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基于物联网的光伏发电远程监控管理系统设计

2025-07-19 42 上传者：管理员

摘要：针对目前光伏发电应用中存在远程监控难、运行成本高、工作效率低等问题，设计了一种基于物联网技术的太阳能光伏发电远程监控管理系统，实现对光伏发电设备数据的实时采集、远程监测和控制。该系统主要包含通信模块、电流电压模块、定位模块、温湿度模块、倾斜角模块、远程监控管理平台。以STM32微控制器为核心，基于各传感器模块实时采集设备运行状态信息，通过低速率、低功耗、高稳定性的无线通信网络上传至上位机，对数据进行保存、处理以及可视化显示。实验结果表明，该系统有效解决了太阳能光伏发电设备远程监控难的问题，技术人员通过该监控系统可实时监测和控制光伏发电设备的运行，提高光伏发电设备的工作效率，具有较高的实用性。

关键词：
光伏发电
数据采集
无线传输
物联网技术
远程监控
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近年来,随着化石能源问题日趋严重,能源需求快速增长,太阳能光伏发电作为一种可再生､清洁的能源已成为新时代､新发展的必然要求[1]｡当前我国已经大规模部署光伏发电系统,其占我国总发电量的比例逐渐提高,在我国能源结构中的地位愈发重要[2]｡光伏发电系统主要依赖太阳光照发电,将光能转化为电能[3]｡受天气､环境､地球自转等因素影响,太阳光照会发生变化,从而影响光伏发电系统的工作效率[4]｡为了确保光伏发电系统的高效､可靠､稳定运行,需要建立一套能实时监控光伏发电设备的系统[5-6]｡此外,稳定､高效､实时､准确的数据传输对于系统而言尤其重要｡传统数据传输方法通常依赖于人工现场采集或者有线连接传输,这种方法不仅成本高､不易维护､灵活性差､不易扩展,而且极易受外界环境因素影响,导致数据出现异常[7],因此不适合大规模光伏发电设备系统的应用｡物联网技术作为一种新的网络通信技术,在各行各业展现出了巨大的应用潜力[8]｡物联网技术通过引入传感器､通信技术､大模型､人工智能等方法,实现了对物体的智能化感知､识别和管理[9]｡

针对上述问题,本文设计了一种基于物联网技术的光伏发电远程监控管理系统,可实现对光伏发电设备运行情况等参数的实时采集､存储和远程监控,提高光伏发电系统的数据监测和管理水平,推动新能源产业持续健康发展｡

1、监控系统设计

1.1系统整体架构设计

光伏发电远程监控管理系统是光伏发电站的主要系统之一,包括光伏发电设备传感器､无线通信､存储器､服务器和监控管理平台｡

传感器采集光伏设备数据,通过无线网络传输至服务器,服务器对数据进行处理和存储｡监控管理平台对数据进行可视化处理,实时显示当前系统整体运行的各项参数指标,也可通过软件应用程序进行远程控制和数据查看｡这一架构设计实现了光伏发电站数据的高效采集与传输､运行情况的实时监测､智能化分析和远程控制,提高了光伏发电设备的工作效率和管理水平｡基于物联网技术的光伏发电远程监控管理系统整体架构如图1所示｡

图1系统整体架构

1.2太阳能效能分析

单位面积接收的太阳能量随太阳照射角度的变化而变化｡倾斜面上阳光入射角公式如下所示:

式中:γ为方位角;δ为太阳赤纬角;S为倾斜面角度;θ为倾斜面上阳光入射角;ω为太阳时角;φ为倾斜面所在地理纬度｡

由公式(1)可知,当θ=0°时,太阳光垂直于光伏面板,此时光伏面板的工作效率最高,通过调整光伏面板的S和γ就能调整θ,进而调整光伏面板的工作效率｡

此外,光伏发电设备将太阳能转化为电能的效率公式为:

式中:Pout为光伏发电设备输出的功率;Ein为光伏发电设备接收到的太阳能总能量｡

1.3数据采集模块设计

该监控系统的数据采集模块是系统的核心组件,通过一系列精密的传感器,实时采集光伏发电设备的各项关键指标数据,包括位置､温湿度､光照强度､倾斜角､电流､电压等｡

首先,采用我国自主研发的北斗定位模块提供光伏发电设备的地理位置信息,便于远程监控平台对光伏发电设备的定位和地理位置信息管理｡

其次,光照强度传感器用于实时监测光照强度,评估光伏发电设备的发电潜力｡温湿度传感器可以监测光伏面板和储能设备的温度和湿度,便于远程监控平台实时监测设备的工作状态和环境条件｡电流电压传感器实时监测光伏发电设备的整体电气性能,评估光伏发电设备的稳定性､可靠性､安全性｡

接着,倾斜角度传感器提供光伏发电设备的倾斜角,为远程监控调整光伏发电设备角度､使其与太阳光保持垂直提供数据基础｡同时,电流电压传感器实时采集光伏发电设备的电流和电压,监测其发电工况[10]｡

最后,采用基于ARMCortex-M处理器的32位微控制器STM32作为数据采集模块的核心控制器｡STM32微控制器通过与各传感器模块连接,采用RS485协议与各传感器进行数据通信,实现对光照强度､温湿度､地理位置､倾斜角､电流电压等数据的实时采集和处理,并将处理后的数据发送至无线通信传输模块｡STM32微控制器和无线通信传输模块也采用RS485协议进行数据通信｡光伏发电设备内各传感器数据采集传输流程如图2所示｡

