基于電力線載波通信的光伏匯流箱監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)

摘要：該文介紹了一種光伏匯流箱智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，其采用模塊化設(shè)計(jì)，支持多種通信方式；可將通信數(shù)據(jù)通過(guò)已有光伏電纜傳輸，不需要額外布通信線；支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議，可在線進(jìn)行程序升級(jí)，方便配合各類監(jiān)控后臺(tái)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；測(cè)試數(shù)據(jù)精度滿足測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電流測(cè)量、模擬量測(cè)量及報(bào)警功能。

關(guān)鍵詞：電力線載波；光伏監(jiān)控；MODBUS-RTU協(xié)議；太陽(yáng)能光伏

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.030

中圖分類號(hào)：TD 65+5.2；TN 915.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編碼：1672-7274（2024）09-00-03

Design of Photovoltaic Combiner Box Monitoring unit Based on Power Line Carrier Communication

LIU Huichao1， MA Xueliang1， YANG Huijun1， CAO Jun2

（1. School of Information Engineering， Anhui International Business Vocational College， Hefei 230011， China;

2. Anhui Jingchen Future Technology Co.， Ltd.， Hefei 230011， China）

Abstract： This article designs an intelligent monitoring device for photovoltaic combiner boxes， which adopts modular design and supports multiple communication methods; Communication data can be transmitted through existing photovoltaic cables without the need for additional communication lines; Supports standard MODBUS-RTU protocol， allows for online program upgrades， and facilitates data monitoring with various monitoring backend systems; The accuracy of the test data meets the measurement standards and can achieve current measurement， analog measurement， and alarm functions.

Keywords： power line carrier; photovoltaic monitoring; MODBUS-RTU protocol; solar photovoltaic

在光伏電站中，光伏匯流箱分布分散需要鋪設(shè)大量的通信線纜。這就存在布線麻煩、功耗大、成本高等缺點(diǎn)[1-3]。在光伏匯流箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，目前常用的通信方式是RS—485，其在施工、布線、維護(hù)等方面明顯不便。電力線通信利用已鋪設(shè)電力線作為傳輸媒介，通過(guò)研究對(duì)比眾多的無(wú)線通信方式發(fā)現(xiàn)，電力線載波通信具有成本低廉且不需要額外鋪設(shè)線路的優(yōu)點(diǎn)，但目前一般多應(yīng)用于交流通信，對(duì)應(yīng)用于光伏系統(tǒng)通信環(huán)境則需要進(jìn)一步研究[4-5]。

本文設(shè)計(jì)了一種光伏匯流箱監(jiān)測(cè)單元，其具備一般監(jiān)測(cè)單元常用功能，既支持RS—485通信，又支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS—RTU協(xié)議，同時(shí)還支持載波通信方式。本監(jiān)測(cè)單元可將通信數(shù)據(jù)通過(guò)已有光伏電纜傳輸，不需要額外布通信線，可方便配合各類監(jiān)控后臺(tái)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本單元在通過(guò)載波通信方式通信時(shí)，通信穩(wěn)定度可支持程序在線升級(jí)，測(cè)試數(shù)據(jù)的精度滿足測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電流測(cè)量、模擬量測(cè)量及報(bào)警功能。

1 總體設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測(cè)單元采用低功耗模塊化設(shè)計(jì)，霍爾傳感器裸出設(shè)計(jì)，方便接線，多尺寸選擇滿足不同用戶需求。根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景可選擇RS—485通信方式和載波通信方式，從而進(jìn)行不同的方式組網(wǎng)。載波通信采用OFDM高速窄帶電力線載波技術(shù)，載波信號(hào)的處理通過(guò)MAX2991實(shí)現(xiàn)，保障通信穩(wěn)定性。

除實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)匯流箱監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量報(bào)警功能等外，還需實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)傳遞及處理、程序遠(yuǎn)程升級(jí)、通信規(guī)約處理、電力線載波通信自動(dòng)組網(wǎng)功能。監(jiān)測(cè)單元在滿足功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，可與監(jiān)控軟件配合使用，支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議，支持RS—485方式通信。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 電力線載波通信

監(jiān)測(cè)單元利用已有的低壓配電網(wǎng)作為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。在應(yīng)用電力線通信方式發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送器先將數(shù)據(jù)調(diào)制到一個(gè)高頻載波上，再經(jīng)過(guò)功率放大后通過(guò)耦合電路耦合到電力線上。信號(hào)頻帶峰峰值電壓不會(huì)對(duì)電力線路造成不良影響。

