基于電力線載波通信技術的光伏板測控系統設計

胡文飛，張雅潔，盧志剛，孟海軍，傅 愛

（1.溫州職業技術學院 a.電氣電子工程系；b.信息技術系，浙江 溫州 325035；2.寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211；3.寧波奧克斯高科技有限公司，浙江 寧波 315211）

0 引 言

光伏發電設備被廣泛應用于建筑物，建筑物發生火災或其他需要該系統停止供電時，目前采用的措

施是讓逆變器停止光伏直流電向交流電的轉換，直流電輸出仍存在，功率高達8kW的直流標準輸出會給安全帶來極大的隱患[1-2]。尤其是建筑物發生火災時，用導電的物質（主要指水）滅火，會給消防員人身安全帶來很大的隱患。美國能源部提出了行業推薦標準，要求太陽能供電系統在2020年以后具備10s內切斷每個光伏板直流電壓和逆變器輸出電壓的能力，否則設備將不予進口準入[3-5]。我國是全球光伏產品的主要生產國，占全球光伏產品產量的80%以上，如果在強制性標準執行之前無法解決該技術問題，將給光伏產業健康發展帶來重大損失。本文采用電力線載波通信（Power Line Communication，簡稱PLC）技術，實現對單個光伏板緊急斷電的控制和健康數據的檢測，達到改造現有光伏發電設備和升級換代已有光伏發電設備的目的。

1 光伏板測控系統總體方案

1.1 系統功能需求

根據市場調研結果，并與國內幾家光伏接線盒廠家溝通，光伏板測控系統有以下技術指標需求：

（1）光伏板測控系統中遠置單元（Remote Terminal Unit，簡稱RTU）和中央處理器（Central Processing Unit，簡稱CTU）可集成在光伏接線盒中，具體尺寸為150mm（長）×150mm（寬）×50mm（高）。

（2）RTU和CTU通過簡單的連接即可接入已有的太陽能發電系統中，實現對已有太陽能發電系統的升級改造。它們之間通過已有的直流電力線進行通信而不添加新的通信電纜。

（3）RTU完成對單個獨立太陽能板電壓、電流的檢測和通斷電指令的執行。

（4）CTU完成對20個RTU電壓電流參數的巡檢、斷電指令的發出和斷電狀態的檢測。通過422/485總線和以太網完成每個太陽能板健康數據的上傳和斷電狀態的上傳。系統10s內完成20個太陽能板的斷電操作。

1.2 系統總體方案

根據系統功能需求，提出基于PLC技術的光伏板測控系統設計方案，如圖1所示。系統包括多個光伏板、逆變器和多個RTU, CTU, 以及急停開關和遠端檢測設備接口。其中典型的為20個光伏板，每個電壓為直流48V左右，電流正常工作為8A左右，串聯可產生1 000V左右的直流電壓，進入逆變器直接完成對220V, 50Hz的交流市電轉換，此時逆變器設計最簡單，效率最高，光伏發電設備性價比最高。

2 光伏板測控系統設計

光伏板測控系統硬件包括光伏板、逆變器、RTU和CTU，以及急停開關和遠端檢測設備接口[6-7]。其中，光伏板、逆變器和急停開關采用目前已有設備，本文主要對CTU和RTU進行硬件設計和軟件設計。

圖1 基于PLC技術的光伏板測控系統

2.1 CTU硬件設計

CTU硬件部分包括物理急停開關、MCU處理器、PLC模塊、422/485總線通信模塊和以太網通信模塊。考慮到產品的標準化、小型化和多樣化，通信模塊均以模塊化單獨實現。

（1）MCU（微處理器）。采用TI公司的16位超低功耗的混合信號處理器（Mixed Signal Pocessor）。其內部集成了豐富的外設接口和超高的性能，足以處理所有模塊通信，同時由于它的超低功耗特性，能有效降低電路功耗。本文采用SPI總線與PLC模塊進行通信，兩個通用異步串口USART0和USART1分別與422/485總線通信模塊和以太網通信模塊進行通信，如圖2所示。

