光伏并網電站智能監控系統的設計與實現

葉琴瑜 胡天友 秦 文

(電子技術大學機械電子工程學院，四川 成都 611731)

0 引言

隨著太陽能光伏發電技術的不斷成熟與普及，太陽能光伏發電正逐步由特殊應用轉向民用、由輔助能源向基礎能源過渡，而光伏并網發電系統是光伏系統發展的必然趨勢［1］。光伏并網發電系統一般由太陽能光伏電池板、逆變器以及控制器這幾部分組成。為了實時監測光伏并網電站設備的運行狀態，并保證每部分器件均能正常運行，就需要對相應參數進行測量、保存和分析。

目前，光伏并網電站采用的監控技術比較落后。光伏并網電站普遍采用以單片機為主的控制單元、以RS-485總線為主的通信網絡以及采用價格高且通用性較差的組態軟件為上位機監測系統。因此，在完成光伏并網電站建設的同時，如何提高電站監控系統的性能及智能化水平，具有非常重要的研究價值。

1 系統的總體結構與功能

光伏并網電站監控系統主要由上位機、下位機DSP、前端傳感器采集模塊及CAN總線等部分組成。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Structure of the system

系統各模塊具體功能如下。

①上位機主要由計算機、CAN接口卡和監控軟件組成。CAN接口卡插在上位機的擴展槽上，實現下位機與上位機之間的高速數據交換;監控軟件通過CAN接口卡接收下位機控制器發送的數據，對其進行分析、存儲和顯示，并根據需要向下位機發送控制命令［2］，達到實時監測、控制的目的。

②下位機DSP主要負責A/D采樣，并以CAN協議與上位機進行通信，保證系統的可靠穩定運行。

③前端采集模塊主要由各種傳感器組成，負責采集每臺逆變器的直流電壓、直流電流，交流側三相并網電壓、電流，逆變器溫度等運行參數和環境參數(溫度、風速、日照強度等)。

2 硬件設計

光伏并網電站監控系統對數據采集的精度、數據采樣率都有一定要求，需要能夠實時監測設備運行狀態，以達到遙控、遙測的目的。更最重要的是，該系統需具有較高的穩定性和可靠性。

目前，在光伏電站監控系統中，廣泛使用的控制單元主要以單片機為主。與新型的數字化處理器相比，該類控制器性能、擴展性和實時性都較差，對智能控制也有一定的局限性。因此，本監控系統采用TI公司的DSP芯片TMS320F2407作為系統核心控制器，充分利用了DSP的高速數據處理能力和強大的輸入輸出、采樣、通信等外圍接口功能［3］。該控制芯片主要負責現場運行參數的檢測和數據采集，并對采集的數據進行處理和通信。系統硬件電路主要由CAN總線接口電路和采樣電路組成。

2.1 CAN總線接口電路設計

與目前在光伏監控系統中使用最多的RS-485相比，CAN總線具有極高的可靠性、實時性和抗干擾性。該總線為工業控制系統中高可靠的數據傳送提供了一種全新的解決方案。

本控制芯片TMS320F2407內嵌的CAN模塊集成了CAN控制器，提供了完整的CAN2.0B協議，減少了微處理器的開銷，僅需要外置收發裝置即可實現通信［4］。在此采用德州儀器公司生產的 SN65HVD230作為CAN收發器。該收發器具有差分收發的能力，最高速率可達1 Mbit/s。選用SN65HVD230收發器可以實現增大通信距離、提高系統的瞬間抗干擾能力、保護總線、降低射頻干擾(RFI)、允許掛接120個節點以及熱防護等［5］功能。CAN總線接口電路如圖2所示。

圖2 CAN總線接口電路Fig.2 Interface circuit of CAN bus

圖2中，電阻R1作為CAN終端的匹配電阻;SN65HVD230的方式選擇端口RS與一端接地的斜率電阻器R2連接，可實現高速、斜率控制和低功耗3種工作模式的選擇。考慮到系統成本，同時，為了減少因電平快速上升而引起的電磁干擾等問題，本接口電路選擇斜率控制方式。