為了節(jié)約使用有效頻帶，采用頻分復(fù)用技術(shù)，主要采用了OFDM技術(shù)，將發(fā)送的數(shù)據(jù)流分散到多個(gè)子載波上，使各子載波的信號(hào)速率大大降低，從而提高抗多徑和衰落的能力。

2.2 直流電力線耦合方式設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題為直流電力線耦合方式選擇以及使設(shè)備保持較高的直流電力線通信穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)直流電感耦合、電容耦合等幾種情況進(jìn)行研究與測(cè)試，同時(shí)對(duì)比不同頻段載波通信能力以及對(duì)比其他廠家類似通信產(chǎn)品的通信能力可知，本單元的耦合方式，在傳輸通道連通的前提下可以實(shí)現(xiàn)接近97%的通信成功率，但存在諧波噪音干擾的情況以及經(jīng)過(guò)衰減器后信號(hào)通信變?nèi)醯那闆r。

2.3 參數(shù)配置方法設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)單元可以選擇RS—485通信方式和載波通信方式。通信方式不同，設(shè)備參數(shù)配置方法不同，設(shè)備接線方式也不同。

2.3.1 485通信

當(dāng)使用RS—485通信方式時(shí)串行通信遵循標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議規(guī)約，通過(guò)使用手持機(jī)可進(jìn)行參數(shù)配置，從而進(jìn)行快速無(wú)誤的通信，方便與其他支持MODBUS-RTU協(xié)議的系統(tǒng)融合。

2.3.2 載波通信

當(dāng)使用電力線載波通信方式監(jiān)測(cè)匯流箱數(shù)據(jù)時(shí)，需選配載波耦合裝置及載波主節(jié)點(diǎn)裝置。接線示意圖如圖1所示。圖中紅黑線表示光伏電纜，灰色線表示載波接線，灰色箭頭表示RS—485接線。

首先對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)裝置根據(jù)MODBUS設(shè)備地址需求進(jìn)行設(shè)備地址的配置，監(jiān)測(cè)裝置上線后，可修改設(shè)備地址。然后，把整個(gè)組網(wǎng)中載波短地址和設(shè)備地址映射表下載到載波主節(jié)點(diǎn)中，即完成通信配置。在維護(hù)軟件中單擊搜索設(shè)備，即可從設(shè)備列表中查看數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)控主站按照標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU通信協(xié)議即可獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)裝置與載波主節(jié)點(diǎn)自動(dòng)完成載波報(bào)文的轉(zhuǎn)換，監(jiān)控主站無(wú)須改動(dòng)通信協(xié)議即可實(shí)現(xiàn)原RS—485通信方案到電力線載波通信方案的切換，使用簡(jiǎn)便快捷。

2.4 程序遠(yuǎn)程升級(jí)

2.4.1 選擇文件

點(diǎn)擊選擇文件按鈕，選擇需要升級(jí)的文件。維護(hù)軟件中自動(dòng)顯示出文件的位置、名稱、校驗(yàn)和、下載總段數(shù)等信息。軟件對(duì)升級(jí)文件讀取后進(jìn)行數(shù)據(jù)分段，設(shè)計(jì)升級(jí)相關(guān)報(bào)文頭數(shù)據(jù)，主要包括總段數(shù)、當(dāng)前段等，然后將數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行組包處理，加在載波通信報(bào)文頭后，在報(bào)文結(jié)尾添加當(dāng)前報(bào)文校驗(yàn)及文件校驗(yàn)碼。遠(yuǎn)程升級(jí)流程圖及操作界面如圖2所示。

2.4.2 下載文件

選擇需要升級(jí)的裝置設(shè)備地址后，單擊開(kāi)始下載按鈕，將每段文件依次下載到裝置中，當(dāng)發(fā)生接收異常時(shí)可自動(dòng)重發(fā)當(dāng)前段數(shù)據(jù)。當(dāng)下載完成，彈出提示窗口后，單擊校驗(yàn)按鈕。當(dāng)裝置回復(fù)報(bào)文校驗(yàn)通過(guò)時(shí)，說(shuō)明校驗(yàn)通過(guò)。

