光儲聯(lián)合供電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)預(yù)處理

張純杰，趙志剛，高 溥

（蘭州交通大學(xué) 甘肅 蘭州 730070）

光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)作為一種可再生的閉環(huán)能源系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于電力、航空航天、氣象、通信等領(lǐng)域。對于光伏電池，它的工作受到太陽輻射強(qiáng)度和光伏電池極板溫度的制約；就儲能系統(tǒng)而言，精確地建立蓄電池的模型需要綜合考慮蓄電池的化學(xué)特性、物理特性以及外界環(huán)境。所以建立出的光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)模型復(fù)雜，包括多個(gè)未知參數(shù)，這些未知參數(shù)在實(shí)際工況中難以獲得。為了避免傳統(tǒng)建模的缺陷，改用辨識的方法對光伏電池和儲能系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)及重要參數(shù)進(jìn)行辨識。系統(tǒng)辨識要求能夠精確獲得系統(tǒng)實(shí)時(shí)的輸入/輸出數(shù)據(jù)，有必要對光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了基于DSP硬件開發(fā)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；文獻(xiàn)[2-3]設(shè)計(jì)了多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種適用于大型光伏發(fā)電的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5]開發(fā)了一套高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有多種形式，但大多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)針對的只是單個(gè)光伏發(fā)電模塊，不能完全應(yīng)用于光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)中。在此設(shè)計(jì)了一種用于光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)時(shí)采集光伏陣列和儲能系統(tǒng)的輸入/輸出數(shù)據(jù)。

1 總體設(shè)計(jì)

在白天太陽輻射充裕時(shí)，由于光生伏打效應(yīng)在光伏電池（陣列）產(chǎn)生電壓，通過DC/DC降壓轉(zhuǎn)換[6]，一部分電壓加載在一定的負(fù)載上產(chǎn)生輸出電流，另外一部分電能輸入到儲能系統(tǒng)形成充電電壓（電流）；夜晚沒有太陽輻射時(shí)，儲能系統(tǒng)作為主要供電來源，產(chǎn)生放電電壓（電流）。考慮到影響光伏電池輸出特性的參數(shù)——光伏極板表面溫度和太陽輻射強(qiáng)度，將這四類模擬量分時(shí)送入數(shù)據(jù)采集模塊的下位機(jī)。通過RS-484將下位機(jī)采集的原始數(shù)據(jù)通過串口通信方式發(fā)送到上位機(jī)，通過建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，完成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)采集總體示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集的核心是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和傳感器電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADuC812高精度數(shù)據(jù)采集芯片（8通道、12位精度、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器），硬件采集思路為：被測對象轉(zhuǎn)換為傳感器信號，然后進(jìn)行信號調(diào)理，最后將調(diào)理的信號分時(shí)送入下位機(jī)，如圖2所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure for data acquisition

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊下位機(jī)示意圖Fig.2 Overall diagram for data acquisition module in hardware

由于ADuC812芯片具有8路A/D轉(zhuǎn)換通道，故將采集通道做如下安排：采集3路電壓、2路電流、3路溫度，如表1所示。

表1 A/D轉(zhuǎn)換通道分布情況Tab.1 Distribution for A/D conversion channel

各模擬量的采集過程如下：

1)電壓采集：系統(tǒng)輸出電壓經(jīng)過穩(wěn)壓、隔離、放大和緩沖4個(gè)步驟，最后將調(diào)理信號送入A/D轉(zhuǎn)換器；

2)電流采集：基于霍爾效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)回路中檢測電流向霍爾電壓的線性轉(zhuǎn)換。然后進(jìn)行放大和緩沖，將調(diào)理的信號送入A/D轉(zhuǎn)換器；