圖2 CTU硬件設計

（2）PLC模塊。基于HL-PLCS520的PLC模塊結構，體積超小，是市場上體積最小的載波通信模塊。采用PLC模塊，用戶可方便地在交流或直流環境下進行電力線載波通信，同時在不通電的空導線上同樣適用。PLC模塊在抗干擾能力、工作穩定性、模塊體積、使用方便性方面有了全面提升，是目前市場上同種調制方式下最穩定可靠的模塊。HL-PLCS520F芯片內部結構如圖3所示。HL-PLCS520芯片時鐘控制單元產生的時鐘和電源管理模塊產生的3.3V的電壓可為MSP430單片機提供工作時鐘和工作電壓，通過SPI接口與單片機進行數據通信，采用FSK調制方式，進行半雙工通信，電力線最高通信速率為4 800bpS，在室外條件下可實現200m的可靠通信。

圖3 HL-PLCS520F芯片內部結構

PLC模塊的信號發送與接收。信號通過電容C8隔離直流，利用穩壓二極管D1限制幅值，通過電感和變壓器進行數據耦合；接收無源電路由解耦合電容、線性變壓器和LC串聯諧振回路組成，是一個串聯諧振電路，最終產生的RX-IN信號進入HLPLCS520芯片進行解調；接插件P4，既可與直流電力線連接也可與交流電力線連接。PLC模塊的信號接受與耦合電路如圖4所示。HL-PLCS520芯片發出的調制信號，通過電阻R11和電容C11組成的無源低通濾波器，經兩級電容C10和C9進行直流隔離與信號取正向；通過VCC9V和電阻R7進行驅動，利用穩壓二極管進行數據的限幅和去除負電壓，通過耦合電路進行數據的發送（見圖5）。

圖4 PLC模塊的信號接收與耦合電路

圖5 PLC模塊的信號發送電路

（3）422/485總線通訊模塊。該模塊主要完成強制斷電指令的下達和結果反饋，太陽能板電壓電流數據的接收；主要與近距離通信設備相連接，緊急情況下實施斷電操作。該模塊采用MAX485接口芯片和單一電源+5V工作，額定電流為300μA，為半雙工通訊方式；完成將TTL電平與422/485總線電平的轉換，MAX485芯片結構和引腳都非常簡單，內部含有一個驅動器和接收器。

（4）以太網通訊模塊。該模塊主要完成遠程斷電指令的下達結果反饋，太陽能板電壓電流數據的接收；主要與遠距離通信設備相連接，主要查詢光伏發電系統工作狀態，也可實施遠程斷電操作。該模塊采用美國微芯科技公司（MICROCHIP）推出的ENC28J60，為28引腳獨立以太網控制芯片，是目前以太網控制芯片中的最小封裝形式。另外，它符合IEEE802.3的全部規范，采用一系列機制限制傳入數據包，提供一個內部DMA模塊，使快速數據吞吐及硬件支持的IP校驗和計算得以實現。ENC28J60與主控單片機的通信通過兩個中斷引腳和RJ45實現數據傳輸速率高達10Mb/s。

2.2 RTU硬件設計

圖6 RTU急停按鍵控制設計

RTU硬件部分基本與CTU硬件部分相同，少了422/485總線通信部分和以太網通信部分，多了光伏板急停按鍵控制部分（見圖6）和電壓電流采集部分。由圖6可知，N個光伏板等效N個電池串聯，當RTU接收CTU發出急停指令時，會同時斷開N個光伏板的按鍵K1, K2，完成強制斷電指令的執行。另外，當CTU檢測光伏板N工作狀態異常時，會斷開控制按鍵K1，同時閉合控制按鍵K2，完成對問題光伏板的隔離和狀態信息的上傳。數據通過RTU的總線傳給遠端檢測系統，達到遠程實時檢測整個發電系統光伏板的工作狀態的目的[8]。

