小型逆變器監(jiān)測管理系統(tǒng)PC用戶端設計

摘要：本項目的研究目標是設計一個用于監(jiān)測戶用新能源發(fā)電系統(tǒng)電力電子裝置的遠程用戶終端，以實現(xiàn)遠程無線通訊、實時顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)、存儲及查看歷史信息等功能。

關鍵詞：小型逆變器；遠程用戶終端；無線通訊人機交互

引言

系統(tǒng)設計主要包括以下幾方面內(nèi)容：

1.無線通訊設計

本項目所設計的遠程終端的重要功能之一就是能與戶用新能源發(fā)電系統(tǒng)電力電子設備實現(xiàn)無線通訊、傳輸數(shù)據(jù)，因此，恰當?shù)刂贫ㄍㄓ嵎桨敢源_保穩(wěn)定、準確地監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)是非常重要的。

項目中解決的關鍵問題主要包括：

1.1能夠與戶用新能源發(fā)電系統(tǒng)逆變器進行無線通訊；

1.2數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、安全、準確；

1.3傳輸距離足夠遠，滿足用戶需要。

2.人機交互設計

良好的用戶操作體驗是終端設備設計的重要指標之一，采用合適的輸入、輸出設備，設計友好、簡潔的人機交互操作界面，可以讓用戶能夠方便快速的查詢到想知道的信息是本設計的基本目標。

解決的關鍵問題主要包括：

（1）選用合適的輸入輸出設備；

（2）設計友好、簡潔的用戶圖形界面。

2.1無線通訊設計

目前，常用的無線通訊模塊包括藍牙模塊、2.4GHz無線模塊、Wi-Fi等。2.4G無線技術使用的是頻率為2.4-2.485GHz 的ISM無線頻段，這個頻段是國際規(guī)定的免費頻段，是不需要向國際相關組織繳納任何費用的，這就為2.4G無線技術可發(fā)展性提供了必要的有利條件。而藍牙技術是由2.4-2.485GHz ISM頻段增加特定協(xié)議而來，因此它能夠使任何藍牙設備在一定范圍內(nèi)互相配對并連接、傳輸數(shù)據(jù)。該技術不但降低甚至杜絕了無線設備互相干擾的現(xiàn)象，而且使藍牙設備適應性更廣，成本更低廉。

Wi-Fi是近年來興起的無線技術，隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務的井噴，特別是視頻業(yè)務，需要耗費大量帶寬，Wi-Fi技術的商業(yè)化應用發(fā)展迅速。Wi-Fi也在2.4Ghz頻段工作，它相較于藍牙和2.4G無線技術，傳輸速度更快，信號更強，傳輸距離更廣，但通常需要路由器搭建無線網(wǎng)絡，一定要組網(wǎng)工作，且協(xié)議復雜，開發(fā)成本較高。

綜合比較以上方案的優(yōu)缺點，藍牙模塊技術成熟，適用范圍廣，通訊距離與傳輸速率均能滿足系統(tǒng)要求，設備配對工作有利于保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃矫苄裕杀疽蚕鄬侠恚虼耍x擇藍牙模塊用于本項目的無線通訊方案。

2.1.1通訊系統(tǒng)整體方案架構(gòu)

目前市場上部分逆變設備，已經(jīng)開發(fā)相關管理接口，但是其相應的管理體系僅僅是停靠在主系統(tǒng)上運行的，通常由逆變器機身上的點控或觸控設備以及顯示屏等作為人機交互接口。用戶管理這些設備會受限于設備的安裝位置。因此一個全面而便捷的逆變器監(jiān)測管理體系應具有如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以方便用戶多渠道、隨時隨地的掌握逆變器的當前工作狀態(tài)、歷史發(fā)電量信息等數(shù)據(jù)。

本項目為構(gòu)建戶用小型逆變設備實時監(jiān)測管理系統(tǒng)，開發(fā)了STM32F103ZET6為通訊主控、AT45DB161為硬件數(shù)據(jù)存儲芯片的無線藍牙監(jiān)測系統(tǒng)，使Microsoft Visual Studio 中的WPF環(huán)境開發(fā)了用戶端監(jiān)測軟件，構(gòu)建了基于藍牙的戶用小型逆變設備Internet監(jiān)測管理系統(tǒng)。工業(yè)應用表明該系統(tǒng)簡單有效，運行穩(wěn)定，操作設置及界面UI合理。

