丁男菊

（無錫科技職業(yè)學院，江蘇無錫，214028）

基于遠程監(jiān)測的智能光伏匯流裝置的設計

丁男菊

（無錫科技職業(yè)學院，江蘇無錫，214028）

本文研制了一套具有上位微機遠程監(jiān)測功能的智能光伏匯流裝置，該裝置以單片機ATmega16為控制核心，設計了匯流電路、電流和電壓檢測電路、溫度檢測電路、裝置LCD顯示電路、RS485通信電路等，編寫了下位單片機軟件；為實現上位機與下位機通信及對光伏匯流裝置的在線監(jiān)測，設計了基于LabVIEW的上位機監(jiān)測軟件，可實時顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的參數，并可供用戶查詢歷史數據以便進行統(tǒng)計分析。

匯流;監(jiān)測;ATmega16;RS485;Modbus協議;LabVIEW

隨著能源危機的日益嚴峻，各種可再生能源得到了長足的發(fā)展。在諸多的可再生能源中，光伏發(fā)電在未來有著廣泛的應用前景，光伏產業(yè)是最有潛力的新能源之一。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，一般將單塊光伏電池組件按一定的規(guī)格經過串聯后，形成光伏組件串，然后并聯接入光伏匯流裝置，通過匯流、保護后，變?yōu)檩^少路的輸出再輸入到逆變器里，最后與市電相連，實現并網發(fā)電。在發(fā)電過程中，光伏組件的局部故障會導致整個供電系統(tǒng)輸出電流或電壓下降，直接影響系統(tǒng)性能和運行效率。為確保系統(tǒng)正常運行，應對光伏陣列進行狀態(tài)監(jiān)測，以便能及時地、有針對性地進行維護。據此，本文研制了一套智能光伏匯流裝置，該系統(tǒng)具有遠程監(jiān)測功能，可實時顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電參數，并保存在EXCEL表格中，供用戶查詢和統(tǒng)計分析。

1 智能光伏匯流裝置整體設計

本文設計的光伏匯流裝置的原理如圖1所示，內置直流熔斷器、斷路器、防反二極管、光伏專用直流防雷器、監(jiān)測模塊等。

圖1 智能光伏匯流裝置內部原理圖

本文設計的光伏匯流裝置技術特點：

1)可將1～4路光伏組件串并聯匯聚成一路輸出，每路光伏組件串電流范圍0～±16A，電壓范圍0～800V。

2)每路光伏組件串直流輸入正負極都配有光伏直流熔斷器，能及時隔離光伏組件出現故障的光伏串，提高發(fā)電效率，也可避免安裝階段錯接或其他原因引起局部異常接線形成的過流危害。

3)每路光伏輸入具有高電壓防反二極管，可防止輸出端的電流反向流入光伏組件或高電壓的組件串向低電壓的組件串流入電流，而造成電能的損耗或電池組件損壞。

4)在匯流裝置直流輸出部分并聯了一個光伏直流專用的雷擊浪涌保護器（即防雷器）。若發(fā)生雷擊，防雷器會迅速將過大的電能泄放出去，確保匯流裝置不受到雷擊損害，也確保了電能的穩(wěn)定性。

5)監(jiān)測每路光伏組件串的輸入電流、并聯之后的輸出電壓、匯流裝置的溫度等參數，匯流裝置配備液晶顯示器，可在現場顯示數據，方便監(jiān)測和維護。

6)匯流裝置帶有RS485 接口可以把測量和采集到的數據上傳到電腦，實現遠程監(jiān)測。

7)電量的測量電路及通信電路全部具有隔離，采用霍爾電流傳感器實現電流測量的隔離測量，采用電壓變送器實現電壓的隔離測量，采用高速光耦實現RS485通信隔離。

8)上位微機實時顯示電壓、電流、功率、發(fā)電量、溫度等參數，并帶有數據庫，能長期保存數據。

光伏匯流裝置監(jiān)測模塊硬件結構框圖如圖2所的示。主電路以ATmega16單片機，為控制中樞，包括由傳感器構成的電流電壓檢測電路、A/D轉換電路、RS485總線通信電路、LCD顯示電路等部分。原理圖如圖2所示，電流電壓檢測電路采集電壓、電流模擬信號，通過A/D轉換電路轉換成數字信號，送至單片機處理，通過LCD顯示四路電流、總電壓及溫度，撥碼電路用于設定本裝置的通信地址，下位機采用RS485通信總線連接至上位機，考慮到現在主流的筆記本電腦已經不再配置串口總線，取而代之的是高速傳輸的USB總線，所以使用RS485-USB的轉接口接入上位機，上位機使用基于LabVIEW的監(jiān)測軟件顯示和保存電流、電壓、功率、發(fā)電量、溫度等實時狀態(tài)。