該系統的硬件設計采用通信速度快、抗電磁干擾能力強的CAN總線技術，提高了系統通信的穩定性、實時性和工作效率，并且減少了系統的布線和負載。同時，將TI公司生產的3.3 V CAN總線收發器SN65HVD230與帶有CAN控制器的TMS320LF2407配套使用，實現了系統內部各單元之間的信號傳送。

2.2 數據采集電路設計

由于本系統需要測量的參數種類繁多，因此，首先根據需要選擇不同的傳感器，通過調理電路進行濾波和限幅;然后將數據送到DSP進行A/D轉換，將模擬量轉換為數字量;最后再將這些處理過的參數送入計算機。數據采集系統框圖如圖3所示。

圖3 數據采集系統框圖Fig.3 The block diagram of data acquisition system

系統DSP選擇德州儀器公司(TI)推出的TMS320LF2407，其不但具有TMS320系列DSP的基本功能，還具有以下一些特點［6］:①采用高性能靜態CMOS技術，使得供電電壓降為3.3 V，減少了控制器的功耗;②片內有高達32 kB×16位的Flash程序存儲器、高達1.5 kB的數據/程序 RAM、544 B雙口 RAM(DARAM)和2 kB的單口RAM(SARAM);③2個事件管理模塊EVA和EAB，每個模塊均包括2個16位通用定時器和8個16位PWM通道;④10位ADC轉換器最小轉換時間為500 ns，多種A/D觸發方式(軟件啟動、EVA和EVB、外部觸發ADCSOC);⑤5個外部中斷(2個電機驅動保護、1個復位和2個可屏蔽中斷);⑥3種低功耗電源管理模式，能獨立將外設器件轉入低功耗工作模式。

采用高速數字信號處理器TMS320LF2407進行數據采集，使得系統在采集速度、精度和同步采樣等方面都具有良好的性能，且結構簡單、成本低。

3 軟件設計

3.1 上位機監控軟件

目前，很多工業監控系統都采用組態軟件，但組態軟件價格較高，且大都不能脫離其特定的環境運行，而Visual C++、Dephi等早期軟件在類型安全、簡單、靈活和面向對象等方面都存在不足。因此，本監控軟件采用.NET框架的Visual C#.NET為開發平臺進行界面設計，可以大幅度縮短軟件開發周期［7－11］。在運用Visual C#.NET進行上位機軟件開發的過程中，為實現CAN總線通信功能，利用PCI-9820雙路非智能CAN接口卡廠商提供的工具包。上位機將接收到的數據處理后存入SQL Server 2005數據庫中。

監控軟件的主要目的是對光伏并網發電站的眾多逆變器、光伏陣列的狀態進行實時監測、控制和管理［8］，其實現的功能主要有以下幾點。

①數據采集和顯示功能:實時采集每臺逆變器的直流電壓、直流電流，交流側三相并網電壓、電流，逆變器溫度等運行參數和環境參數(溫度、風速、日照強度等);并計算出每臺逆變器的當前發電功率，電站的發電功率、平均功率，日發電量、累計發電量以及CO2的減排量，并將它們進行顯示［9］。

②數據管理:每隔5 min存儲一次電站所有運行數據和環境數據，故障數據實時存儲，數據備份、查詢，報表打印等。

③控制功能:控制下位機逆變器的開和關，可以以電子表格的形式存儲運行數據，并可以通過圖表的形式顯示電站的運行情況。

④故障報警功能:當設備出現故障時立即彈出報警提示信息，同時，以SMS(短信)方式通知電站管理人員。

⑤操作日志:跟蹤用戶對系統的各種數據操作和使用情況，主要用來記錄系統中的異常信息以及用戶權限的更改等，便于用戶或者程序員發現錯誤信息并及時進行調整、修改。

3.2 CAN通信協議設計

TMS320LF2407內置的CAN控制器完全支持CAN2.0B協議。該協議規范標準只規定了物理層和數據鏈路層，并沒有規定應用層。所以在設計通信軟件時，必須首先設計合適的CAN通信協議，才能準確可靠地傳輸數據。F2407的CAN控制器支持2種不同的幀格式，即標準格式和擴展格式。它們的主要區別在于標志符長度的不同，標準幀具有11位標志符，而擴展幀具有29位標志符。