3)溫度采集：采用溫度傳感器，檢測當(dāng)前空氣的溫度，然后計(jì)算光伏極板表面溫度；

4)太陽輻射采集：采用日射強(qiáng)度計(jì)測量。

由于為多路采集，ADuC812工作在連續(xù)采集模式中采用ADC DMA模式，即采集到的數(shù)據(jù)不通過CPU直接傳輸?shù)絊RAM中 （采用KM62256C做SRAM，SRAM由八位鎖存器74HC573使能，如需擴(kuò)展內(nèi)存，SRAM可以級聯(lián)）。在數(shù)據(jù)采集程序中，首先要進(jìn)行初始化。通過配置三個(gè)特殊功能寄存器 ADCCON1、ADCCON2和 ADCCON3來設(shè)置采集時(shí)間、轉(zhuǎn)換模式、通道選擇、采集模式等。完成上述特殊功能寄存器的設(shè)置，A/D轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換的12位結(jié)果字分別保存在ADCDATAH和ADCDATAL中。在配置好外部數(shù)據(jù)存儲器的情況下，特殊功能寄存器中的DMA地址指針寄存器將被寫入，設(shè)置相應(yīng)的DMA使能位完成DMA初始化。采用中斷方式管理A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)A/D完成一次轉(zhuǎn)換時(shí)，向單片機(jī)發(fā)一次中斷信號，單片機(jī)響應(yīng)中斷并讀出數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲到SRAM中，然后通道號和相應(yīng)的存儲器地址各加一[7]。

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊上位機(jī)是在以Lab VIEW為虛擬儀器的環(huán)境下開發(fā)的。其設(shè)計(jì)包括上位機(jī)G程序的設(shè)計(jì)和界面（前面板）的美化設(shè)計(jì)。上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示（包括串口通信和和數(shù)據(jù)處理）與存儲。

合理編寫基于數(shù)據(jù)處理算法的上位機(jī)程序和數(shù)據(jù)存儲程序，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)以電子表格文件（.xls）方式存儲，可以用Microsoft Excel讀取并編輯。

串口通信采用Lab VIEW VISA模塊。本次上位機(jī)G程序的設(shè)計(jì)采用5個(gè)VISA節(jié)點(diǎn)：VISA配置函數(shù) （串口的初始化）、VISA設(shè)置I/O緩沖區(qū)大小函數(shù)（設(shè)置I/O緩沖區(qū)大小）、VISA讀取函數(shù) （讀取串口接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并存儲到計(jì)算機(jī)內(nèi)）、VISA串口字節(jié)函數(shù) （返回指定串口的輸入緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)）和VISA關(guān)閉函數(shù)（關(guān)閉設(shè)備會(huì)話句柄）。

上位機(jī)界面的美化，應(yīng)做到布局合理、對控件歸類和配色合理。最終設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面如圖3所示。

4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)處理是對串口通信發(fā)送到上位機(jī)的原始模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)還原，即下位機(jī)A/D模擬值的標(biāo)定。

1)電壓采集：A/D 模擬口的電壓（V0）和數(shù)字量（V1）有以下線性轉(zhuǎn)換關(guān)系：

圖3 上位機(jī)界面Fig.3 PC interface

光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)的輸出電壓（V）和送入A/D模擬口電壓之間有如下線性關(guān)系:

2)電流采集:檢測電流和霍爾電壓之間有如下線性轉(zhuǎn)換關(guān)系：

式中Ip表示檢測電流；

根據(jù)霍爾效應(yīng)電流電壓轉(zhuǎn)換公式（3）以及轉(zhuǎn)換后的電壓與送入A/D模擬口電壓之間的線性關(guān)系來標(biāo)定電流值。

3)溫度的采集：合并串口顯示的兩個(gè)分別采集溫度的整數(shù)部分和小數(shù)部分，得出環(huán)境空氣溫度值。根據(jù)桑迪亞光伏極板溫度模型估算光伏極板表面溫度：

式中:EPOA——投射到光伏極板上的太陽輻射強(qiáng)度(W/m2)；

Ta——環(huán)境空氣溫度(℃);

WS——風(fēng)速(m/s)；

a,b——常數(shù)，與光伏陣列的安裝方式（戶外）與光伏電池的材料（多晶硅）有關(guān)，取a=-3.47,b=-0.059 4。

4)太陽輻射強(qiáng)度的采集：考慮到程序的復(fù)雜程度，數(shù)據(jù)處理算法在下位機(jī)實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)僅實(shí)時(shí)顯示采集的太陽輻射強(qiáng)度值。

5)數(shù)據(jù)采集模塊誤差限的估計(jì)：根據(jù)《1048-1995數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》估算數(shù)據(jù)采集模塊的誤差限：首先進(jìn)行信號點(diǎn)的選擇：在測量范圍(EL,EH）內(nèi)選擇11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。

式中：EL——通道的測量范圍下限;

EH——通道的測量范圍上限;

Er——通道的量程;

被測通道在信號E值處的誤差限A按下列公式計(jì)算:

