基于射頻通信的光伏組件監測系統設計

程顯明

(國網信息通信產業集團有限公司 北京智芯微電子科技有限公司，北京 102299)

0 引言

由于分布式光伏發電技術具有因地制宜、清潔高效、分散布局、就近利用等優點，近年來被大面積推廣使用。分布式光伏發電主要是通過光伏組件將太陽能直接轉換為電能的分布式發電系統。如何對光伏組件在使用過程中出現損耗、隱裂、遮擋、損壞等情況進行故障定位，成為分布式光伏電站運營過程中的難點之一。

傳統的采用人工故障定位的方法，具有定位不準確和維護成本高等缺點。而隨著通信技術的高速發展，采用通信方式自動采集數據，通過軟件對數據進行匯總和計算，從而分析故障的方法越來越多地被使用[1]。目前常用的通信方式有GPRS通信[2]、電力線載波通信[3-4]和串口通信[5-9]。GPRS通信方式無需架設線路，但是前期投資和后期維護的成本較高。電力線載波通信使用在光伏供電環境，受電路中負載變化和噪聲影響，通信可靠性和穩定性下降。采用串口通信的方法雖然具有可靠性高的優點，但是由于分布式光伏發電站從太陽能光伏電池陣列到并網逆變器的各個環節中，器件種類多、分布范圍廣，使得各類布線十分繁雜[10]，因而不利于后期現場維護。本文采用射頻通信技術實現分布式光伏發電系統采集數據傳輸，不需要專門架設通信信道，具有投資小、安裝靈活方便等優點。

1 系統設計

光伏組件監測系統由本地監測終端設備(Local Monitoring Terminal Equipment,LMTE)、集中監測終端設備(Centralized Monitoring Terminal Equipment,CMTE)及光伏組件系統監測軟件(Monitoring Software for Photovoltaic Modules System,MSPMS)幾大部分組成，如圖1所示。

LMTE安裝在光伏組件背板處，可以實時采集1號到4號光伏組件發電狀態時的電壓和電流強度，通過射頻通信方式與CMTE進行通信。

圖1 光伏組件監測系統

圖2 LMTE硬件設計

CMTE向下可以與LMTE組建網絡，進行網絡時間同步和數據采集，最多可以支持與1 000個LMTE通信；向上可以通過GPRS和RS-485通信方式與MSPMS通信，實現數據采集。

MSPMS可以與多個CMTE通信，并將已連接CMTE及其覆蓋的所有LMTE通過圖形和文字的方式展現，將所有采集數據存儲在計算機；也可以對每個CMTE下發其需要管理的LMTE地址信息，進行分配式管理。采集數據經過計算可以通過圖形和報表的形式表述當前光伏組件運行狀態，便于統籌管理并及時發現可能出現的問題，便于快速準確鎖定問題目標。

2 硬件設計

2.1 LMTE硬件設計

由于LMTE在整個光伏監測系統中需要被大量使用，其主控芯片的成本和性能對大規模推廣應用產生重要影響。本文采用的IAP15L2K61S2是宏晶公司的一款8051處理器芯片，該芯片采用增強型8051內核，內置高可靠復位電路，支持看門狗功能，內置高精度R/C時鐘，支持8路10位A/D采樣、2路高速串口和1路SPI串行通信接口，芯片本身就可以作為仿真器使用，支持在線調試功能，另外該芯片還可將用戶程序區的程序Flash當EEPROM使用。LMTE硬件設計如圖2所示。

通過DC-DC轉換電路將30～160 V的輸入電壓轉換為4.5～5.5 V主控芯片工作電壓；通過串口可以進行程序升級和在線調試；通過SPI通信接口可以與射頻通信芯片進行數據交互；通過分別設計分壓電路將用于連接光伏組件的4路輸入電壓和采用錳銅絲作為采樣電阻的電流采樣電壓分壓到低于主控芯片工作電壓，可以采用片內A/D采樣；接入帶有溫度補償的3.3 V基準電壓對電壓和電流信號采集做出矯正，解決分壓電路阻值變化、主控芯片工作電壓不穩定、元器件隨溫度變化發生溫漂等影響。

設輸入電壓信號的電壓值為VC，采樣值為NC，分壓電路的分壓系數為α，基準電壓為VS，其采樣值為NS，其中α、NC、VS、NS為已知，則輸入電壓信號為：

(1)

2.2 CMTE硬件設計

由于CMTE需要管理多達1 000個LMTE，同時需要支持射頻通信、GPRS通信、RS-485通信、Flash信息存儲等功能，本文采用意法半導體公司的STM32F101RCT6芯片完成技術實現。CMTE硬件設計如圖3所示。

射頻通信芯片選擇可工作于2.4～2.483 GHz的上海博通集成電路公司的BK2425芯片，該芯片支持250 Kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s空中碼元速率，支持6個目標地址信息分組設置，支持發送功率分級設置，支持多達16個射頻通信信道選擇，支持自動確認重傳機制。

圖3 CMTE硬件設計

圖5 組網流程

3 軟件設計

3.1 系統軟件工作流程

光伏組件監測系統整體軟件工作流程如圖4所示。

圖4 系統軟件工作流程

MSPMS根據CMTE配置的地址管理列表通過GPRS或RS-485將數據下發，CMTE返回確認并將地址信息記錄到Flash中。CMTE通過射頻信道發起組網，過程中允許地址信息表中的LMTE入網。組網流程結束后，CMTE通過時間同步查詢和設置與全網LMTE保持時間同步。MSPMS定時查詢CMTE組網狀態，組網完成狀態時向CMTE發送讀取數據請求，CMTE向全網LMTE廣播發送采樣時間請求，采樣時間是依據已入網LMTE個數和網絡層級計算廣播命令最大超時時間，LMTE到達設定的采樣時間后開始采樣并保存數據，CMTE會在采樣時間結束后單播查詢各LMTE的采樣數據并將結果上報到MSPMS。MSPMS根據采樣數據計算采樣電壓和電流，從而對光伏組件進行故障分析，根據地址信息追溯位置信息，快速進行問題定位。

