王旭昊，胡劍生，李 嘉，王海明

（許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌461000）

0 引言

在光伏電站應(yīng)用場合下，通常每8～16路光伏組串輸出的電能輸入給1臺光伏匯流箱并在箱內(nèi)通過銅排匯流輸出。光伏匯流箱監(jiān)測裝置需安裝在光伏匯流箱內(nèi)，其主要工作是測量各路光伏組串的發(fā)電電流和電壓，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過通訊總線上傳至監(jiān)控室中。為實現(xiàn)一次側(cè)和二次側(cè)的電氣隔離，現(xiàn)有的光伏匯流箱監(jiān)測裝置往往使用霍爾傳感器作為光伏組串電流、電壓的采樣元件，但其成本高且對工作條件要求苛刻，在光伏電站惡劣的室外工作環(huán)境下存在故障率高、線性度差和溫漂嚴重的問題［1］。另外，現(xiàn)有監(jiān)測裝置的通訊接口電路在設(shè)計過程中未充分考慮其在室外發(fā)電環(huán)境下的防浪涌保護從而導(dǎo)致故障率居高不下。提出了一套以STM32單片機作為主處理器的設(shè)計方案，此種單片機屬于Cotex-M3系列微處理器，是一款成本和功耗較低，同時性能卻相對優(yōu)越的32位微處理器［2］。

1 采樣信號的生成與隔離

監(jiān)測裝置的采樣電路自成回路，獨立供電，選用普通的電阻器件作為采樣元件構(gòu)建組串電壓和電流的采樣回路。組串電壓一般不超過1 000V，它的分壓電阻由10個阻值為1MΩ的貼片電阻串聯(lián)組成，采樣電阻為1個阻值為2kΩ且靠近組串負極的貼片電阻。組串電流一般為10A左右，它在即將流入光伏組串負極之前流經(jīng)1片阻值為1MΩ的純銅片進而生成一路組串電流采樣信號。所有這些采樣信號經(jīng)RC濾波電路處理后輸入給AD轉(zhuǎn)換芯片。為了實現(xiàn)16路組串電流的采樣，支路01～08和支路09～16的電流采樣信號分別通過2片多路模擬通道選擇開關(guān)ADG707的選通處理后再輸送給AD轉(zhuǎn)換芯片的2個電流采樣信號輸入端。這2片ADG707接收STM32發(fā)送的通道選擇信號A，B，C的激勵。由于電壓采樣信號和電流采樣信號都取自光伏組串的負極，且信號地被電壓跟隨器連接至3.3V供電電源的中間位置即1.65V處。因此，電路可以采樣正負兩個方向上的組串電壓和電流。

監(jiān)測裝置的主控電路同樣也是自成回路，獨立供電。為使主控回路和采樣回路在保持電氣隔離的狀態(tài)下正常實現(xiàn)信號傳輸，裝置按信號傳輸速率的不同選用了2種光耦隔離管。對AD轉(zhuǎn)換芯片的片選信號CS、復(fù)位信號RESET和通道選擇開關(guān)的選擇信號A，B，C使用一種絕緣電壓可達5 000Vrms的光耦管TLP785進行電氣隔離。對AD轉(zhuǎn)換芯片和主控芯片之間的SPI通訊信號，SDO，SDI通過一種絕緣電壓達3 750Vrms，傳輸速度達10Mb／s的高速光耦管6N137-00ME進行電氣隔離。

2 采樣數(shù)據(jù)的傳輸與處理

AD轉(zhuǎn)換芯片中的采樣數(shù)據(jù)通過SPI通訊輸出給主控芯片，SPI通訊時序圖如圖1所示。時鐘信號SCLK由主控芯片STM32給出，AD轉(zhuǎn)換芯片在SCLK上升沿時發(fā)送數(shù)據(jù)，在SCLK下降沿時接收數(shù)據(jù)。在通訊過程中，時鐘管腳SCLK的高低電平至少分別保持200ns（t1，t2），片選信號CS至少拉低50ns后（t3）再控制時鐘管腳SCLK拉低。在從設(shè)備接收數(shù)據(jù)時，主設(shè)備應(yīng)該在距離SCLK上升沿之前至少50ns（t4）建立好數(shù)據(jù)，并在SCLK上升沿之后保持數(shù)據(jù)至少100ns（t5）。

圖1 SPI通訊時序

設(shè)從AD轉(zhuǎn)換芯片的電壓采樣寄存器中讀出的高、中、低字節(jié)分別為U2，U1，U0，從電流采樣寄存器中讀出的高、中、低字節(jié)分別為I2，I1，I0，第n次AD轉(zhuǎn)換電壓值（數(shù)字量）和電流值（數(shù)字量）分別為Num＿U 和Num＿I（有符號數(shù)，正向最大值Nc為223－1），則有：

