劉志群

（閩江學院 物理學與電子信息工程系，福建 福州350108）

隨著能源環(huán)境壓力的不斷增加，國家近期出臺了對光伏新能源新的支持政策，包括集中式并網(wǎng)電站和分布式自發(fā)自用光伏電站兩種形式，各地也紛紛出臺相關(guān)管理細則落實國家發(fā)改委有關(guān)部署。

分布式太陽能電站由于不占用土地資源，發(fā)出的電主要由用戶自行消化，對電網(wǎng)改造壓力小，越來越受到國內(nèi)外的重視。分布式光伏電站需要配合高效、靈活、高性價比和高可靠性的監(jiān)控系統(tǒng)才能夠安全穩(wěn)定高效運行。同時，由于分布式電站的特點決定了數(shù)據(jù)采集監(jiān)控等工作非常需要遠程監(jiān)控技術(shù)的支持，可以說監(jiān)控技術(shù)是分布式光伏電站的核心技術(shù)。

遠程監(jiān)控技術(shù)已廣泛應用在軍事、遠洋、航空航天、工業(yè)控制、城市交通調(diào)度管制、電力系統(tǒng)、樓宇自動化等領(lǐng)域。國內(nèi)應用于分布式太陽能光伏電站的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用RS－485總線，而與上位機的數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信的方式，這種方式適用于集中式的太陽能電站。而且在這種拓撲中，RS－485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪流查詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。隨著分布式太陽能電站的發(fā)展和規(guī)模擴大，RS－485總線已經(jīng)不能滿足實時性和遠距離通信的要求，使得發(fā)電站的分布距離不能太大，電站的容量也無法擴充，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸搽y以得到保證；而CAN總線通信可以滿足上述要求，且方便于后期節(jié)點的增加，方便電站擴展容量。

目前，CAN總線技術(shù)主要用于汽車領(lǐng)域，憑借總線分配的方法，保證當不同的站點申請總線存取時，明確地進行總線分配，不會由于總線過載而崩潰，且傳輸數(shù)據(jù)可靠性高，通信距離遠，傳輸速率快，效率高，非常適合于分布式太陽能光伏電站。

1 系統(tǒng)的總體設計

本系統(tǒng)分為上位機和下位機兩部分，上位機包括PC機、上位單片機STC89C52和CAN總線接口電路；下位機包括CAN總線節(jié)點和現(xiàn)場傳感器組。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

整個系統(tǒng)實現(xiàn)太陽能光伏電站現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、傳輸和管理等功能。下位機通過CAN總線控制各節(jié)點的單片機和傳感器實現(xiàn)采集電壓、電流、溫度、濕度、光強、風向和風速等功能，經(jīng)過信號調(diào)理和A／D轉(zhuǎn)換，通過一定的時間間隔后，由下位機將含有電壓、電流、溫度、濕度、光強、風向和風速等數(shù)據(jù)的報文向CAN總線發(fā)送，異地的上位機接收到報文后解讀，并對現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)進行處理與監(jiān)控，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機，由PC機實現(xiàn)管理與維護的功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件電路主要包括兩個部分：單片機與CAN總線控制器的接口電路和單片機與傳感器的接口電路。

2.1 單片機與CAN總線控制器的接口電路設計

系統(tǒng)選用Microchip的MCP2515作為CAN總線控制器，選用兼容ISO11898標準的TJA1050作為CAN總線收發(fā)器。單片機與MCP2515及TJA1050的接口電路如圖2所示。

圖2 單片機與MCP2515及TJA1050接口電路

2.2 單片機與傳感器的接口電路設計

下位機控制采集現(xiàn)場的電壓、電流、溫度、濕度、光強、風向和風速數(shù)據(jù)。其中電壓／電流數(shù)據(jù)包括前端蓄電池直流電壓和直流電流以及逆變后的交流電壓和交流電流。

2.2.1 單片機與溫濕度傳感器接口電路設計

溫濕度傳感器選用單總線結(jié)構(gòu)的DHT11，它是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，利用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性，外形如圖3所示。傳感器內(nèi)部包括一個電阻式的感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。其與單片機通過P2.0引腳模擬單總線實現(xiàn)接口，接口電路如圖4所示。

圖3 DTH11實物圖片

圖4 單片機與溫濕度傳感器DHT11接口電路

2.2.2 單片機與光強度傳感器接口電路設計

本系統(tǒng)選用新型單片測光芯片BH1750，它是半導體ROHM為適應以移動電話的便攜式機器和液晶電視等要求而開發(fā)的具有良好光譜靈敏度特性、16位串行輸出的單片數(shù)字光照度傳感器，通過I2C總線與單片機接口，接口電路如圖5所示。