图2传感器数据采集和传输流程

1.4物联网通信方法研究

本系统采用NB-IoT通信方式,在有限的频率范围内传输低带宽低速率的数据,该方式具有广覆盖范围和更强的穿透力,适用于功耗低､连接稳定的物联网应用场景｡远程监控平台与光伏发电设备主控系统的通信模式分为轮询模式和单点模式｡

轮询模式是远程监控平台和多个光伏发电设备主控系统通信的模式｡远程监控平台发布轮询指令,光伏发电主控系统接收轮询指令,被轮询的光伏发电设备主控系统依据轮询消息内容在固定位置上报消息｡轮询模式主要用于集中下发相同指令或采集相同信息时,需要同时和多个光伏发电设备主控系统通信的场景｡

单点模式是远程监控平台和单个光伏发电设备主控系统通信的模式｡远程监控平台发布单点指令,光伏发电设备主控系统接收单点指令,被单点的光伏发电设备主控系统依据轮询消息内容在固定的位置上报消息｡单点模式主要用于远程监控平台需要和单个光伏发电设备主控系统通信的场景,比如某个设备状态异常,需要单独控制或采集信息｡

2、系统实施方法研究

2.1通信软件设计

远程监控平台无线通信模块会定时持续发送同步信号,光伏发电设备上电后其无线通信模块会接收同步信号,等待其接收同步信号成功后,光伏发电设备能实时和远程监控平台保持通信｡

远程监控平台会通过轮询方式下发指令,统一控制管理远程光伏发电设备,比如光伏发电设备统一上报各自传感器采集的信息､光伏发电设备执行统一的转动角度等指令｡远程监控平台也可以通过单点方式与单个光伏发电设备进行数据通信｡比如某个设备状态异常,远程监控平台可以单独控制管理该设备的运行状态｡远程监控平台和光伏发电设备通信流程如图3所示｡

图3远程监控平台和光伏发电设备通信流程

2.2数据管理

数据存储和管理是远程监控平台的核心｡系统采用MySQL数据库对光伏发电设备传感器采集的数据信息､用户信息､历史统计信息等进行保存和管理｡MySQL数据库支持数据查询､筛选､更新､备份等操作｡

2.3可视化平台设计

远程监控平台基于浏览器/服务器(B/S)架构设计,采用Vue框架和低代码技术,将采集到的光伏发电设备的信息进行可视化展示｡可视化平台支持用户登录认证､设备信息展示和更新､数据管理､设备异常报警､远程控制等功能,可实时监测光伏发电设备的工作状态和数据分析情况,为相关技术人员高效率､合理化管理设备提供技术支持｡

3、实施应用案例

当光伏发电主控系统的数据通过通信网络成功传输到远程监控平台后,开始进行数据处理与分析｡远程监控平台拥有完备的仪表仪器､实时精准的气象和太阳方位､强度等资料,以及强大的数据存储和处理能力､经验丰富的专业工程师｡通过机器学习和人工智能技术对海量数据进行处理分析,不仅能实时监测光伏发电主控系统的运行状况,还能进行远程控制,其中包括控制光伏发电设备太阳跟踪装置转动,以保证光伏发电系统稳定可靠,此举大幅提升了光伏发电的效率和智能化管理水平｡远程监控平台实时监控界面如图4所示｡

图4远程监控平台实时监测界面

首先,远程监控平台实时监测光伏发电设备的温度､湿度､电流､电压､发电功率等重要参数,并在可视化界面实时更新显示,同时能对光伏发电设备的历史数据进行调取､分析,便于技术人员应用与管理｡

其次,远程监控平台能实时检测光伏发电设备的参数异常情况,并提示技术人员,同时给出建议处理方法｡

最后,光伏发电设备的发电效率和太阳光照的强度成正比,而光伏发电设备的太阳光照强度随太阳的移动而变化｡因此,技术人员可以根据远程监控平台的气象资料､太阳方位､光伏发电设备的发电效率等参数,远程控制光伏发电设备如太阳跟踪装置的转动角度,确保光伏发电设备与太阳光线垂直,提升光伏发电设备的效率｡

4、结语

本文通过引入物联网技术,以及对软硬件的合理选择和设计,实现了对光伏发电设备的远程实时监控与管理｡该系统通过定位模块､光照传感器､温湿度传感器､倾斜角传感器､电流电压传感器等硬件单元设备,利用Vue框架和低代码技术构建了实时监控界面,不仅提高了数据监测的精度,也有助于提高光伏发电设备的工作效率和可靠性,同时也为相关技术人员提供了高效､便捷的数据展示和管理方式｡总体而言,基于物联网技术的光伏发电设备在解决传统光伏发电设备监控管理难题的同时,展现出了优越的科技性､实用性､经济性｡

参考文献:

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[10]韩虎虎,祁鑫,王鹤飞,等.基于激光雷达点云数据的光伏电站智能巡检系统[J].电子设计工程,2023,31(4):109-113.

文章来源:郑志祥,高梦宇.基于物联网的光伏发电远程监控管理系统设计[J].物联网技术,2025,15(14):80-82.