光伏并網(wǎng)電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

葉琴瑜 胡天友 秦 文

(電子技術(shù)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

0 引言

隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的不斷成熟與普及，太陽能光伏發(fā)電正逐步由特殊應(yīng)用轉(zhuǎn)向民用、由輔助能源向基礎(chǔ)能源過渡，而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢［1］。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽能光伏電池板、逆變器以及控制器這幾部分組成。為了實時監(jiān)測光伏并網(wǎng)電站設(shè)備的運行狀態(tài)，并保證每部分器件均能正常運行，就需要對相應(yīng)參數(shù)進行測量、保存和分析。

目前，光伏并網(wǎng)電站采用的監(jiān)控技術(shù)比較落后。光伏并網(wǎng)電站普遍采用以單片機為主的控制單元、以RS-485總線為主的通信網(wǎng)絡(luò)以及采用價格高且通用性較差的組態(tài)軟件為上位機監(jiān)測系統(tǒng)。因此，在完成光伏并網(wǎng)電站建設(shè)的同時，如何提高電站監(jiān)控系統(tǒng)的性能及智能化水平，具有非常重要的研究價值。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與功能

光伏并網(wǎng)電站監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機、下位機DSP、前端傳感器采集模塊及CAN總線等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

系統(tǒng)各模塊具體功能如下。

①上位機主要由計算機、CAN接口卡和監(jiān)控軟件組成。CAN接口卡插在上位機的擴展槽上，實現(xiàn)下位機與上位機之間的高速數(shù)據(jù)交換;監(jiān)控軟件通過CAN接口卡接收下位機控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)，對其進行分析、存儲和顯示，并根據(jù)需要向下位機發(fā)送控制命令［2］，達到實時監(jiān)測、控制的目的。

②下位機DSP主要負責(zé)A/D采樣，并以CAN協(xié)議與上位機進行通信，保證系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行。

③前端采集模塊主要由各種傳感器組成，負責(zé)采集每臺逆變器的直流電壓、直流電流，交流側(cè)三相并網(wǎng)電壓、電流，逆變器溫度等運行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)(溫度、風(fēng)速、日照強度等)。

2 硬件設(shè)計

光伏并網(wǎng)電站監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的精度、數(shù)據(jù)采樣率都有一定要求，需要能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，以達到遙控、遙測的目的。更最重要的是，該系統(tǒng)需具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

目前，在光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)中，廣泛使用的控制單元主要以單片機為主。與新型的數(shù)字化處理器相比，該類控制器性能、擴展性和實時性都較差，對智能控制也有一定的局限性。因此，本監(jiān)控系統(tǒng)采用TI公司的DSP芯片TMS320F2407作為系統(tǒng)核心控制器，充分利用了DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力和強大的輸入輸出、采樣、通信等外圍接口功能［3］。該控制芯片主要負責(zé)現(xiàn)場運行參數(shù)的檢測和數(shù)據(jù)采集，并對采集的數(shù)據(jù)進行處理和通信。系統(tǒng)硬件電路主要由CAN總線接口電路和采樣電路組成。

2.1 CAN總線接口電路設(shè)計

與目前在光伏監(jiān)控系統(tǒng)中使用最多的RS-485相比，CAN總線具有極高的可靠性、實時性和抗干擾性。該總線為工業(yè)控制系統(tǒng)中高可靠的數(shù)據(jù)傳送提供了一種全新的解決方案。

本控制芯片TMS320F2407內(nèi)嵌的CAN模塊集成了CAN控制器，提供了完整的CAN2.0B協(xié)議，減少了微處理器的開銷，僅需要外置收發(fā)裝置即可實現(xiàn)通信［4］。在此采用德州儀器公司生產(chǎn)的 SN65HVD230作為CAN收發(fā)器。該收發(fā)器具有差分收發(fā)的能力，最高速率可達1 Mbit/s。選用SN65HVD230收發(fā)器可以實現(xiàn)增大通信距離、提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力、保護總線、降低射頻干擾(RFI)、允許掛接120個節(jié)點以及熱防護等［5］功能。CAN總線接口電路如圖2所示。