圖2 智能光伏匯流裝置監(jiān)測模塊原理圖

2 監(jiān)測模塊硬件電路設計

2.1 主控MCU

監(jiān)測模塊主控芯片采用ATMEL公司生產的 Atmega16芯片，該芯片具有16K 字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié) SRAM，32個通用I/O口線，32 個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數器,片內/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，8路10位ADC，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，是一種低功耗、高性能微控制器。

2.2 電流、電壓檢測電路

該智能光伏匯流裝置內電流的采樣是選用霍爾電流傳感器實現對光伏電流的隔離測量。采用HALLS公司的HBC20LSP閉環(huán)霍爾電流傳感器，該傳感器是利用高性能霍爾元件,采用霍爾閉環(huán)原理實現對直流、交流或脈沖電流進行電隔離測量，測量電壓正比于被測電流，它具有響應時間快、精度高、線性良好、抗干擾強等特點。其測量范圍為±20A，符合光伏匯流系統(tǒng)的額定輸入電流測量要求，供電電源為5V，輸出電壓為2.5±2V，此范圍正好是A/D轉換器LCT1864的引腳能夠承受的輸入電壓范圍，所以無需進行電壓轉換，直接連接到的A/D轉換引腳進行轉換。如圖所示是4個霍爾電流傳感器測量電路中的一個，他們連接方式相同。圖中的R21、C11起濾除高頻干擾的作用，二極管D5、D6起輸出限壓保護的作用。

圖3 霍爾電流傳感器測量電路

為了實現電壓的隔離測量，并且具有0～800V的大的測量范圍，普通的電阻分壓方法及霍爾電壓傳感器的測量方法不能實現，本設計采用電壓變送器來實現。選用WS1251系列直流電壓變送器，輸入、輸出、電源三端口隔離，輸入電壓范圍0～1000V，輸出范圍0～5V，基本精度0.1%F.S.，響應時間小于等于10ms 。

圖4 A/D轉換電路

2.3 A/D轉換電路

由于4路電流加上1路電壓輸入都要經過同一個ADC進行轉換，所以需要一個模擬量切換開關實現模擬量的分時輸入，本設計選用八選一模擬量切換開關CD4501實現這一功能。如圖4所示。A/ D轉換芯片LCT1864，是16位、250ksps的A/D轉換器，采用單5V工作電源，開關電容器逐次逼近型，包括采樣及保持電路，具有一個差分輸入和一個可調基準引腳，采用三線式串行接口。

2.4 RS485通信電路

光伏匯流裝置一般在室外靠近光伏陣列安裝，從匯流裝置到上位機之間的數據傳輸用RS485通信方式比較合適，RS485最大的通信距離約為1200m，最大傳輸速率為10Mb/s，RS485 采用差模信號傳輸方式，與地電平無關，因而其抗干擾的能力強，即便在信號電壓較小的情況下也可獲得穩(wěn)定的傳輸。如圖5所示用MAX485芯片實現,并使用高速施密特觸發(fā)器輸出光耦HIIL1實現主控板與通信線之間的電氣隔離，該光耦具有較強的抗干擾能力,提高了通信的穩(wěn)定性。

圖5 RS485通信電路

3 軟件設計

3.1 通信協議

上位機與光匯流裝置的通信采用標準的Modbus協議，Modbus是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協議，采用“查詢—回應”通信模式，即主機發(fā)送查詢請求和查詢地址，目標從機上傳查詢結果。本設計采用 RTU傳輸信號幀模式編寫數據通信程序，即“9600，n，8，1” ，波特率9600b/s ( 可選) ，無校驗，8位數據位，1位停止位。采用CRC校驗方式。使用Modbus功能碼03H訪問下位機地址表中所有數據。上位機查詢請求命令幀格式如表1所示，下位機回應數據幀格式如表2所示?；貞獢祿袛祿螢殡娏?高位、電流1低位、電流2高位、電流2低位、電流3高位、電流3位低、電流4高位、電流4低位、電壓高位、電壓低位、溫度高位、溫度低位共12個字節(jié)。

表1 上位機查詢請求命令幀格式

表2 下位機回應數據幀格式

3.2 單片機軟件設計

下位單片機程序完成傳感器采集信號的A/D 轉換、LCD顯示、與上位機通信收發(fā)的功能。串口接收采用中斷方式，在主程序中，A/D 轉換完成后，將數據處理后顯示并儲存，緊接著查詢上位機是否有請求信息，如果有，將指定類型數據發(fā)送給上位機。