2.1.2通訊監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)

（1）逆變系統(tǒng)主要監(jiān)測參數(shù)

目前國內(nèi)外大部分的光伏逆變設備系統(tǒng)架構(gòu)一般會采用如圖2所示的拓撲結(jié)構(gòu)，并采集表1中所示的主要電氣參數(shù)（以小功率戶用光伏逆變器為例），其中權(quán)重值用于計算系統(tǒng)運行狀態(tài)及故障診斷。

（2）通訊主控硬件架構(gòu)設計

系統(tǒng)通訊模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中STM32作為通訊主控主要負責處理由逆變主控采集到的逆變系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)由STM32計算編碼后輸出到相應數(shù)據(jù)接口（遠程監(jiān)控端、逆變器狀態(tài)顯示端以及數(shù)據(jù)存儲端）。于此同時，STM32接收用戶反饋數(shù)據(jù)，通過其內(nèi)部設定的中斷優(yōu)先級來處理用戶的數(shù)據(jù)請求操作以及逆變系統(tǒng)的保護操作，具體中斷處理優(yōu)先級見表2。

2.2信息采集處理方案

在數(shù)據(jù)通訊方面，需要保持各個參數(shù)時效的統(tǒng)一性，在數(shù)據(jù)傳送時將各個傳感器參數(shù)按通訊協(xié)議的規(guī)范整合后進行發(fā)送。通訊主控將從系統(tǒng)MCU得到的電壓、電流及溫度等數(shù)據(jù)進行合并。

數(shù)據(jù)合并完成后，將整合后的數(shù)據(jù)存儲至FLASH芯片，并放置到通訊主控預留的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中等待上位機讀取。

2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊接口構(gòu)建

由于用戶可能同時擁有數(shù)臺逆變設備，在上位機系統(tǒng)的配置參數(shù)設置中加入了逆變箱地址設置選項，以方便用戶使用上位機監(jiān)測不同的逆變器，該操作將會直接影響訪問應答動作，即發(fā)送的查詢指令隨地址的不同而不同。

本系統(tǒng)的逆變設備數(shù)據(jù)庫建立在逆變器端，方便構(gòu)建全方位的監(jiān)測體系，使得多種外設直接和逆變設備進行數(shù)據(jù)交互成為可能。系統(tǒng)以AT45DB161FLASH芯片為數(shù)據(jù)存儲單元，使用日期作為數(shù)據(jù)庫標簽， FLASH數(shù)據(jù)存儲的偏移地址作為時間數(shù)據(jù)的索引項。在上位機軟件中，該芯片端口與主頁面Calendar模塊進行銜接，使用Calendar的點擊動作觸發(fā)歷史數(shù)據(jù)查詢操作，Calendar的日期值作為數(shù)據(jù)庫的標簽值進行索引操作，將獲得的數(shù)據(jù)顯示于歷史數(shù)據(jù)圖表中，圖表繪制依舊調(diào)用DynamicDataDisplay動態(tài)庫的繪圖模塊。

3.人機交互設計

3.1監(jiān)測系統(tǒng)UI及相關功能設計

本系統(tǒng)監(jiān)測軟件在界面設計上以技術指標監(jiān)控為核心UI內(nèi)容，配合XAML語言平臺做到可擴展性及可移植性的最大化，后臺.NET開發(fā)做到代碼邏輯的最優(yōu)化。

系統(tǒng)監(jiān)測軟件UI界面如圖4所示，其中：

1.系統(tǒng)電氣參數(shù)監(jiān)測窗，使用圖表窗體內(nèi)嵌來到達視覺上層次遞進的效果，在頂層的中加入與來完成不同技術參數(shù)的顯示。

2.發(fā)電功率曲線實時顯示窗利用控件完成以當前時間為X軸坐標，發(fā)電功率為Y軸坐標的圖形繪制。

3.歷史數(shù)據(jù)接口調(diào)用控件配合SelectedDatesChanged動作處理函數(shù)對硬件數(shù)據(jù)庫的訪問操作。

