光儲聯合供電數據采集系統的設計及數據預處理

張純杰，趙志剛，高 溥

（蘭州交通大學 甘肅 蘭州 730070）

光儲聯合供電系統作為一種可再生的閉環能源系統，廣泛應用于電力、航空航天、氣象、通信等領域。對于光伏電池，它的工作受到太陽輻射強度和光伏電池極板溫度的制約；就儲能系統而言，精確地建立蓄電池的模型需要綜合考慮蓄電池的化學特性、物理特性以及外界環境。所以建立出的光儲聯合供電系統模型復雜，包括多個未知參數，這些未知參數在實際工況中難以獲得。為了避免傳統建模的缺陷，改用辨識的方法對光伏電池和儲能系統的模型結構及重要參數進行辨識。系統辨識要求能夠精確獲得系統實時的輸入/輸出數據，有必要對光儲聯合供電系統的數據采集模塊進行設計和分析。文獻[1]設計了基于DSP硬件開發環境的數據采集系統；文獻[2-3]設計了多路數據采集系統；文獻[4]設計了一種適用于大型光伏發電的數據采集系統；文獻[5]開發了一套高速數據采集系統。數據采集系統有多種形式，但大多數據采集系統針對的只是單個光伏發電模塊，不能完全應用于光儲聯合供電系統中。在此設計了一種用于光儲聯合供電系統的數據采集模塊，實時采集光伏陣列和儲能系統的輸入/輸出數據。

1 總體設計

在白天太陽輻射充裕時，由于光生伏打效應在光伏電池（陣列）產生電壓，通過DC/DC降壓轉換[6]，一部分電壓加載在一定的負載上產生輸出電流，另外一部分電能輸入到儲能系統形成充電電壓（電流）；夜晚沒有太陽輻射時，儲能系統作為主要供電來源，產生放電電壓（電流）。考慮到影響光伏電池輸出特性的參數——光伏極板表面溫度和太陽輻射強度，將這四類模擬量分時送入數據采集模塊的下位機。通過RS-484將下位機采集的原始數據通過串口通信方式發送到上位機，通過建立相應的數據處理算法，完成動態數據的實時顯示。數據采集總體示意圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

數據采集的核心是模數轉換電路和傳感器電路。模數轉換器采用ADuC812高精度數據采集芯片（8通道、12位精度、逐次逼近型A/D轉換器），硬件采集思路為：被測對象轉換為傳感器信號，然后進行信號調理，最后將調理的信號分時送入下位機，如圖2所示。

圖1 數據采集總體結構圖Fig.1 Overall structure for data acquisition

圖2 數據采集模塊下位機示意圖Fig.2 Overall diagram for data acquisition module in hardware

由于ADuC812芯片具有8路A/D轉換通道，故將采集通道做如下安排：采集3路電壓、2路電流、3路溫度，如表1所示。

表1 A/D轉換通道分布情況Tab.1 Distribution for A/D conversion channel

各模擬量的采集過程如下：

1)電壓采集：系統輸出電壓經過穩壓、隔離、放大和緩沖4個步驟，最后將調理信號送入A/D轉換器；

2)電流采集：基于霍爾效應，實現回路中檢測電流向霍爾電壓的線性轉換。然后進行放大和緩沖，將調理的信號送入A/D轉換器；

3)溫度采集：采用溫度傳感器，檢測當前空氣的溫度，然后計算光伏極板表面溫度；

4)太陽輻射采集：采用日射強度計測量。

由于為多路采集，ADuC812工作在連續采集模式中采用ADC DMA模式，即采集到的數據不通過CPU直接傳輸到SRAM中 （采用KM62256C做SRAM，SRAM由八位鎖存器74HC573使能，如需擴展內存，SRAM可以級聯）。在數據采集程序中，首先要進行初始化。通過配置三個特殊功能寄存器 ADCCON1、ADCCON2和 ADCCON3來設置采集時間、轉換模式、通道選擇、采集模式等。完成上述特殊功能寄存器的設置，A/D轉換器將轉換的12位結果字分別保存在ADCDATAH和ADCDATAL中。在配置好外部數據存儲器的情況下，特殊功能寄存器中的DMA地址指針寄存器將被寫入，設置相應的DMA使能位完成DMA初始化。采用中斷方式管理A/D轉換器。當A/D完成一次轉換時，向單片機發一次中斷信號，單片機響應中斷并讀出數據，將轉換數據存儲到SRAM中，然后通道號和相應的存儲器地址各加一[7]。

3 測試系統軟件設計

數據采集模塊上位機是在以Lab VIEW為虛擬儀器的環境下開發的。其設計包括上位機G程序的設計和界面（前面板）的美化設計。上位機程序實現數據的實時顯示（包括串口通信和和數據處理）與存儲。