已知AD轉(zhuǎn)換芯片CS5480電壓采樣通道的滿量程Ur為250mV，電流采樣通道的滿量程Ir為50mI。它們分別對應(yīng)的瞬時電壓采樣值和瞬時電流采樣值分別為un（單位為V）和in（單位為mA），則un與Num＿Un，in與Num＿In的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

為了抑止經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)值波動，提供更穩(wěn)定可靠的讀值，預(yù)讀值U′和I′取在時間上連續(xù)的7個瞬時采樣值的均方根為：

為保障最終讀值的準確性，必須對預(yù)讀值進行精度校準。具體做法是先不施加校準源獲得預(yù)讀值與最終讀值之間的偏移誤差Off＿U，Off＿I，然后施加校準源計算增益系數(shù)Gain＿U，Gain＿I。最終讀值與預(yù)讀值之間的線性映射關(guān)系為：

校準得出的偏移誤差和增益系數(shù)存儲在主控芯片的flash存儲區(qū)中。

3 RS485接口電路的防浪涌設(shè)計

裝置的通訊接口電路自成回路，獨立供電。為加強RS485接口電路在光伏電站環(huán)境中的耐浪涌沖擊能力，采用了4項措施來加強防浪涌保護。一是通訊接口對地設(shè)置了沖擊放電電壓達700V，通流量達10kA的陶瓷氣體放電管3RM075L-8，目的是使通訊接口在遭受雷擊時能將浪涌電壓引到大地上。二是為了縮短保護電路的放電延時，在A，B，GND3個信號的兩兩之間各加設(shè)一個鉗位電壓為10.3V且峰值浪涌電流為58.3A 的 TVS管SMBJ6.0CA，在迅速疏導(dǎo)浪涌電流的同時確保瞬間電壓不至于過高而燒壞接口芯片。三是接口電路在A，B信號流經(jīng)的通路上各加設(shè)一個阻值為10Ω的圓晶電阻，其阻值較小對通訊信號的正常傳輸無影響，能在突發(fā)浪涌情況下迅速消耗掉一部分沿著通訊線傳輸?shù)浇涌诘睦擞侩妷憾鸬揭欢ǖ谋Ｗo作用。四是接口芯片采用隔離芯片ISO3082DW，它支持兩套獨立的電源系統(tǒng)供電，輸入回路采用主控回路的電源5V＿1／GND＿1供電，輸出回路采用通訊回路專有的電源5V＿2／GND＿2供電，而這2套電源系統(tǒng)是相互隔離的，浪涌電流和浪涌電壓在兩電路之間被有效隔斷。接口電路設(shè)計原理如圖2所示。

圖2 RS485接口電路及其防浪涌保護

4 Modbus通訊協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計

由于在同一對總線上通過菊花鏈的方式連接的匯流箱監(jiān)測裝置數(shù)目較多，如果各個子站的響應(yīng)速度較慢將降低整個通訊網(wǎng)絡(luò)的實時性。裝置通過快速判斷信息幀停止時間以及合理簡化通訊主處理程序的結(jié)構(gòu)和規(guī)模這兩種方式來提高子站的動態(tài)響應(yīng)速度。監(jiān)測模塊主要通過采用主控芯片STM32的串行通訊外設(shè)UART來實現(xiàn)總線通訊功能。由于裝置僅作為從站使用，字節(jié)數(shù)據(jù)的接收可利用UART外設(shè)的接收中斷來實現(xiàn)，中斷程序流程圖如圖4所示。Time為接收中斷時鐘變量，Clock為系統(tǒng)時鐘變量（每隔1ms時間自增1），RCV＿EN為接收使能標志，Buffer為接收緩存區(qū)，REG為接收到的字節(jié)數(shù)據(jù)。

圖3 UART的接收中斷程序流程

Num＿Per＿Byte表示單個字節(jié)的位數(shù)，Baud＿Rate表示通訊波特率，計算結(jié)果的時間單位為ms。

以通訊波特率為4 800baud為例，每個字節(jié)數(shù)據(jù)共由10位（1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗位）組成。因此，單字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時間為2.08ms。由于不同通訊波特率下每個字節(jié)的傳輸時間不同。因此，不同波特率下幀與幀之間的理論最小時間間隔也不盡相同。為了提高從站響應(yīng)速度，需要對幀傳輸?shù)耐Ｖ箷r間進行快速而精確地判斷。如果在UART接收中斷中設(shè)置一個時間變量Time，每次進入接收中斷后都將Time同步至系統(tǒng)時鐘變量Clock，則當總線上有信息幀傳輸時，幀中的每一個字節(jié)數(shù)據(jù)都將觸發(fā)一次UART接收中斷，進而觸發(fā)Time同步至Clock。值得注意的是，由于單字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸同樣需要時間。因此，在幀傳輸期間，Clock-Time的值并非始終保持為0，而是不斷地從0開始至單字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時間結(jié)束然后再跳到從0開始如此往復(fù)。當幀傳輸結(jié)束后，由于沒有字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸無法觸發(fā)UART接收中斷，Time不能被更新至Clock，Clock-Time的值隨著時間推移從0開始逐漸增大。原理示意圖如圖4所示。

