基于ADE7880的光伏發電系統監測裝置設計

摘 要：文章結合LPC2368、ADE7880、直流采樣、環境參數采集設計出一種的光伏發電系統監測裝置，該裝置利用LPC2368控制器控制對光伏系統現場發電系統數據的采集，通過與監控主機連接能夠對監測數據采集、分析、處理、查詢。該裝置不僅能對光伏發電系統常規數據進行采集，還能有效監測光伏發電系統發電效率，以及諧波、功率因數、諧波畸變率等電能質量參數。

關鍵詞：ADE7880；LPC2368；光伏系統；錳銅電阻；環境參數采集盒

引言

隨著電力系統的發展，光伏發電在系統中所占的比例越來越大。光伏發電受太陽輻照強度強度、溫度、風速等環境因素影響較大，其發電特點具有隨機性、間歇性，并網運行時對電網調峰、系統安全運行及電能質量帶來嚴重影響[8]。因此，有必要對整個光伏發電系統的運行狀況及并網點參數進行監測。通過對監測數據采集、分析、處理、查詢，掌握發電系統的當前運行狀況，及時發現異常情況并采取有效措施。文章結合LPC2368、ADE7880、直流采樣、環境參數采集設計出一種的光伏發電系統監測裝置，該裝置不僅能對光伏發電系統常規數據進行采集，還能有效監測光伏發電系統諧波、功率因數、諧波畸變率等電能質量參數。

1 監測系統硬件設計

光伏發電系統監測裝置由監控主機、監測單元、環境參數采集盒三部分組成，如圖1所示。監控主機實現監測數據的記錄、顯示、數據分析、數據查詢、系統管理等功能。監測單元實現光伏發電系統交直流參數的采集及測量。環境參數采集盒實現溫度、太陽輻照度和風速數據的采集與上傳。監測單元、環境參數采集盒利用RS485總線與監控主機通信。

1.1 監控單元硬件設計

監控單元主要由LPC2368處理器、交流傳感器及信號調理電路、ADE7880高精度計量芯片、直流傳感器及信號調理電路、AD轉換器、液晶觸摸顯示屏組成，如圖2所示。

LPC2368處理器作為本設計的控制核心，用于實現ADE7880的初始化及相關測量數據的獲取、存儲，以及與監控主機的通信，ADE7880三相高精度多功能計量芯片，實現光伏發電系統交流參數的采集及測量，AD采樣器實現直流參數的采集，液晶觸摸顯示屏實現光伏發電系統監測數據的就地顯示。

信號調理電路主要功能是將模擬信號經過濾波、放大、等環節調理至ADE7880輸入所要求的范圍。對測量結果影響最大的是采樣精度，ADE7880芯片在內部硬件上保證了信號的采樣精度，數字濾波器的加入進一步提高了芯片的測量精度。為了消除外部傳感器非線性和精度對測量結果的影響，本設計采用電阻分壓網絡實現對電壓信號采樣，采樣電阻采用高穩定、溫漂小的精密電阻，并設計RC抗混疊濾波器對信號進行濾波處理，電壓信號通道如圖3所示。

圖3中輸出電壓信號的幅值為：

TVS為過壓保護防止電網瞬間高壓對電路造成損害，磁珠用于吸收來自電網的高頻干擾。

電流通道采用錳銅片對電流信號進行采樣，電流信號被錳銅采樣為電壓信號經放大后輸入到ADE7880電流通到，如圖4所示。

本設計中錳銅采樣電阻采用1毫歐，精密放大電路對信號進行6倍放大后，經過后續的抗混疊濾波處理輸入到ADE7880的電流通到，磁珠用于吸收來自電網的高頻干擾。

ADE7880具有三個串行接口：一個完整許I2C接口、一個串行外設接口（SPI）和一個高速數據采集端口（HSDC）。ADE7880具有四種工作模式（正常功耗模式、降耗模式、低功耗模式、休眠模式），具體的模式由PM0和PM1引腳的狀態決定。為了在滿足數據采集速度的基礎上，提高數據采集的靈活性，本設計采用LPC2368的SPI接口實現與ADE7880通信，LPC2368的SPI工作在主機模式。LPC2368與ADE7880的接線原理圖如圖4所示。圖5中，LPC2368的P1.19、P1.20分別與ADE7880的PM0、PM1連接，用于控制ADE7880的工作模式。

1.2 環境參數采集盒硬件設計

環境參數采集盒由MSP430處理器、溫度傳感器、輻照度傳感器、風速傳感器等組成，如圖6所示。MSP430處理器作為采集盒的控制核心，用于實現對傳感器的初始化、控制、測量以及與監控主機的通信，輻照度傳感器、溫度傳感器、風速傳感器實現太陽輻照度、組件溫度、環境溫度和風速等環境參數的采集。

2 監測裝置軟件設計

2.1 主程序設計

在本設計中，各個功能模塊均在中斷中完成，而主程序主要任務是：完成系統初始化；進入主循環判斷各個標志（為了明確主程序調用各子功能模塊的選擇性，在主程序中定義了調用各子功能模塊的標志位）；條件滿足（標志為1），調用各個子功能模塊；子程序處理完畢，返回到主循環中。主程序的編寫采用循環結構，功能模塊化的方案，對每一個子功能設定標志位，在循環中通過不斷的判斷標志位，來表明要進入哪一個功能模塊去執行任務。這種方法使整個主程序設計的思路清晰，每個子模塊的功能分配明確，從而有利于軟件的調試、修改和維護，監控單元的主程序流程框圖如圖7所示。