圖5 單片機與光強度傳感器BH1750的接口電路

2.2.3 單片機與電壓電流變送器和風速風向傳感器的接口電路設計

為了能夠測量太陽能電站的交直流參數(shù)，系統(tǒng)選用0～1 000V交流電壓變送器、0～50A的交流電流變送器、0～1 000V直流電壓變送器和0～50A的直流電流變送器；同時也需要測量現(xiàn)場的風力和風向，系統(tǒng)選用了風力和風向傳感器，他們的輸出均為4～20mA的電流信號。經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路，即將4～20mA轉(zhuǎn)換為0～5V，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路后與單片機實現(xiàn)接口。信號轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括以下3個部分：

1）3個節(jié)點區(qū)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與發(fā)送；

2）下位機接收各區(qū)數(shù)據(jù)，同時也作為發(fā)送方把數(shù)據(jù)發(fā)給PC上位機；

3）PC上位機作為接收方，通過USB轉(zhuǎn)UART與下位機通信，實時顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

圖6 I／V轉(zhuǎn)換電路

3.1 節(jié)點區(qū)的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送程序設計

節(jié)點區(qū)共分3組，節(jié)點1的任務是對光伏電站現(xiàn)場環(huán)境的溫度、濕度和光照強度參數(shù)進行采集和發(fā)送。節(jié)點2的任務是完成光伏電站的交流電壓、電流，直流電壓、電流的采集、處理和發(fā)送。節(jié)點3的任務是對現(xiàn)場風速大小、風向進行采集和發(fā)送。各節(jié)點數(shù)據(jù)采集與發(fā)送的程序流程如圖7所示。

圖7 各節(jié)點數(shù)據(jù)采集與發(fā)送流程

3.2 下位機接收與發(fā)送程序設計

下位機軟件設計主要實現(xiàn)兩方面的功能：

1）循環(huán)選擇各個節(jié)點，并接收各個節(jié)點發(fā)送過來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)并顯示；

2）當接收到PC上位機的發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，就開始把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機。

本系統(tǒng)使用簡單的一發(fā)一應式通信機制，即當下位機收到PC上位機發(fā)出的“發(fā)送命令”時，下位機啟動數(shù)據(jù)發(fā)送，每次發(fā)送完成后，下一次的發(fā)送都要收到上位機的回饋信號之后才可進行，這樣既可以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，也對軟件設計帶來一定的便利。根據(jù)上面的程序思路，畫出下位機程序設計流程如圖8所示。

3.3 上位機程序設計

上位機是在Visual C＋＋6.0集成開發(fā)環(huán)境下進行開發(fā)的，運用MSComm控件進行編程實現(xiàn)串口通信，同時還使用了TeeChar控件實現(xiàn)實時曲線的繪制。

上位機采用事件驅(qū)動的方式運行，當發(fā)現(xiàn)接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時，就運行接收處理函數(shù)，接收到的數(shù)據(jù)還不能進行直接顯示，還需要經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換和處理，才能進行相關(guān)的顯示工作。此外，該上位機還增加了用曲線顯示接收到的參數(shù)這一項功能，旨在用曲線顯示，能更清晰地模擬現(xiàn)場的實際情況。上位機程序設計的流程如圖9所示。

圖8 下位機程序設計流程

圖9 上位機程序設計流程

4 結(jié)束語

太陽能供電站的大量應用，其分散的地理位置和龐大的站點數(shù)量，使得監(jiān)控和維護的成本增加，困難凸顯，及時準確地獲取電站內(nèi)各項參數(shù)，保障太陽能光伏電站的安全運行成為電力行業(yè)管理部門的首要任務。開展太陽能供電站的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究工作，有利于隨時隨地且準確地獲取電站運行參數(shù)，為電站安全狀況評估和制定科學決策以及異常狀況控制和預警提供了科學依據(jù)，達到預防故障、化解風險、減少損失的效果。

該系統(tǒng)適應太陽能光伏電站自動化信息處理的要求，提高了太陽能光伏供電站監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)代化監(jiān)控水平，切實保障了太陽能光伏電站的安全運行，相信該監(jiān)控系統(tǒng)在光伏能源領(lǐng)域必將會有廣泛的應用空間。

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