Modbus協(xié)議規(guī)定兩相鄰信息幀之間的時間間隔不得小于3.5個字節(jié)［3］。串行通訊中單字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間周期為：

圖4 幀結(jié)束判斷原理

綜上所述，可將Clock-Time的值與某個事先約定的最小時間間隔Interval進行比較，以此判斷幀是否結(jié)束。但當Clock-Time的值小于單字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時間時，由于無法判斷幀中的最后一個字節(jié)是否傳輸完畢。因此，把這個時間作為幀結(jié)束判據(jù)的容差時間，并把這個容差時間考慮到實際判據(jù)的最小時間間隔中。當波特率小于或等于9 600baud時，容差時間取一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時間。當波特率大于9 600baud時，由于單字節(jié)傳輸時間已經(jīng)小于本裝置系統(tǒng)時鐘的單位時間1ms。因此，容差時間直接取為1ms即可。各波特率下幀結(jié)束的容差判據(jù)如表1所示，制定實際判據(jù)的時間間隔時其數(shù)值應(yīng)按偏大的方向取整。

表1 各波特率下幀結(jié)束容差判據(jù)

每次進入接收中斷后，對標志RCV＿EN進行判斷，若該標志為0則表示信息幀傳輸結(jié)束，接收中斷停止接收新數(shù)據(jù)。當通訊主處理程序處理完信息幀后，會將RCV＿EN置1。這樣一來，當程序再次進入接收中斷后可以開始接收新的信息幀，也就是將接收到的字節(jié)數(shù)據(jù)REG放入緩存區(qū)Buffer中，同時接收緩存區(qū)指針P自增1。

由于監(jiān)測模塊涉及到讀取過流、斷路等故障遙信位，讀取電流、電壓等采樣寄存器和設(shè)置相關(guān)配置寄存器。因此，模塊僅需用到Modbus協(xié)議中的02（讀輸入離散量），03（讀多寄存器），16（寫多寄存器）這3個功能碼。為了簡化Modbus通訊主處理程序的結(jié)構(gòu)，可設(shè)計為僅針對功能碼02，03，16進行處理，當出現(xiàn)其他功能碼則按照非法功能碼處理。進入通訊處理程序中后，首先判斷當前時間是否大于幀間最小時間間隔，否則直接跳出程序不進行任何通訊處理。接著將接收使能標志RCV＿EN置0，阻止接收中斷繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，并對接收報文中的子站地址ID、接收字節(jié)個數(shù)P和CRC校驗碼進行驗證。這些驗證通過后，根據(jù)功能碼值來調(diào)用相關(guān)的例行處理函數(shù)，向主站發(fā)送返回幀。在程序處理的最后將緩存區(qū)指針P置0以初始化緩存區(qū)，并將接收使能標志RCV＿EN置1使接收中斷函數(shù)開始接收新的信息幀數(shù)據(jù)。

裝置在4 800baud下的通訊收發(fā)波形如圖5所示。中線左側(cè)為8個字節(jié)的主站查詢幀，在主站查詢幀右側(cè)持續(xù)10ms左右的高電平為間隔時段，高電平右側(cè)的波形為從站返回幀。從圖5可見，在4 800baud下主站查詢幀結(jié)束約10ms后，從站立即發(fā)送了返回幀，在嚴格滿足Modbus標準協(xié)議的基礎(chǔ)上做出了最快的動態(tài)響應(yīng)。

圖5 4 800baud下子站通訊響應(yīng)速度測試

5 結(jié)束語

采用了一套新的設(shè)計方案，將電路按功能和電氣結(jié)構(gòu)劃分為主控電路、采樣電路和通訊電路共計3部分，且這3部分各成獨立回路分別采用三套相互隔離的電源供電?；芈放c回路之間的信號傳輸通過選用合適的電氣隔離器件進行安全隔離，顯著降低了裝置在光伏電站的戶外環(huán)境中的故障發(fā)生概率。另外，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠舍棄霍爾傳感器，改用普通電阻器件作為采樣元件，從而顯著降低了成本，提高了采樣線性度并規(guī)避了溫漂問題。在通訊設(shè)計方面，通過多種措施相結(jié)合來加強接口電路的防浪涌保護，增強了其可靠性，并通過在接收中斷中設(shè)置同步時鐘的方式對通訊響應(yīng)實時性做了有效改善。

［1］ 周金龍.淺談光伏直流匯流箱智能監(jiān)測單元技術(shù)方案［J］.電氣工程應(yīng)用，2014（02）：15-18.

［2］ 陳啟軍.嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，2011.

［3］ 華镕.從 Modbus 到透明就緒 施耐德電氣工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、設(shè)計、安裝和應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.