2.3 CTU和RTU的軟件設計

CTU和RTU的軟件工作流程如圖7所示。由圖7可知，先對軟件自身的各種配置進行初始化，包括串口初始化、SPI接口初始化、PLC通信初始化。程序進入正常工作模式以后，主要是接收CTU發送的狀態數據。CTU采用巡檢的形式對目標RTU進行數據讀取，目標CTU把采集到電壓電流和按鍵狀態通過PLC發送給CTU；CTU把接收到的數據通過422/485總線通信模塊和以太網通信模塊把數據上傳給遠端檢測單元。當CTU接收到急停指令時，通過廣播的形式向網絡內所有RTU發布斷電指令，RTU接收到斷電指令，執行各自斷開K1, K2的操作，通過檢測電壓電流值確定斷電狀態，并把數據傳送給CTU。

圖7 CTU和RTU的軟件工作流程

編寫軟件時把強制斷電指令設為中斷形式實現。把按鍵斷電指令設為第一優先級，422/485總線斷電指令設為第二優先級，遠程以太網指令設為第三優先級，并設置密碼，防止誤操作。

2.4 系統小型化集成

光伏板測控系統硬件部分主要包括RTU和CTU，按照設計要求，RTU和CTU必須可單獨集成在已有的光伏接線盒中。目前，市場上光伏接線盒的尺寸為不大于150mm（長）×150mm（寬）×50mm（高）。通過與廠家協商，根據不同用戶需求，要求做到產品的標準化、模塊化和多樣化。根據系統功能不同的模塊化設計，把MCU和PLC功能模塊集成為一個尺寸（45mm×45mm）的硬件單元，把串口轉422/485總線功能模塊集成為一個尺寸（18mm×45mm）的硬件模塊，把串口轉以太網通信功能模塊集成為一個尺寸（30mm×15mm）的硬件模塊（見圖8）。這些模塊很容易放在一個尺寸（100mm×90mm）的光伏接線盒中，模塊之間采用總線的形式進行連接。采集電路和開關控制電路可直接放在智能光伏接線盒中。這樣可依據客戶需要對產品進行定制。一般場合都采用以太網通信模塊，通過遠程對光伏發電系統進行數據檢測，采用急停開關完成現場的緊急斷電。在大型專用光伏設備中多采用422/485總線通信模塊。集成RTU和CTU的光伏接線盒稱為智能光伏接線盒，如圖8d所示。智能光伏接線盒可不改變原光伏發電系統連線，直接替換原有光伏接線盒，完成對已有光伏發電系統的簡單升級改造，提高效率，降低成本。

圖8 智能光伏接線盒和不同尺寸功能模塊

3 測 試

2018年7—12月，對光伏板測控系統進行為期半年的測試，測試環境分為室內和室外。室內環境測試主要驗證系統功能，側重于功能實現和通信誤碼率計算。測試結果表明，系統可通過急停開關、422/485總線和以太網進行緊急斷電，在5s內完成20個智能光伏接線盒的斷電工作；對每個單元的光伏板進行電壓電流和工作狀態的查詢；RTU自動識別有問題的光伏板使故障隔離；直流PLC穩定可靠，無丟包和誤碼的現象。室外環境測試主要驗證系統在高溫潮濕環境的可靠性。測試結果表明，系統可在45℃高溫、暴雨和連續陰雨的環境中穩定工作，只有在雷電情況下會出現誤碼的現象，但通過軟件對數據進行存儲、多次重發和錯誤校驗算法處理后即可解決該問題。同時，系統可在不改變光伏發電系統接線前提下做到對已有光伏發電系統的升級換代；可集成在比任務要求更小的光伏接線盒中。室內環境和室外測試都證明了系統可在光伏發電系統中穩定可靠地工作。

4 結 論

基于電力線載波通信技術的光伏板測控系統，總體技術指標優于任務要求，大大降低了設備升級維護的成本，提高了工作效率。系統既可用于已有光伏發電系統的改造，也可用于產品的升級換代。目前，系統已應用于寧波奧克斯高科技有限公司光伏變電箱的智能化改造項目中，已申請3項專利，但仍存在與光伏變電箱歐標和美標的軟件匹配問題。