遠程自修復光伏發電監測系統設計

孫廣輝

（南京郵電大學 通達學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

隨著能源危機的不斷加重，世界各國加大對可再生能源的開發與利用，太陽能光伏發電產業隨之迅速發展。基于可再生能源的分布式微型電網技術能夠提高能源利用率[1]，同時保持較高的電能指標，近年來備受關注。微網中含有的微電源種類繁多，光伏發電是其中潛力最大的一種可再生綠色能源，光伏發電被認為是當今世界最具發展前景的一種新能源技術，具有許多不同于其他可再生能源的突出優勢：無噪音、不產生溫室氣體、模塊化安裝、使用壽命長、維護簡單、發電效率不受規模影響，無論從保護環境還是能源戰略上都具有重要意義[2]。

由于光伏發電的控制采用最大功率點跟蹤控制策略，光伏發電的輸出功率直接決定于光照強度，而光照強度在一天里隨著時間和天氣等因素的變化不是一個穩定值，所以光伏發電的輸出功率是隨著光照強度的變化而波動的[3]。光伏發電的隨機性、波動性、間歇性會引起電壓波動、電壓閃變以及頻率波動等一系列電能質量問題[4]。光伏發電監測系統對光伏發電系統電能質量調控有著重要的現實意義，目前光伏發電監測系統存在現場故障維護成本高問題，針對此問題提出一種基于可編程器件的遠程自修復光伏發電監測系統，對光伏陣列的電壓、電流、溫度、光照強度進行實時監測。

1 系統拓撲結構

光伏發電監測系統由監測應用系統和監測終端兩大部分組成，采用分布式結構，各級監測應用系統采用金字塔結構逐級連接，其中底層監測應用系統與監測終端相連，監測終端通過GPRS移動數據網與底層應用監測系統或直接與頂層應用監測系統相連。此結構采用積木式組合實現靈活分級，物理上分散監測、邏輯上數據分級集中管理。具體拓撲結構如圖1。

2 系統硬件設計

監測終端硬件采用模塊化設計，主要由數據采集單元、存儲單元、報警單元、電源單元以及控制器單元等組成，各個單元通過硬件電路相互連接，具體結構圖如圖2。

圖2 系統硬件結構

2.1 數據采集單元

采集單元主要完成光伏發電系統電壓、電流、溫度、濕度、光照強度等參數的采集。首先傳感器將信號轉換成電信號，然后電信號通過調理電路轉換成控制器可以識別的數字信號，調理電路由單端轉差分電路、放大濾波電路以及A/D轉換電路組成，放大濾波電路采用具有可重構特性的FPAA技術實現。

2.1.1 傳感器選擇

為了降低設計難度，系統環境溫濕度傳感器選用單總線數字式溫濕度傳感器AM231；光伏組件溫度測量采用12位分辨率、單總線的數字溫度傳感器DS18B20；光照強度傳感器通過硅光電池來完成測量，測量光譜范圍為 0.2～1.1 μm；電流、電壓監測采用響應時間小于 1 ms的霍爾傳感器，其中電流傳感器選用HNC-025SY，電壓傳感器選用HNV-025A。

2.1.2 調理電路

目前光伏發電監測系統中放大濾波電路常采用運放搭建方式，存在集成度低、調試難、設計經驗要求高等問題，FPAA技術的出現很好地克服了上述問題。FPAA技術具有功耗低、集成度高、設計簡單、可重構等特點[5-6]。

本系統中放大濾波電路選用Andigm公司生產的3.3 V供電FPAA芯片AN231E04，ANE231E04輸入輸出為差分信號，所以在傳感器電路與放大濾波電路之前增加AD8138單端轉差分電路，具體連接電路如圖3所示。調理后的信號傳輸到6通道同步采樣的16位高性能轉換芯片ADS8364，經過同步A/D轉換后傳輸到控制器。