3.3 上位機軟件設計

上位機程序采用 LabVIEW軟件平臺進行編寫，LabVIEW是由美國國家儀器( NI) 公司研制開發(fā)的程序開發(fā)環(huán)境，主要用來進行數據采集和控制、數據分析和表達，它使用的編程語言是圖形化編程語言，特點是以框圖的形式產生程序。在本設計中要實現USB口與LabVIEW的通信及報表的制作，需要安裝串口通信NI-visa函數庫及報表生成工具包。

上位機軟件主要實現與下位機串口通信、將下位機發(fā)送的數據進行處理及存儲、實時以圖表的方式顯示數據變化情況等功能。

主程序架構采用while循環(huán)+事件結構，利用while循環(huán)每執(zhí)行一次，采集一次下位機的數據。程序先利用串口配置函數，根據通信協議配置好參數后，進入while循環(huán)運行事件結構，利用事件結構的超時功能的特點（當設為-1，為永不超時），使得程序一直等待，當點擊開始按鈕后，觸發(fā)開始按鈕所對應的的事件，該事件將預先設定的時間（設為1ms）寫入移位寄存器，觸發(fā)超時結構運行；在超時結構中，利用利用visa串口寫入函數，將上位機查詢請求命令發(fā)送給下位機，觸發(fā)下位機上傳回應數據，利用visa串口讀取函數取出數據，然后將下位機上傳的數據解析出4個電流值，1個電壓值，1個溫度值，再通過計算得到功率、發(fā)電量的數據；由于visa串口讀取函數每次讀取的是單個數據，要利用while循環(huán)的移位寄存器以及數組函數，將單個數據變成數組，顯示到圖表中；利用labVIEW的報表生成工具包中的寫入Execl函數，設置好Excel表格的抬頭，將采集到的數據實時保存進Excel中，并以系統(tǒng)時間為名稱保存到設定好的文件夾。前面板設計可顯示的數據有四路光伏陣列電流，并聯之后的電壓、匯流裝置溫度、四路光伏陣列功率、總功率、總發(fā)電量等，根據需要在前面板切換顯示。

下位機發(fā)回的數據依次包含地址、功能碼、四路電流值、電壓值、溫度值、CRC校驗碼，總長17個字節(jié)，以十六進制格式傳送到上位機，需要編寫程序進行解析最后轉化成可顯示的數值。程序如圖6所示，首先將接收到的十六進制格式數據轉換成正常格式字符串；接著把正常格式的字符串中分段提取出電流、電壓、溫度值，并把十六進制數值轉換成十進制數值；最后根據霍爾電流傳感器輸出電壓的ADC值還原成電流值。

圖6 電流數值解析程序

4 測試結果

將四路光伏組件串和負載接入匯流裝置進行實際測試，匯流裝置運行穩(wěn)定，前面板實時顯示的數據及曲線如圖7所示。保存數據生成的Excel表格如圖8所示。

5 結論

本文研制的智能光伏匯流裝置以單片機為控制核心，設計了匯流電路、電流電壓檢測電路、溫度檢測電路，裝置顯示電路，通信電路、基于LabVIEW的上位機監(jiān)測系統(tǒng)等，實現了對光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件陣列的匯流、保護、監(jiān)測作用。最后通過整體測試，測試結果表明，該裝置工作性能穩(wěn)定，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和可維護性。隨著光伏發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，智能化的光伏陣列匯流信號采集系統(tǒng)具有廣的闊的應用前景，因此研究具有智能結構的匯流裝置在光伏發(fā)電領域具有重要意義。

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丁男菊（1977.11），女，漢族，江蘇省無錫市，講師，碩士，研究方向：光伏應用技術、應用電子技術。

Design of intelligent photovoltaic confluent device based on remote monitoring

Ding Nanju
(Wuxi Science and Technologe College，Wuxi Jiangsu，214028)

This paper develops a set of intelligent photovoltaic confluent device with the host computer remote monitoring function,which is based on ATmega16,and designs the confluence circuit,current and voltage detection circuit,temperature detection circuit,LCD display circuit,RS485 communication circuit, and the software of the single chip computer.In order to realize the communication between host computer and single chip computer and on-line monitoring,the monitoring software based on LabVIEW is designed, which can display the parameters of PV system in real time,and can be used to query historical data for statistical analysis.

confluence;monitoring;ATmega16;RS485;Modbus protocol;LabVIEW

圖7 前面板顯示

圖8 數據記錄Excel表格