圖2 CAN總線接口電路Fig.2 Interface circuit of CAN bus

圖2中，電阻R1作為CAN終端的匹配電阻;SN65HVD230的方式選擇端口RS與一端接地的斜率電阻器R2連接，可實現(xiàn)高速、斜率控制和低功耗3種工作模式的選擇。考慮到系統(tǒng)成本，同時，為了減少因電平快速上升而引起的電磁干擾等問題，本接口電路選擇斜率控制方式。

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用通信速度快、抗電磁干擾能力強的CAN總線技術(shù)，提高了系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性、實時性和工作效率，并且減少了系統(tǒng)的布線和負載。同時，將TI公司生產(chǎn)的3.3 V CAN總線收發(fā)器SN65HVD230與帶有CAN控制器的TMS320LF2407配套使用，實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部各單元之間的信號傳送。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

由于本系統(tǒng)需要測量的參數(shù)種類繁多，因此，首先根據(jù)需要選擇不同的傳感器，通過調(diào)理電路進行濾波和限幅;然后將數(shù)據(jù)送到DSP進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量;最后再將這些處理過的參數(shù)送入計算機。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.3 The block diagram of data acquisition system

系統(tǒng)DSP選擇德州儀器公司(TI)推出的TMS320LF2407，其不但具有TMS320系列DSP的基本功能，還具有以下一些特點［6］:①采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3 V，減少了控制器的功耗;②片內(nèi)有高達32 kB×16位的Flash程序存儲器、高達1.5 kB的數(shù)據(jù)/程序 RAM、544 B雙口 RAM(DARAM)和2 kB的單口RAM(SARAM);③2個事件管理模塊EVA和EAB，每個模塊均包括2個16位通用定時器和8個16位PWM通道;④10位ADC轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為500 ns，多種A/D觸發(fā)方式(軟件啟動、EVA和EVB、外部觸發(fā)ADCSOC);⑤5個外部中斷(2個電機驅(qū)動保護、1個復(fù)位和2個可屏蔽中斷);⑥3種低功耗電源管理模式，能獨立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。

采用高速數(shù)字信號處理器TMS320LF2407進行數(shù)據(jù)采集，使得系統(tǒng)在采集速度、精度和同步采樣等方面都具有良好的性能，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低。

3 軟件設(shè)計

3.1 上位機監(jiān)控軟件

目前，很多工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)都采用組態(tài)軟件，但組態(tài)軟件價格較高，且大都不能脫離其特定的環(huán)境運行，而Visual C++、Dephi等早期軟件在類型安全、簡單、靈活和面向?qū)ο蟮确矫娑即嬖诓蛔恪Ｒ虼耍颈O(jiān)控軟件采用.NET框架的Visual C#.NET為開發(fā)平臺進行界面設(shè)計，可以大幅度縮短軟件開發(fā)周期［7－11］。在運用Visual C#.NET進行上位機軟件開發(fā)的過程中，為實現(xiàn)CAN總線通信功能，利用PCI-9820雙路非智能CAN接口卡廠商提供的工具包。上位機將接收到的數(shù)據(jù)處理后存入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫中。

監(jiān)控軟件的主要目的是對光伏并網(wǎng)發(fā)電站的眾多逆變器、光伏陣列的狀態(tài)進行實時監(jiān)測、控制和管理［8］，其實現(xiàn)的功能主要有以下幾點。

①數(shù)據(jù)采集和顯示功能:實時采集每臺逆變器的直流電壓、直流電流，交流側(cè)三相并網(wǎng)電壓、電流，逆變器溫度等運行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)(溫度、風(fēng)速、日照強度等);并計算出每臺逆變器的當(dāng)前發(fā)電功率，電站的發(fā)電功率、平均功率，日發(fā)電量、累計發(fā)電量以及CO2的減排量，并將它們進行顯示［9］。

②數(shù)據(jù)管理:每隔5 min存儲一次電站所有運行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，故障數(shù)據(jù)實時存儲，數(shù)據(jù)備份、查詢，報表打印等。

③控制功能:控制下位機逆變器的開和關(guān)，可以以電子表格的形式存儲運行數(shù)據(jù)，并可以通過圖表的形式顯示電站的運行情況。

④故障報警功能:當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時立即彈出報警提示信息，同時，以SMS(短信)方式通知電站管理人員。

