集，或通过直接连接的传感器进行实际采集。 CompactRIO设备采集数据后便会将数据传输至中央服务器，以便执行存储、后续处理、网络代管等操作。 运作中的服务器(以蓝色标识)则会从CompactRIO系统采集数据，如果数据损坏或失去通信功能的话，会发出警示音。 此外数据会存储在数据库内，并且发布到网上以便其他用户监测。

       最后，绿色的部分则是所有可用来系统交互的用户界面。 任何人皆可随时浏览网页。 Kiosk显示器位于UTSA现场供学生操作，主机电脑还可提供原始数据的存取权限给教授，以便数据的下载或运用。

图2. 系统三大部分的重点

图3. 三大部分系统组件的详细说明图

       有了NI硬件与NI LabVIEW系统设计软件，此系统的设计流程不仅快速，也相当简便。 NI协助开发了所有底层设计，并加以抽象化成为高层API。 下列事项已由NI完成，VI Design Group不必再费心开发：

     1. ZigBee无线协议设计
     2. 嵌入式OS设计/微控制器操作
     3. 印刷电路板配置与24位的delta-sigma模数整合
     4. 热能传导分析与被动式冷却系统设计
     5. TCP/IP或UDP网络通信协议设计
     6. 安全套接字层(SSL)加密与安全功能
     7. 相对于C/C++更精密的记忆体管理功能
     8. VHSIC硬件描述语言FPGA编程设计
     9. Microsoft Silverlight网络控制设计
     10. 搭配网络服务的网络服务器设定

       基本上，所有的底层工作都已完成，只剩下高层工作。 如要设计并实现该系统，用户必须了解NI设备的高层设定与特殊的LabVIEW编程设计语言。  针对这个项目，我们采用LabVIEW来设定WSN节点、 WSN网关、 CompactRIO设备、服务器、网页、kiosk与离线分析软件。 单种编程语言可用于项目的每一部分，这是史无前例的创举。 通过NI丰富的培训课程，任何人都可以成为NI技术专家，设计出具有一定复杂度的监测系统。
系统部署与后续步骤

下列为系统部署图片：

图4. 转换器安装与AC监测设备安装
 
图5. 每个地点所部署的CompactRIO数据记录器
 
图6. NI WSN节点采集辐照与热电偶数据

       有些分析任务使用的是DIAdem软件，可用于后续处理数据分析。  DIAdem可协助UTSA的教授针对采集过程中的信号来处理相关问题， 进一步分析并呈现数据。  这些分析已用于执行太阳能预测比较。 下图为实际的太阳能光电(PV)输出与预测的PV输出之间的比较。

图7. 采集到的原始数据由DIAdem绘制而成，比较实际功率/预测功率

 
图8. 流畅的数据采集显示出实际功率非常接近预测功率

       该系统为UTSA提供了稳定的高精度分布式太阳能电场监测系统，并可达成每一项目标。 现在UTSA正在进一步探索CompactRIO的开放式平台与控制逻辑功能，开发更多潜在的系统功能以超越任何一种COTS系统，而且此系统还可协助UTSA执行有利于太阳能产业的先进研究。