基于DSP光伏發電監控系統設計與實現

程若發，董華

CHENG Ruo-fa1,2, DONG Hua1

（1.南昌航空大學 信息工程學院，南昌 330063；2.江西先鋒軟件職業技術學院，南昌 330041）

0 引言

光伏發電監控系統的優劣在一定意義上代表著現代發電站的自動化水平，它直接影響系統的運行安全、電能質量以及生產效益等。本文設計的光伏發電在線監控系統是光伏電站自動控制系統的重要組成部分，該裝置所記錄的實時數據為工作人員了解光伏發電系統運行狀態和分析光伏發電系統故障原因，及時處理事故提供可靠的依據，同時，根據故障記錄數據還可以分析故障時的系統運行參數、各電氣量及開關量的變化規律，便于進行故障定位和處理。

1 系統的工作原理

在自動化測控的系統中，最重要的環節是數據采集。數據采集信可分為直流采樣和交流采樣兩種。本裝置由ADE7758芯片完成光伏發電系統的交流采樣，DSP內部的AD完成對光伏陣列電壓和電流的直流采樣。系統框圖如圖1所示。ADE7758通過互感器與逆變器交流輸出端相連，網側電壓U、逆變器輸出電流I分別經電壓傳感器和電流傳感器轉換成三相二次弱電信號，經過信號處理后送入ADE7758轉換。光伏陣列電流由電流傳感器CSNE151-204檢測并將其轉換毫安信號，再由信號調理電路轉換為0-3V電壓信號輸入到DSP進行AD轉換。DSP計算出機端電壓U、逆變器輸出電流I、有功功率P、無功功率Q、光伏陣列電流Id和交流電壓頻率F等運行參量，同時判斷系統交直流過流/過壓、逆變器異常、頻率故障、孤島效應、PDP故障等故障狀態。現場開關量，如并網開關、功率柜故障、風機啟停等IO信號經過光電隔離后進入DSP進行處理。DSP每隔20毫秒采樣一次，并將采樣的數據保存到相應的故障數據區和顯示數據緩沖區中進行監控顯示。當發生故障時，DSP記錄下光伏發電系統故障時間、故障類型、故障數據等并將記錄的數

圖1 監控與故障記錄系統框圖

據信息存入FM24C256L中。當接收到上位機的上傳故障記錄命令時，DSP將存儲在FM24C256L中的數據通過RS485傳送給上位機。上位機接收到數據后顯示系統運行參量和運行狀態，其中故障數據以曲線形式顯示。上位機故障診斷專家系統或值班工程師就能利用這些數據記錄和波形對發電系統進行故障定位、分析和處理。

本系統中，主控DSP與FM24C256L之間通過I2C總線通訊；DSP芯片與ADE7758之間采用高速SPI總線交換數據；DSP與上位機之間通過RS485方式進行通訊。

2 系統的硬件設計

本系統選擇高速DSP芯片TMS320LF2407作為主控制器，電能計量專用芯片ADE7758作為AD轉換器，鐵電FM24C256L作為數據存儲設備，同時配置USB接口可接入大容量存儲設備存儲系統運行數據。

2.1 關鍵芯片簡介

TMS320LF2407是TI公司推出的16位定點DSP。它具有TMS320系列DSP的基本功能，靜態CMOS技術，供電電壓降為3.3V，減少控制器的功耗；片內有32K×16位的Flash程序存儲器，2.5K×16位的數據RAM，544×16位雙端口DRAM，2K×16位的單口SRAM；2個事件管理模塊，事件管理模塊適用于控制各種電機和逆變器；可擴展的外部存儲器達192K×16位，其中程序存儲器空間、數據存儲器空間、IO尋址空間各為64K×16位；片內看門狗定時器、10位ADC轉換器、CAN2.0B控制器模塊、串行SCI通信模塊、16位串行SPI模塊、基于鎖相環的時鐘發生器；5個外部中斷，3種低功耗電源管理模式，能獨立地將外設器件轉入低功耗工作模式。此外，該芯片有多達41個可單獨編程或復用的通用IO腳，用戶可根據需求進行軟件設置。由于TMS320LF2407片內外設豐富，片內存儲容量大，不用再外擴存儲器，大大提高了系統的集成度，為許多需要加強運算的嵌入式應用提供了高度的靈活性和高性價比解決方案[7]。