根據(jù)用戶選擇設(shè)備地址，在發(fā)送報(bào)文頭中添加相應(yīng)載波節(jié)點(diǎn)地址段數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)單元將接收到的多段報(bào)文進(jìn)行解包，計(jì)算單條數(shù)據(jù)校驗(yàn)是否與報(bào)文中校驗(yàn)碼相符，一致才會(huì)接收下一段報(bào)文。全部升級(jí)文件數(shù)據(jù)接收完畢后，計(jì)算總文件校驗(yàn)和并與報(bào)文中校驗(yàn)碼比對(duì)，一致后才會(huì)發(fā)送校驗(yàn)通過(guò)命令。

程序下載過(guò)程涉及多段報(bào)文的發(fā)送及校驗(yàn)，如果在報(bào)文的載波傳輸過(guò)程中出現(xiàn)部分報(bào)文錯(cuò)誤則不能通過(guò)校驗(yàn)升級(jí)失敗。通過(guò)程序遠(yuǎn)程升級(jí)功能可驗(yàn)證了本監(jiān)測(cè)單元通信的穩(wěn)定性。

2.4.3 程序升級(jí)

校驗(yàn)通過(guò)單擊升級(jí)按鈕，維護(hù)軟件發(fā)送升級(jí)報(bào)文。裝置收到升級(jí)報(bào)文后，自動(dòng)重啟進(jìn)行程序升級(jí)；升級(jí)完畢后，正常運(yùn)行新程序。

通過(guò)此功能的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)單元功能需要升級(jí)時(shí)，可不用到現(xiàn)場(chǎng)完成，極大方便了維護(hù)人員，提升了產(chǎn)品適應(yīng)性。

3 測(cè)試

3.1 直流電流測(cè)量

智能監(jiān)測(cè)單元的測(cè)量、報(bào)警等功能需要對(duì)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)及計(jì)算，因此監(jiān)測(cè)單位對(duì)電流的監(jiān)測(cè)精度高低具有至關(guān)重要的意義。本文基于單位園區(qū)樓頂安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，針對(duì)直流電流測(cè)試線性、精度和外接傳感器模擬量測(cè)量線性、精度進(jìn)行了大量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下。

在監(jiān)測(cè)單元測(cè)量部分程序時(shí)，電流測(cè)量系數(shù)選取不同會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的采樣值不同，則會(huì)進(jìn)一步影響到測(cè)量精度，因此先測(cè)試電流的線性度，確定合理的轉(zhuǎn)換系數(shù)，再對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試。

首先確定采樣公式零點(diǎn)AD采樣值，記錄電流的標(biāo)稱值和單元采集實(shí)際值，計(jì)算出單元的電流測(cè)量線性度。

nBojLC8PgiRbY6QU+k77YxSSGOGLBVwM8NB6S2rMSfg=以線性度平均值進(jìn)行采樣值轉(zhuǎn)換，記錄標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)際測(cè)量值，計(jì)算出單元的電流測(cè)試精度數(shù)據(jù)，電流精度圖見(jiàn)圖3。

3.2 外接模擬量測(cè)量

單元測(cè)量外接模擬量測(cè)量精度的測(cè)試方法同以上電流測(cè)量精度測(cè)試方法。

以系數(shù)平均值進(jìn)行采樣值轉(zhuǎn)換，記錄測(cè)量值，與標(biāo)稱值對(duì)比進(jìn)行計(jì)算，得出測(cè)量精度，見(jiàn)圖4。

通過(guò)以上對(duì)直流電流測(cè)量精度和外接模擬量測(cè)量精度的測(cè)試結(jié)果可以看出，監(jiān)測(cè)單元的電流測(cè)試精度在0.5%以內(nèi)，模擬量精度在0.3%以內(nèi)，滿足測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電流測(cè)量各項(xiàng)值計(jì)算及報(bào)警功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的匯流箱智能監(jiān)測(cè)單元支持多種通信方式，能夠?qū)⑼ㄐ艛?shù)據(jù)通過(guò)已有光伏電纜傳輸，不需要額外布通信線，同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議，方便配合各類監(jiān)控后臺(tái)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，支持在線進(jìn)行程序升級(jí)。對(duì)本單元電流測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，本單元的電流測(cè)試精度滿足電流測(cè)量及報(bào)警功能。

本文對(duì)直流電力線耦合方式進(jìn)行了研究，選擇了電感式耦合方式，實(shí)現(xiàn)了載波通信在直流段的通信。載波通信傳輸支持監(jiān)控單元遠(yuǎn)程升級(jí)。未來(lái)將研究增加電容耦合方案以在特殊點(diǎn)處使用，使通信可靠度進(jìn)一步增強(qiáng)。

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