考慮到通信的可靠性和效率，本系統采用標準格式數據幀，通信速率最高可達500 kbit/s［6］。CAN標準信息幀如圖4所示。在實際的編程應用中，比較重要的有仲裁域、控制域和數據域。本文主要對仲裁域和數據域進行了設計。

圖4 CAN標準信息幀Fig.4 Standard information frame of CAN

本應用層協議對CAN2.0標準幀的11位標志符采用了報文優先級分配原則，每一幀報文標志符的最高4位表示報文的功能碼，數據越小，則優先級越高［10］，后面7位表示節點的地址。例如:上位機對總線具有最高優先權，標志符可以是0000 0000000;各下位機控制器優先權低于上位機，標志符可以是0001 0000001，0001 0000010，…，依次進行編號，在一個局域網內可以容納多達127個控制器節點。采用該方法，即可實現PC機與多臺并網逆變器之間的通信。最后，明確各節點需要發送的報文，對監控系統中各種控制信號和數據進行分類，填充各報文的數據域。

下位機向上位機發送數據幀的具體定義如表1所示，最后一幀的結束標志格式為:NOD-ID(下位機節點ID，即標志符的0～6位)+FF FF FF。下位機以2 s為一個周期向上位機連續發送6組數據幀，如果上位機連續接收到6組數據并且最后3字節包含FF FF FF，則認為數據接收成功;否則丟棄數據。最后，通過讀取最后一組數據中的NOD-ID獲取發送節點的ID。

表1 運行參數數據幀定義Tab.1 Definition of the data frame of operational parameters

上位機向下位機發送命令的數據格式為11位標志符+8 B數據，其中，Data0作為控制命令字段，Data7作為數據發送的目標節點ID寫入數據，Data1～Data6皆保留使用。當上位機向下位機發送控制命令時，下位機只接收與其ID相符的報文。

4 結束語

在綜合研究現場總線技術、DSP技術以及軟件編程技術的基礎上，設計開發了光伏并網電站智能監控系統;并充分發揮了DSP強大的數據處理能力，提高了系統控制和數據采集的實時性;同時，將CAN總線引入到數據的通信中，提高了系統的可靠性和容錯能力，并大幅度地縮短了軟件開發周期。此外，該監控系統集多種功能于一體，具有良好的可靠性和可擴展性、人機界面友好等特點，對進一步提高光伏并網電站的效率、自動化水平以及優化電站的實時性和穩定性都具有重要的現實指導意義。

［1］趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發電及其應用［M］.北京:科學出版社，2006.

［2］李立偉，王英，包書哲.光伏電站智能監控系統的研制［J］.電源技術，2007，31(1):76 －79.

［3］席鑫寧.基于DSP的設備狀態監控系統設計［D］.太原:中北大學，2009.

［4］徐華.DSP內嵌式CAN控制器的節點設計與應用［J］.湖南工程學院學報，2002，12(3):10 －12.

［5］陳育良，許愛強，李文海，等.SN65HVD230型CAN總線收發器的原理及應用［J］.國外電子元器件，2005(9):47－50.

［6］劉和平，鄧力，江渝，等.DSP原理及電機控制應用—基于TMS320LF240x系列［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.

［7］馮濤，宋勝利，鐘江，等.基于.NET的智能監控系統軟件設計與開發［J］.計算機應用，2008(9):54 －57.

［8］舒杰，彭宏，沈輝，等.光伏系統的遠程監控技術與實現［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2005，33(5):43－46.

［9］劉宏，陳慧玲，龐勝利.光伏并網電站數據采集監測系統［J］.可再生能源，2006，129(5):74 －76.

［10］王忠，孫浩欽，易茂祥.基于CAN總線智能建筑監控系統的通信協議設計［J］.電子科技，2010，23(7):62 －65.

［11］鄒偉，楊平，徐德.基于MCGS組態軟件的上位機控制系統設計［J］.制造業自動化，2008，30(12):103 －108.