⑤操作日志:跟蹤用戶對系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)操作和使用情況，主要用來記錄系統(tǒng)中的異常信息以及用戶權(quán)限的更改等，便于用戶或者程序員發(fā)現(xiàn)錯誤信息并及時進行調(diào)整、修改。

3.2 CAN通信協(xié)議設(shè)計

TMS320LF2407內(nèi)置的CAN控制器完全支持CAN2.0B協(xié)議。該協(xié)議規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并沒有規(guī)定應(yīng)用層。所以在設(shè)計通信軟件時，必須首先設(shè)計合適的CAN通信協(xié)議，才能準(zhǔn)確可靠地傳輸數(shù)據(jù)。F2407的CAN控制器支持2種不同的幀格式，即標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式。它們的主要區(qū)別在于標(biāo)志符長度的不同，標(biāo)準(zhǔn)幀具有11位標(biāo)志符，而擴展幀具有29位標(biāo)志符。

考慮到通信的可靠性和效率，本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)幀，通信速率最高可達500 kbit/s［6］。CAN標(biāo)準(zhǔn)信息幀如圖4所示。在實際的編程應(yīng)用中，比較重要的有仲裁域、控制域和數(shù)據(jù)域。本文主要對仲裁域和數(shù)據(jù)域進行了設(shè)計。

圖4 CAN標(biāo)準(zhǔn)信息幀F(xiàn)ig.4 Standard information frame of CAN

本應(yīng)用層協(xié)議對CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)幀的11位標(biāo)志符采用了報文優(yōu)先級分配原則，每一幀報文標(biāo)志符的最高4位表示報文的功能碼，數(shù)據(jù)越小，則優(yōu)先級越高［10］，后面7位表示節(jié)點的地址。例如:上位機對總線具有最高優(yōu)先權(quán)，標(biāo)志符可以是0000 0000000;各下位機控制器優(yōu)先權(quán)低于上位機，標(biāo)志符可以是0001 0000001，0001 0000010，…，依次進行編號，在一個局域網(wǎng)內(nèi)可以容納多達127個控制器節(jié)點。采用該方法，即可實現(xiàn)PC機與多臺并網(wǎng)逆變器之間的通信。最后，明確各節(jié)點需要發(fā)送的報文，對監(jiān)控系統(tǒng)中各種控制信號和數(shù)據(jù)進行分類，填充各報文的數(shù)據(jù)域。

下位機向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)幀的具體定義如表1所示，最后一幀的結(jié)束標(biāo)志格式為:NOD-ID(下位機節(jié)點ID，即標(biāo)志符的0～6位)+FF FF FF。下位機以2 s為一個周期向上位機連續(xù)發(fā)送6組數(shù)據(jù)幀，如果上位機連續(xù)接收到6組數(shù)據(jù)并且最后3字節(jié)包含F(xiàn)F FF FF，則認(rèn)為數(shù)據(jù)接收成功;否則丟棄數(shù)據(jù)。最后，通過讀取最后一組數(shù)據(jù)中的NOD-ID獲取發(fā)送節(jié)點的ID。

表1 運行參數(shù)數(shù)據(jù)幀定義Tab.1 Definition of the data frame of operational parameters

上位機向下位機發(fā)送命令的數(shù)據(jù)格式為11位標(biāo)志符+8 B數(shù)據(jù)，其中，Data0作為控制命令字段，Data7作為數(shù)據(jù)發(fā)送的目標(biāo)節(jié)點ID寫入數(shù)據(jù)，Data1～Data6皆保留使用。當(dāng)上位機向下位機發(fā)送控制命令時，下位機只接收與其ID相符的報文。

4 結(jié)束語

在綜合研究現(xiàn)場總線技術(shù)、DSP技術(shù)以及軟件編程技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了光伏并網(wǎng)電站智能監(jiān)控系統(tǒng);并充分發(fā)揮了DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力，提高了系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集的實時性;同時，將CAN總線引入到數(shù)據(jù)的通信中，提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯能力，并大幅度地縮短了軟件開發(fā)周期。此外，該監(jiān)控系統(tǒng)集多種功能于一體，具有良好的可靠性和可擴展性、人機界面友好等特點，對進一步提高光伏并網(wǎng)電站的效率、自動化水平以及優(yōu)化電站的實時性和穩(wěn)定性都具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

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