主程序中，首先進行系統軟件初始化及硬件初始化，包括各種硬件控制字的讀寫、特殊功能寄存器及存儲器的配置、標志位及變量的定義、ADE7880模塊的初始化等，啟動看門狗電路進入主程序的循環。在主循環中，確認與上位機發送接收情況，確認ADE7880交流參數計算結果、確認直流參數采集結果和環境參數采集結果等。在主程序循環中，所有的功能模塊只有條件滿足后才執行，反之，則立即判斷下一功能模塊。

2.2 ADE7880的初始化程序設計

ADE7880具有四種工作模式，具體的模式由PM0和PM1引腳的狀態決定）。這兩個引腳控制ADE7880的工作模式，通過LPC2368的P1.19，和P1.20便可以設置ADE7880的工作模式。

上電復位后，當ADE7880進入PSM0模式時，活躍串行端口是I2C接口。由于本設計中使用SPI接口，因此必須將SS/HAS從高電平到低電平切換三次。此操作會選擇SPI接口，然后對CONFIG2寄存器執行寫操作以鎖定SPI接口。進入PSM0之后，ADE7880會立刻將所有寄存器設為其默認值。ADE7880的DSP最初處于空閑模式，此時可以初始化所有ADE7880寄存器。初始化序列中的最后一個寄存器必須寫入三次，以確保該寄存器已完成初始化。然后，向RUN寄存器中寫入0x0001，以啟動DSP。ADE7880初始化的部分程序如下所示：

//ADE7880復位

ADE7880REST（）；

//通訊口切換

ADE7880_CS（1）；

ADE7880_CS（0）；

ADE7880_CS（1）；

ADE7880_CS（0）；

ADE7880_CS（1）；

ADE7880_CS（0）；

ADE7880_CS（1）；

//鎖定SPI口，使用內部基準源

ADE7880CMD[0]=0X02；

ADE7880_WriteData（CONFIG2，1）；

//電流電壓通道初始化，/輸入放大器增益設置為1

ADE7880CMD[0]=0X00；

ADE7880CMD[1]=0X00；

ADE7880_WriteData（GAIN，2）；

//諧波管理配置初始化

ADE7880CMD[0]=0X70；

ADE7880CMD[1]=0X00；

ADE7880_WriteData（HCONFIG，2）；

//電能累計模式設置

ADE7880CMD[0]=0X00； ADE7880_WriteData（ACCMODE，1）；

//清中斷標志

ADE7880CMD[0]=0XFF；

ADE7880CMD[1]=0XFF；

ADE7880CMD[2]=0XFF；

ADE7880CMD[3]=0XFF；

ADE7880_WriteData（STATUS1，4）；

ADE7880_WriteData（STATUS0，4）；

//啟動DSP

ADE7880CMD[0]=0X01；

ADE7880CMD[1]=0X00；

ADE7880_WriteData（RUN，2）；

3 監測裝置的實驗測試

利用監測裝置對光伏并網發電系統進行了現場測試，部分測試結果如表1、表2所示。

4 結束語

文章結合LPC2368、ADE7880、直流采樣、環境參數采集盒設計出一種光伏發電系統監測裝置，通過現場運行測試，表明該裝置不但能監測光伏發電系統電壓、電流、功率、環境參數等常規數據，還能監測光伏發電系統的發電效率，以及諧波、功率因數、諧波畸變率等電能質量參數，掌握發電系統的當前運行狀況，及時發現異常并采取措施。該裝置不僅能用于光伏發電系統的監測，也可也用于風力發電等其它新能源發電的數據監測。

參考文獻

[1]Evaluating the ADE7880 Energy Metering IC[Z].Analog Devices， Inc.，USA，2012.

[2]Polyphase Multifunction Energy Metering IC with Harmonic Monitoring[Z].Analog Devices，Inc.，USA，2012.

[3]胡志剛，許凱，崔永峰.電能計量芯片ADE7878在智能表中的應用[J].電測與儀表，2010，47（7）：128-131.

[4]胡生清，幸國全.未來的儀器儀表——虛擬儀器[J].自動化與儀表，1999，14：53-55.

[5]黃旭，田立軍，秦英林，等.基于LabVIEW的電能質量綜合監測及故障錄波系統[J].電力自動化設備，2009，29（1）：120-123.

[6]劉沛津.基于虛擬儀器技術的在線諧波測量分析系統[J].繼電器，2004，32（4）：48-52.

[7]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，2006，5（129）：74-76.

[8]劉莉敏.并網光伏發電分布式數據采集監測系統的研究[D].中國科學院電工研究所.

[9]謝標鍇.基于LabVIEW的光伏運行數據采集分析系統[D].中山大學.

作者簡介：李媛（1982-），女，講師，主要研究方向：電力系統運行管理。

袁輝建（1977-），男，碩士研究生，講師，主要研究方向：基于嵌入式系統的電力系統數據采集實時研究。