基于無線傳感網絡的微逆變器監控系統

薛家祥，陳振升，沈 棟，肖 健，廖天發

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

近年來，經濟的發展促使社會對能源利用的效率性和安全性越來越重視，可再生能源的光伏并網逆變技術也逐漸成為研究的熱點。在電力電子技術領域上，傳統的供電系統是一種基于大機組、大電網、高電壓進行集中式單一供電，然而單一的大電網供電存在電力質量問題和安全隱患問題，已逐漸不滿足社會發展的要求。基于光伏并網逆變技術的分布式發電系統正好解決了單一的大電網供電所帶來的缺陷，光伏并網逆變技術的不斷發展，使得分布式發電成為新能源系統中具有廣闊的發展前景[1]。

光伏并網逆變技術的分布式發電系統的發展中，微逆變器數量龐大而且每個微逆變器都配置一個獨立的顯示模塊，不僅會加大發電系統的設計成本，同時使用戶不能及時掌握微逆變器的工作情況和發電系統的運行狀態。光伏并網逆變技術的分布式發電系統相對于傳統的單一大電網供電系統，優勢在于能夠快速定位發電故障位置，因此建立一套安全的、智能的、實時的綜合監控系統是十分必要的[2-3]。

本文提出了一種基于ZigBee無線網絡技術的智能光伏微逆變器分布式發電監控系統設計方案，對光伏微逆變器分布式發電系統的運行參數和各微逆變器的運行參數進行監控，同時通過手持移動顯示終端實時顯示監控參數，實現智能化監測和控制。

1 系統總體方案的設計

1.1 系統結構

光伏微逆變器分布式發電監控系統如圖1所示，包括移動監控終端和上位機監控中心兩組人機交互監控系統。移動終端是使用8寸的液晶顯示裝置，裝有自主設計的集成ZigBee通信控制核心模塊，與ZigBee協調器進行實時通信監控。上位機則通過RS232協議與協調器進行數據通信。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure of control system

本系統中能夠同時監控至少50臺以上的微型光伏逆變器，收集分布式發電系統的瞬時發電功率、日發電總量、月發電總量、年發電總量，使用戶能夠實時清晰觀察發電系統的運行狀態，同時方便專業人員進行維護分析[4]。

1.2 網絡通信結構

本系統的網絡通信主要由光伏微逆變器集成的SPI、UART通信接口進行擴展實現。

微逆變器通過傳感器對系統運行期間的太陽能板的電流電壓信號、并網電流等信號進行檢測，并通過運算轉換后儲存起來，然后由SPI通信模塊通過主機從機模式，將參數傳送到ZigBee節點，再由ZigBee節點發送到ZigBee路由器中進行功率放大，將數據傳輸到移動終端的ZigBee通信控制核心模塊，再通過UART通信將數據顯示在液晶顯示裝置上，完成移動監控終端的通信；另一方面，數據轉發傳送至ZigBee協調器節點，再傳給功率接口單元，經RS485通信接口傳送到上位機監控中心。網絡通信流程如圖2所示。

圖2 網絡通信流程圖Fig.2 Network communication flow chart

用戶也可以通過PC上位機或移動終端輸入相應的指令，對發電系統進行參數配置，使微逆變器進入不同的工作狀態。

2 監控系統的硬件設計

2.1 ZigBee節點的硬件設計

2.1.1 ZigBee模塊方案

微逆變器分布式發電監控系統中，逆變器一般裝于戶外，用戶監控中心則存在于屋內，此時信號的收發必然受到一定的障礙，為此本文的ZigBee模塊方案配上RF放大器，提高ZigBee芯片的發射功率[5]。

2.1.2 ZigBee通信硬件電路設計

ZigBee通信硬件框圖如圖3所示。該ZigBee節點硬件為一集成模塊，配合定義好的相關通信命令協議，便能接收命令和數據。

該ZigBee通信模塊的功能有：（1）進行命令和數據的下傳和上傳，對外置模塊傳輸的命令和數據進行解釋。（2）命令和數據接受并解釋完成后，采集板將數據按自行定義的通信協議打包成數據幀。（3）數據幀上傳至ZigBee無線模塊，完成數據的無線接收和發送。

采集板與ZigBee模塊采用SPI通信方式。SPI通信接口采用四線制，具有獨立的同步時鐘，故隨著通信速率增加，數據亂碼率比異步通信UART低，而且傳送數據的速度相對較快，一般可達Mbps級別。更重要的是ZigBee模塊與采集板的控制核心LM3S8962均支持該種通信方式，并支持SPI通信的DMA操作和中斷響應。

圖3 ZigBee通信硬件框圖Fig.3 ZigBee communication diagram

2.2 移動顯示終端的設計

移動顯示終端由8寸液晶觸摸顯示屏、ZigBee通信模塊、LM3S8962采集板、電源模塊和外部數據儲存等功能模塊組成。8寸液晶觸摸顯示屏具有異步串行通信功能，內部集成數據指令集，方便用戶調用。外部數據儲存模塊用來保存采集板收集回來的數據，儲存發電系統的歷史數據，以便進行數據查詢和對比。電源模塊為5 V的聚合物鋰電池帶有充放電管理電路，具有充放電過流保護功能。

移動顯示終端通過與采集板數據交換，收集分布式發電系統的瞬時發電功率、日發電總量、月發電總量、年發電總量，顯示數據每秒刷新一次。

3 監控系統的軟件開發

光伏微逆變器分布式發電監控系統的軟件開發主要包括ZigBee網絡通信與組網軟件開發、移動顯示終端軟件開發和上位機軟件開發。

3.1 ZigBee網絡通信與組網

本系統的ZigBee無線通信軟件采用TI公司的ZigBee2007/PRO協議棧，進行配置ZigBee無線通信模塊的協調器，建立網絡，允許設備加入網絡中，分配相關邏輯地址[6-7]。ZDO_COORDINATOR是Zig-Bee協調器條件編譯選項，進行軟件設計時，在相應配置文件中選用#defined ZDO_COORDINATOR，則將在ZigBee2007/PRO協議棧中，選取該設備為協調器。