式中:xj——折合到通道輸入端的采集數(shù)據(jù)值(i=1,2,…,n)

n——每個(gè)通道的采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；

E——系統(tǒng)輸入標(biāo)準(zhǔn)信號的幅度；

σ——采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與顯示結(jié)果作比較，計(jì)算出相對誤差，然后根據(jù)國標(biāo)估算本數(shù)據(jù)采集模塊的誤差，將計(jì)算出的相對誤差與估算的數(shù)據(jù)采集模塊的誤差作比較。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在完成數(shù)據(jù)采集模塊下位機(jī)PCB制作的前提下，通過大量實(shí)驗(yàn)，逐步完善和改進(jìn)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：考慮到能源系統(tǒng)和負(fù)載的輸入/輸出量程，光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)的配置及穩(wěn)定工作范圍。試驗(yàn)?zāi)M電壓值定在30 V到60 V之間，取十一組不同值，通過實(shí)驗(yàn)，得出檢測值和計(jì)算值，如表2所示。

表中第一欄（外部輸入）是測量儀器檢測值；中間一欄（計(jì)算結(jié)果）表示了基于數(shù)據(jù)處理算法在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)的計(jì)算結(jié)果；最后一欄（誤差）表示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與顯示結(jié)果的相對誤差。

通過實(shí)驗(yàn),將電流采集電路中采集的電流值和計(jì)算值作對比，如表3所示。

按式(9)分別求出不同的誤差限值，以其中的最大值作為通道誤差限。在本次數(shù)據(jù)處理中，取=100，即每個(gè)通道采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為100。對于表 1，取EL=30,EH=60，在測量范圍（30,60）中取11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)：E1=30.375,E2=33,…,E11=59.625代入公式（9），最后通過（13）式計(jì)算求得誤差限 A=A3=±2.47%。 同理，對于表2，取 EL=-2.584，EH=2.783，代入相應(yīng)公式求解得到誤差限 A=±4.07%。

通過比較表中實(shí)際誤差與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范中所確定的誤差限可知：設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集模塊中電壓值和電流值的誤差較小，并且在估算的誤差限之內(nèi)。

表2 電壓的檢測值與計(jì)算值Tab.2 Measured value and calculated value for voltage

表3 電流的檢測值和計(jì)算值Tab．3 Measured value and calculated value for current

6 結(jié)論

為了獲得辨識建模所需的系統(tǒng)輸入/輸出數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種小體積、輕質(zhì)量光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)此模塊適用于光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)相關(guān)輸入輸出參數(shù)的多通道測量；

2)此模塊數(shù)據(jù)開發(fā)成本低，采集精度較高，上位機(jī)在Lab VIEW環(huán)境下開發(fā)，開發(fā)效率高，監(jiān)控界面友好。

通過光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對其相對誤差的估算和比較分析，為實(shí)現(xiàn)光儲聯(lián)合供電系統(tǒng)的辨識建模打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]梁祥瑩,嚴(yán)輝,程華偉．基于DSP的光伏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[J]．能源技術(shù)．2009,30(5):283－285．LIANG Xiang－ying,YAN Hui,CHEN Hua－wei．Research and design of data acquisition of photovoltaic system based on DSP[J]．Energy Technology,2009,30(5):283－285．

[2]黨世紅．基于W77E58的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電子設(shè)計(jì)工程．2012,20(21):138－140．DANG Shi－Hong．Design and implementation of multi－channel data acquisition system based on W77E58[J]．Electronic Design Engineering,2012,20(21):138－140．

[3]張杰,王曉剛,張軼,等．獨(dú)立光伏電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．儀表技術(shù)與傳感器．2011(6):58－61．ZHANG Jie,WANG Xiao －gang,ZHANG Yi,et al．Design of data acquisition system of photovoltaic system[J]．Instrument Technique and Sensor,2011,6:59－61．

[4]LI Bian,ZOU Xin－jing,ZHAI Yong－h(huán)ui,et al．A multifunctional data acquisition system for photovoltaic plants．Systems and Informatics (ICSAI)[C]//2012 International Conference,2012:598－602．

[5]關(guān)守平,尤富強(qiáng),董國偉．基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．控制工程．2013,20(5):970－975．GUAN Shou－ping,YOU Fu－qiang,DONG Guo－wei．Design of power control unit in aircraft based on MPC566[J]．Control Engineering of China,2013,20(5):970－975．

[6]高志強(qiáng),孟良,梁賓,等．光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)控制策略[J]．儲能科學(xué)與技術(shù)．2013,2(3):103－108．GAO Zhi－qiang,MENG Liang,LIANG Bin,et al．Control strategies for a photovoltaic－Energy storage hybrid system[J]．Energy Storage Science and Technology,2013,2(3):103－108．

[7]孫曉靖．遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) [D]．上海:東華大學(xué);2004．