3.2 組網流程

CMTE和LMTE可以通過出廠設置設置自身地址信息，除此之外根據射頻通信芯片自身特點設置全網廣播分組地址信息、上行分組地址信息和下行分組地址信息，射頻芯片物理層只會識別符合這3類地址信息的數據幀。射頻芯片在通信過程中發送廣播分組地址信息類型幀時設置為多次發送無確認模式，發送上、下行分組地址信息時設置為確認重傳模式。組網流程如圖5所示。

CMTE上電后從Flash中載入地址信息表，廣播發送信標幀，接收到信標的LMTE轉發信標幀，信標幀轉發次數最多為15次；轉發結束后，CMTE只會處理地址信息表中已有的LMTE信息，根據接收到的LMTE信標幀信息逐個查詢相鄰LMTE的周圍節點信息，根據這些信息產生路由表；CMTE向LMTE發送配置請求幀，指引LMTE完成入網，配置上、下行分組信息；CMTE對已入網未查詢周圍節點信息的LMTE重復此過程，網絡拓撲規模最多為15層。

3.3 同步算法

為了比較精準地對采集數據進行分析，就要求全網絡LMTE盡量在同一時間進行數據采集。本文采用的時間同步算法分為時間同步查詢和時間同步設置兩個部分。時間同步查詢請求幀是從CMTE到目標LMTE過程中，包含下行LMTE的發送時間戳和轉發LMTE及目標LMTE的接收時間戳信息，時間同步查詢響應幀則包含上行的收發時間戳，CMTE根據發送請求幀和接收響應幀的時間戳計算沿途各LMTE與CMTE的時間偏差。時間同步設置是CMTE對LMTE設置時間偏差值，使得全網時間實現同步的過程。

如圖6所示，以CMTE到LMTE2為例進行時間同步算法推導。

圖6 時間同步算法示例圖

設CMTE發送時間同步查詢請求幀的時間戳為Tq0，LMTE1發送時間戳為Tq1，LMTE1接收請求幀時間戳為Rq1，LMTE2的接收時間戳為Rq2；LMTE2發送時間同步查詢響應幀的時間戳為Ts2，LMTE1發送時間戳為Ts1，LMTE1接收響應幀時間戳為Rs1，CMTE接收時間戳為Rs0；CMTE與LMTE1之間的傳輸時間為ΔT01，LMTE1與LMTE2之間的傳輸時間為ΔT12；LMTE1與CMTE之間本地時間偏差為ΔT1，LMTE2與LMTE1之間本地時間偏差為ΔT2；LMTE1同步時間修正值為ΔC1，LMTE2同步時間修正值為ΔC2。其中，Tqi、Rqi+1、Tsi+1、Rsi為已知量，ΔTi(i+1)、ΔTi、ΔCi為未知量。

(1)CMTE與LMTE1之間：

Tq0+ΔT01=Rq1+ΔT1

(2)

Ts1+ΔT1+ΔT01=Rs0

(3)

可以計算得到：

ΔT1=(Tq0+Rs0-Ts1-Rq1)/2

(4)

ΔC1=ΔT1

(5)

(2)LMTE1與LMTE2之間：

Tq1+ΔT12=Rq2+ΔT2

(6)

Ts2+ΔT2+ΔT12=Rs1

(7)

可以計算得到：

ΔT2=(Tq1+Rs1-Ts2-Rq2)/2

(8)

ΔC2=ΔT1+ΔT2

(9)

LMTE的同步修正值公式為：

(10)

4 測試驗證

為驗證本文提出系統的有效性，進行系統性測試。測試時間在上午9點到10點之間，測試環境為室外溫度0℃，西北風3～4級。光伏組件豎向放置，每個光伏組件包含3串電池組件，通過MSPMS測試光伏組件的電壓和電流，如圖7所示。

圖7 光伏組件遮擋測試

圖7中，(a)為光伏組件無遮擋情況下測試得到的電壓和電流值；(b)為豎向部分遮擋一串電池組件情況，測得電壓為無遮擋情況下的2/3左右，電流也有適當下降；(c)為橫向部分遮擋兩串電池組件的情況，測得電壓為無遮擋情況下的1/3左右，其電流值介于(a)和(b)之間。

通過測試驗證說明系統可以正常工作，當光伏組件由于被遮擋等原因導致電壓和電流發生變化時，MSPMS還會向光伏電站的維護人員發出告警指示，便于提前發現問題，提高光伏電站的發電量和減少光伏組件損壞。

5 結論

本文介紹了一種可用于分布式光伏電站的基于射頻通信的光伏組件監測系統。由于系統采用無線通信傳輸數據，非常適合分布式電站線路復雜的工作環境。系統采用時間同步技術，全網同步采集數據，既可用于光伏組件故障監控，也可以用作其他類型故障分析和數據統計。隨著清潔能源和物聯網技術的大力推廣，這種基于射頻通信的分布式光伏組件監測系統將會具有更高的應用價值和更加廣闊的市場前景。