2.2 通信單元

控制器將采集單元采集到的相關參數存入存儲器，以防系統故障時造成數據丟失，同時通信單元傳輸給監測應用系統。本系統通信單元采用GPRS無線移動網完成。 GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務技術）是一種移動電話用戶使用的移動數據業，以封包（Packet）式來傳輸，以傳輸資料多少進行計費，費用更加的合理，在遠程數據傳輸方面應用較為廣泛[7]。

系統采用串口方式與GPRS模塊相連接，設置UART波特率115 200 b/s、數據位8位、1位停止位、奇偶校驗位為None，具體GPRS硬件電路如圖4所示。

圖4 GPRS電路

2.3 電源單元

為了提高系統穩定性，系統電源部分增加監控復位電路，采用三端監控芯片TPS3307-18對監測板中5 V電源、1.5 V電源和3.3 V電源進行監控，確保系統供電正常。

3 軟件設計

3.1 故障診斷與自修復方法

模擬電路故障診斷主要分為故障監測、故障識別、故障預報三方面，根據實際測試在電路仿真前或后分為測前診斷和測后診斷兩種[8]。測前診斷的典型算法就是字典法，測后診斷的典型算法主要是參數識別法和驗證法，本系統采用字典法。

字典法基本思想：首先對電路可能出現的故障進行模擬得到故障集，接著對故障集中的故障求響應，提取故障特征并編寫故障字典；故障診斷時依據故障特征查找故障字典進行故障定位。系統對放大濾波電路分放大壞濾波好、放大好濾波壞、放大壞濾波壞三類進行故障特征收集。

[9]提出單故障占總故障的70%～80%，多故障情況比例較小。系統主要對單故障進行診斷、修復。FPAA技術采用模塊化設計思想，所以選用冗余法進行重構，具體故障診斷、修復流程如圖5所示。

圖5 故障監測與修復流程

3.2 GPRS通信

本系統采用GPRS模塊SIM900A實現數據的無線傳輸，GPRS模塊SIM900A與控制器之間通過發送AT命令[10]實現通信，通過串口通信完成兩者之間命令的發送，實現終端與上位機的數據交互。在數據的收發過程中，通過定時控制維持鏈路連接，時間設置為應答時間的1.5倍。如果在規定時間內沒有收到應答數據，就認為連接斷開，此時發送指令要求系統進行重連接處理。具體工作流程圖如圖6所示。

圖6 GPRS通信流程

4 結論

遠程自修復光伏發電監測系統不僅電路設計簡單，而且能夠滿足監測數據遠程傳輸實時性；采用FPAA技術的放大濾波電路具有在線可重構性，可以高效完成故障診斷、修復，提高系統穩定性；具有功耗低、通用性強、易升級、設計簡單等特點。試運營期間系統工作穩定，滿足光伏發電系統遠程監測的要求。隨著移動網絡技術帶寬和數據速率大福提高，遠程光伏發電監測系統、自修復系統等技術將有廣闊的市場前景。

參考文獻

[1]舒潔.基于分布式可再生能源發電的獨立微網技術研究[D].廣州：中山大學，2010.

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[3]周念成，閆立偉，王強鋼.光伏發電在微電網中接入及動態特性研究[J].電力系統保護與控制，2010，38（14）：119-124.

[4]李雙雙.基于Matlab+GUI的光伏發電系統電能質量分析的設計與實現[D].合肥：安徽大學，2013.

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[7]朱正偉，顧浩.基于AVR單片機的多功能門禁控制器的設計與實現[J].常州大學學報（自然科學版），2012，24（4）：56-62.

[8]祝文姬.模擬電路故障診斷的神經網絡方法及其應用[D].長沙：湖南大學，2011.

[9]銀環玉.模擬電路故障診斷系統的FPGA實現方法研究[D].長沙：湖南大學，2012.

[10]劉冰，許青松，杜娟，等.基于 GPRS技術的熱網遠程監測系統[J].制造業自動化，2012，34（6）：24-27.