ADE7758是一款高集成度的三相電能專用計量芯片，集成了6路2階Sigma-Delta ADC采樣通道，帶有一個SPI兼容的串行通訊接口，兩路脈沖輸出。采用數字校準技術，可通過標準的SPI三線串行接口完成對芯片的設置、電量數據的傳輸和校準。ADE7758內部集成有溫度傳感器，單5V供電，低功耗,適用于三相三線和三相四線電力系統中，測量精度小于0.1%。

2.2 系統的硬件連接

基于DSP、ADE7758組成的光伏發電系統在線監控和故障記錄系統的硬件連接如圖2所示。該系統硬件設計包括： 交流量采集和信號調理模塊、交流電量計量與轉換模塊、直流量采集和轉換模塊、開關量采集模塊、實時數據的處理與控制模塊、人機交互和報警等幾個部分。

圖2 以TMS320LF2407為核心系統的硬件設計圖

系統交流量的采集由PT, CT完成，即將逆變器輸出并網電壓、輸出電流分別轉換成二次弱電信號；信號調理電路完成信號進入ADE7758前的調整和濾波，該電路模塊主要目的是將信號處理成ADE7758可以直接接收的小于等于500mV的電壓信號；ADE7758有電壓和電流采集通道，它們能接收的交流信號幅值最大為500mV，通過6路A/D采樣通道完成數字化。ADE7758內的微處理器對數字化的被測信號進行各種判斷、處理和運算，并將結果儲存在18個只讀寄存器中。ADE7758轉換結束后向DSP提出中斷申請；光伏陣列電流由霍爾傳感器CSNE151-204完成測量，光伏陣列的電壓由分壓電路完成測量，這兩路直流量經過放大器處理成0-3V信號直接由DSP內部AD轉換；實時數據的處理與控制模塊由DSP芯片來完成，DSP接收到中斷后使相應片選有效，在通過3線的SPI接口讀取ADE7758相應電參量并存入RAM中，然后DSP對這些數據進行處理，處理完畢的數據可以在LCD上實時顯示出來。當狀態參量超過報警閾值時，監控系統能實時顯示報警信息并能完成故障數據的記錄和存儲；本系統分別采用MAX232、75LBC184芯片完成電平的轉換，方便通過串口與計算機進行通信，其中DSP和75LBC184之間通過ADUM1201進行雙通道數據隔離。

為了保證系統的安全性和可靠性，本系統沒有用DSP芯片內的看門狗，而專門設計了外部看門狗電路。采用AD公司生產的ADM691芯片，利用DSP的PWM口產生的占空比可調的脈沖信號作為喂狗信號，監視電源電壓和微處理器的工作狀態，大大提高系統的安全性和可靠性。另外，為了使系統具有一定的廣泛使用性，配置了支持USB2.0B的接口，目的是方便在沒有計算機的情況下進行大量的數據采集和存儲。

3 系統的軟件設計

以DSP為核心的系統程序設計框圖如圖3所示。主程序只進行鍵盤掃描，顯示刷新，命令處理等。對于中斷的判斷和處理以及故障數據的記錄是該程序的核心部分。根據具體的功能需要，中斷包括外部中斷、定時中斷和串行中斷3種。

圖3 系統主程序和故障錄波程序流程圖

3.1 外部中斷IRQ0

ADE7758的IRQ腳連接DSP的IRQ0腳，當IRQ0腳被置低時，表示ADE7758產生中斷，則DSP調用相應中斷服務子程序通過SPI總線讀出ADE7758中的電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率和頻率等數值；

3.2 定時中斷

DSP內部有4個16位定時器/計數器，此處采用定時器T1做為1ms定時器，該定時器可作為系統基本時基。定時器3做一個20ms定時中斷，該中斷刷新開關量、記錄光伏發電系統運行參量、刷新顯示數據等。

3.3 事件記錄和故障錄波子程序

事件記錄子程序在20定時中斷中調用，主要負責記錄逆變器各運行量Ua、Ia、Ud、Id、P、Q、Po、F在故障前8秒、后12秒的數據。

為了保證失電時故障數據不會丟失，在FM24C256L中定義一個連續的數據區100H-3F7FH，用來保存DSP送過來的故障數據。每組數據即一個結構體占用16字節，則1000組共占用內存16000字節。