當協調器初始化完成后，PAN網絡開始自行組建，然后其他相關設備允許進入網絡，當其他設備申請入網時，會觸發入網事件，待設備申請入網事件完成后，此時協調器便能進入ZigBee無線網絡通信的數據接收狀態和發送狀態。ZigBee無線網絡通信模式設置完成后，ZigBee無線模塊便可通過SPI接口與LM3S8962采集板進行數據通信，根據雙方定義的數據格式進行命令和數據的轉換。同時，在ZigBee2007/PRO協議棧中，只需調用void SampleApp_MessageMSGCB（afIncomingMSGPacket_t*pkt）函數進行數據提取，再由SPI發送回采集板，此時外置裝置便能從采集板中讀回數據。ZigBee協調器與采集板的數據格式如表1所示。

表1 SPI接口數據格式Tab.1 SPI interface data format

3.2 移動顯示終端的軟件設計

移動終端的控制核心主要通過采集板的處理器LM3S8962實現，顯示終端采集板的主程序流程如圖4所示。在主程序中，主要完成兩大主要通信接口UART和SPI的通信狀態處理，判斷任務是液晶觸摸信號，還是無線接收發送數據信號，再進行任務處理。關鍵的核心程序均集合在無線指令集和觸摸指令集中，兩個指令集分別是進行無線任務處理，以及觸摸屏執行人機交互任務的核心。

圖4 終端采集板的主程序流程圖Fig.4 Main terminal acquisition board flow chart

在程序中定義unsigned char cmdbuf[256]；其中cmdbuf為指令存儲空間。數據均以自定義協議規定的形式組成，如表2所示。開頭幀用以區別觸摸指令（0XAA）的無線指令（0XBB），指令存儲空間的第二位為任務類別共有255種，第二位則為所要處理的數據信號，指令存儲空間最后三位則為結束符0xCC、0X32、0X23，代替該指令的結束信號。

表2 指令集數據幀格式Tab.2 Instruction set data format

對于液晶屏人機交互的實現主要通過相關的圖形處理子程序實現，如切屏任務函數如下：

void CMD_Picture（unsigned char num）

{

Picture_CMD[2]=num；

UARTSend（Picture_CMD，sizeof（Picture_CMD））；

}

其中unsigned char num為切屏事件中圖片編號，Picture_CMD[2]為切屏任務的切屏指令，即圖片編號。

移動顯示終端的人機交互界面如圖5所示。該人機界面，包括登陸界面，分布式發電監控界面，微逆變器狀態監控界面，以及發電系統發電統計界面。界面設計了四個子菜單實時監控、模塊配置、功率曲線、電量曲線，點擊時調用切屏函數CMD_Picture（）切換界面。移動顯示終端的顯示分兩個層，整套圖形界面均以圖片BMP格式儲存于圖形層中，數據層在圖形層的基礎上顯示，該模式用于區分任務，提高采集板的任務處理能力。

圖5 移動終端顯示界面設計Fig.5 Mobile terminal display interface design

3.3 上位機系統總體框架設計

本監控系統中的上位機通信采用RS485通信方式。電腦PC端的上位機監控軟件，為本系統最高級的監控平臺，其通信數據協議采用Modbus協議，進行RS485通訊，再采用RS485轉USB接口模塊與PC端上位機建立通信。上位機采集板為監控系統的數據采集中心，負責收接傳送微逆變器的數據信號，實現上位機與微逆變器之間的遠程監控。上位機服務流程如圖6所示。

圖6 上位機服務流程圖Fig.6 PC service flow chart

4 系統測試

搭建光伏微逆變器分布式發電監控系統，并分別對上位機和移動終端進行性能測試。

4.1 上位機功能測試

上位機第一次運行時，需要設置COM口和波特率才能建立數據通信，設置完成等待3 s后，Zig-Bee通信模塊初始化并自動組網，組網完成提示登陸，進入微逆變器監控界面，如圖7所示。

圖7 微逆變器監控界面Fig.7 Micro-inverter control interface

通過選擇菜單選項，可以查看系統的發電情況和歷史日志。用示波器測試RS485通信接口的電平變化，從上位機發送數據完畢，到采集板開始回送數據，只間隔了8.56 ms，整個通訊僅僅用了25 ms左右。

4.2 移動終端性能測試

對移動終端性能測試主要包括人機界面及其切換的流暢性，功能性測試，數據刷新頻率，控制響應時間。實際運行時效果如圖8所示。

圖8 電量統計圖Fig.8 Consumption statistics chart

在不同距離對移動終端進行數據刷新，其界面切換流暢，數據更新頻率約為1次/s，符合人機互動顯示的要求。

5 結語

本文提出一種利用ZigBee無線通信技術，采用8寸串口通信液晶屏作為移動手持終端，研制出一套基于LM3S8962的采集板，開發了一套基于Zig-Bee無線網絡通信的光伏微逆變器分布式發電監控系統。通過對監控系統的上位機通信功能和移動終端進行測試，上位機通信效率高，數據傳輸穩定性好，移動終端數據刷新時界面切換流暢，滿足實時監控顯示的要求。

[1] 梁振鋒，楊曉萍，張娉.分布式發電技術及其在中國的發展[J].西北水電，2006（1）：51-53.

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[7] 田亞.基于ZigBee無線傳感器網絡系統設計與實現[D].上海：同濟大學碩士學位論文，2007. ■