合理編寫基于數據處理算法的上位機程序和數據存儲程序，將實時采集的數據以電子表格文件（.xls）方式存儲，可以用Microsoft Excel讀取并編輯。

串口通信采用Lab VIEW VISA模塊。本次上位機G程序的設計采用5個VISA節點：VISA配置函數 （串口的初始化）、VISA設置I/O緩沖區大小函數（設置I/O緩沖區大小）、VISA讀取函數 （讀取串口接收緩沖區數據并存儲到計算機內）、VISA串口字節函數 （返回指定串口的輸入緩沖區字節數）和VISA關閉函數（關閉設備會話句柄）。

上位機界面的美化，應做到布局合理、對控件歸類和配色合理。最終設計的上位機界面如圖3所示。

4 數據預處理

數據處理是對串口通信發送到上位機的原始模擬量進行數據還原，即下位機A/D模擬值的標定。

1)電壓采集：A/D 模擬口的電壓（V0）和數字量（V1）有以下線性轉換關系：

圖3 上位機界面Fig.3 PC interface

光儲聯合供電系統的輸出電壓（V）和送入A/D模擬口電壓之間有如下線性關系:

2)電流采集:檢測電流和霍爾電壓之間有如下線性轉換關系：

式中Ip表示檢測電流；

根據霍爾效應電流電壓轉換公式（3）以及轉換后的電壓與送入A/D模擬口電壓之間的線性關系來標定電流值。

3)溫度的采集：合并串口顯示的兩個分別采集溫度的整數部分和小數部分，得出環境空氣溫度值。根據桑迪亞光伏極板溫度模型估算光伏極板表面溫度：

式中:EPOA——投射到光伏極板上的太陽輻射強度(W/m2)；

Ta——環境空氣溫度(℃);

WS——風速(m/s)；

a,b——常數，與光伏陣列的安裝方式（戶外）與光伏電池的材料（多晶硅）有關，取a=-3.47,b=-0.059 4。

4)太陽輻射強度的采集：考慮到程序的復雜程度，數據處理算法在下位機實現，上位機僅實時顯示采集的太陽輻射強度值。

5)數據采集模塊誤差限的估計：根據《1048-1995數據采集系統校準規范》估算數據采集模塊的誤差限：首先進行信號點的選擇：在測量范圍(EL,EH）內選擇11個校準點。

式中：EL——通道的測量范圍下限;

EH——通道的測量范圍上限;

Er——通道的量程;

被測通道在信號E值處的誤差限A按下列公式計算:

式中:xj——折合到通道輸入端的采集數據值(i=1,2,…,n)

n——每個通道的采集數據個數；

E——系統輸入標準信號的幅度；

σ——采集數據的標準差。

將實驗結果與顯示結果作比較，計算出相對誤差，然后根據國標估算本數據采集模塊的誤差，將計算出的相對誤差與估算的數據采集模塊的誤差作比較。

5 實驗驗證

在完成數據采集模塊下位機PCB制作的前提下，通過大量實驗，逐步完善和改進采集系統的設計：考慮到能源系統和負載的輸入/輸出量程，光儲聯合供電系統的配置及穩定工作范圍。試驗模擬電壓值定在30 V到60 V之間，取十一組不同值，通過實驗，得出檢測值和計算值，如表2所示。

表中第一欄（外部輸入）是測量儀器檢測值；中間一欄（計算結果）表示了基于數據處理算法在上位機上實現的計算結果；最后一欄（誤差）表示了實驗結果與顯示結果的相對誤差。

通過實驗,將電流采集電路中采集的電流值和計算值作對比，如表3所示。

按式(9)分別求出不同的誤差限值，以其中的最大值作為通道誤差限。在本次數據處理中，取=100，即每個通道采集數據個數為100。對于表 1，取EL=30,EH=60，在測量范圍（30,60）中取11個校準點：E1=30.375,E2=33,…,E11=59.625代入公式（9），最后通過（13）式計算求得誤差限 A=A3=±2.47%。 同理，對于表2，取 EL=-2.584，EH=2.783，代入相應公式求解得到誤差限 A=±4.07%。

通過比較表中實際誤差與數據采集系統校準規范中所確定的誤差限可知：設計的數據采集模塊中電壓值和電流值的誤差較小，并且在估算的誤差限之內。

表2 電壓的檢測值與計算值Tab.2 Measured value and calculated value for voltage

表3 電流的檢測值和計算值Tab．3 Measured value and calculated value for current

6 結論

為了獲得辨識建模所需的系統輸入/輸出數據，設計了一種小體積、輕質量光儲聯合供電系統的數據采集模塊。該模塊有以下優點：

1)此模塊適用于光儲聯合供電系統相關輸入輸出參數的多通道測量；

2)此模塊數據開發成本低，采集精度較高，上位機在Lab VIEW環境下開發，開發效率高，監控界面友好。

通過光儲聯合供電系統數據采集模塊的設計及實驗驗證，并對其相對誤差的估算和比較分析，為實現光儲聯合供電系統的辨識建模打下了堅實的基礎。

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