事件記錄子程序每20ms將采樣的數據送到結構體數組中。為數據緩沖區定義兩個結構體數組指針Data_P和Start_P，其初始值指向結構體數組的第一個元素即Rcd_data[0]。每記錄一組數據，數組指針Data_P=Data_P+1，Start_P = Data_P。在沒有故障時，數據是循環記錄的。當故障到來時開始啟動軟件計數器Rcd_numb,即每記錄一個故障數據Rcd_numb=Rcd_numb+1當記錄完故障后12秒數據即Rcd_numb=700時，則停止記錄。這樣數組指針Index=Start_P正好指向故障前8秒記錄數據的第一個數據起始地址。DSP將臨時緩沖區Rcd_data中的記錄數據通過I2C總線存儲到FM24C256L中，具體傳送過程是從Rcd_data[Index]處開始順序將環型緩沖區中故障數據存儲到FM24C256L的100H-3F7FH中，存儲完畢設置記錄結束標志并等待命令將記錄數據上送。具體程序流程圖如圖3所示。事件記錄子程序主要記錄機組運行狀態改變時的時間、類型、各電氣量的大小等。系統采用循環記錄方式，能保存100組這樣的事件記錄。

4 系統監控軟件設計

上位機監控軟件是以VB6.0為平臺，利用MSComm控件，以事件驅動方式實現計算機與DSP之間串行通訊，完成數據的交換。上位機程序包括用戶界面設計、通訊和數據處理程序、顯示程序等。

上下位機之間的通訊通過485串行總線來實現的，采用上位機召喚和下位機定時上傳相結合通訊方式。其中光伏發電系統逆變器并網電壓、輸出電流，光伏陣列電壓、電流和開入開出量等監控數據每隔1s定時上傳一次，而故障記錄數據則采取上位機召喚上傳的方式。

5 系統運行驗證結果

本文在5kW太陽能電池陣列的平臺上，用1臺單相額定功率為4.5kW光伏并網逆變器組建了一個光伏并網發電系統。在系統運行前，需要對上位機和下位機的通訊參數進行設置，包括波特率、校驗方式、數據位位數和停止位位數等。在DSP使用RS485總線和上位機進行串口通信時，下位機的通訊參數也可以通過上位機設置界面進行設定，同時設定監控裝置的各級報警閾值。

表1 事件記錄

本試驗直流電壓由實驗室可調直流電源代替光伏陣列，在光伏發電系統正常運行時，調節直流電壓從正常的384V的工作電壓下調10%，以此來驗證監控裝置工作情況，圖4是該裝置監控到的系統光伏電壓發生異常時記錄的波形和事件記錄，為了節約文章的篇幅，僅選擇本次故障中一個事件記錄如表1。從圖4可以看出，系統電壓在當時發生跌落時本監控裝置已經進入異常報警保護狀態，記錄異常數據和相關事件的并發出報警。當直流電壓從384V降到346V時，并網電壓略有下降，此時為220.39V；輸出功率從4.14Kw下降到3.24Kw；電網頻率基本還是50HZ，同時事件記錄也詳細的記錄了異常數據并發出直流欠壓告警。該裝置完整的記錄了本次系統異常過程數據。

圖4 波形顯示窗口

6 結束語

本裝置采用具有DSP內核的三相電能專用計量芯片ADE7758代替通用AD芯片，以TMS320LF2407作為主CPU，實現了對光伏發電系統電參數的快速測量和控制，滿足光伏發電監控系統的實時性和快速性；同時系統配置了大容量存儲設備USB接口，滿足實時數據存儲要求，通常情況下完全可以取代普通監控計算機，降低了成本，提高了產品的可靠性。通過實驗室動態模擬實驗，本裝置性能可靠、操作方便、界面友好，能夠很好地滿足光伏發電系統在實時線監控顯示、故障記錄、故障分析的需要，對于保證光伏發電系統的安全、穩定、可靠運行具有重要的意義。

[1] Hwang I H,Ahn K S,Lim H C,etal.Design,development and performance of a 50 kW grid connected PV system with three phase current-control inverter[EB/OL].2000-05-11.http：//iee-explore.ieee.org/iel5/7320/19792/00916221.pdf?arnum-ber=916221.

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