4.系統(tǒng)時間實時顯示，UI界面依舊使用進行顯示，執(zhí)行代碼使用T=DateTime.Now.ToString（"HHmmss"）來獲取當前系統(tǒng)時間。

5.利用模塊與.NET中開發(fā)的逆變器狀態(tài)進行銜接，實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)。

6.系統(tǒng)運行及參數(shù)設置，使用圖標按鈕配以.NET邏輯執(zhí)行語言來管理該系統(tǒng)的運行、停止，以及逆變箱地址的設置。在該系統(tǒng)事件處理函數(shù)中，為了防止系統(tǒng)的通訊故障，該部分.NET邏輯語言中設計了錯誤信息處理函數(shù)。

4.結(jié)果展示

4.1功能性試驗展示

通常在進行逆變器運行狀態(tài)監(jiān)控測試時，需要設定一些規(guī)定的環(huán)境參數(shù)，以得到具有普遍意義的功率曲線。本文以一臺3.6KW的小型光伏逆變器為監(jiān)測目標進行了實測，監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)如表3所示，監(jiān)測時間為當?shù)貢r間上午10點。

圖5 上位機監(jiān)測主界面

此時太陽能電池板產(chǎn)生直流電壓為377.6V，電網(wǎng)電壓為242.1V，電流為11.6A，頻率為50.01Hz。箱體內(nèi)部溫度為46℃，環(huán)境溫度為31℃，當前發(fā)電功率約為3.3KW。輸出功率曲線如圖5所示。

4.2功能性實驗分析

實驗中主要測試3種常見狀態(tài)：

狀態(tài)一：故障離網(wǎng)，如圖6中紅色區(qū)域A所示。此時可以看到該時段逆變器輸出功率為0，即表示逆變器為防止電網(wǎng)故障或為防孤島效應而及時離網(wǎng)。此時用戶應查看故障源頭：電網(wǎng)故障或逆變器故障，以進行合理的故障處理。

狀態(tài)二：陽光被遮擋，輸出功率明顯下降，如圖6中黃色區(qū)域B所示。出現(xiàn)該種狀態(tài)的可能原因有很多，例如陽光被云層遮蓋或者太陽能電池板被異物遮擋（例如樹葉等），此時用戶需要通過觀察功率輸出曲線后來判斷是何種情況，如果長時間出現(xiàn)低功率輸出并且光照度良好，就有可能是太陽能電池板被異物遮擋而產(chǎn)生的低功率輸出故障。

狀態(tài)三：云層稀薄輸出功率小幅浮動，如圖6中藍色區(qū)域C所示。該狀態(tài)表明逆變器未能達到最大輸出，光照度受到云層小幅影響，逆變器仍處于正常工作狀態(tài)。

實驗結(jié)果表明，本監(jiān)測系統(tǒng)可以及時有效地反映逆變設備的工作狀態(tài)，方便用戶通過網(wǎng)絡遠程監(jiān)測逆變設備的狀態(tài)信息并盡快進行故障排查。已經(jīng)可以實現(xiàn)本項目立項的初始目標。

5.結(jié)束語

項目通過WPF開發(fā)的上位機軟件，可以把該系統(tǒng)的架構(gòu)移植到各種手持式監(jiān)測管理設備上，使其能夠真正通過多平臺的控制來滲透和完善整個監(jiān)測體系。最終實現(xiàn)多平臺互通、互聯(lián)、便捷高效的遠端監(jiān)測管理系統(tǒng)。

本項目歷時一年順利完成，希望能得到支持，為實際的工業(yè)應用提供可靠的技術支持及參考價值。

參考文獻：

[1]李立偉，王英，包書哲.光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的研制[J].電源技術，2007，31（1）：76-79.

[2]李濤 ，夏浪. 基于 WPF及 WWF的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)表現(xiàn)層設計[J].計算技術與自動化，2009，28（3）：123-126.

[3]周皓，童朝南，周京華等.基于TMS320F2812光伏并網(wǎng)逆變器的設計與研究[J].電氣傳動，2011，41（3）：28-31.

作者簡介：喬冠倫（1992-），男，漢族，本科，上海理工大學光電信息與計算機工程學院，電氣工程及其自動化專業(yè)。