基于ADE7880的光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

摘 要：文章結(jié)合LPC2368、ADE7880、直流采樣、環(huán)境參數(shù)采集設(shè)計(jì)出一種的光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置，該裝置利用LPC2368控制器控制對(duì)光伏系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)與監(jiān)控主機(jī)連接能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、查詢。該裝置不僅能對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，還能有效監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率，以及諧波、功率因數(shù)、諧波畸變率等電能質(zhì)量參數(shù)。

關(guān)鍵詞：ADE7880；LPC2368；光伏系統(tǒng)；錳銅電阻；環(huán)境參數(shù)采集盒

引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，光伏發(fā)電在系統(tǒng)中所占的比例越來(lái)越大。光伏發(fā)電受太陽(yáng)輻照強(qiáng)度強(qiáng)度、溫度、風(fēng)速等環(huán)境因素影響較大，其發(fā)電特點(diǎn)具有隨機(jī)性、間歇性，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰、系統(tǒng)安全運(yùn)行及電能質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重影響[8]。因此，有必要對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及并網(wǎng)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、查詢，掌握發(fā)電系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取有效措施。文章結(jié)合LPC2368、ADE7880、直流采樣、環(huán)境參數(shù)采集設(shè)計(jì)出一種的光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置，該裝置不僅能對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，還能有效監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)諧波、功率因數(shù)、諧波畸變率等電能質(zhì)量參數(shù)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置由監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)測(cè)單元、環(huán)境參數(shù)采集盒三部分組成，如圖1所示。監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的記錄、顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)管理等功能。監(jiān)測(cè)單元實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)交直流參數(shù)的采集及測(cè)量。環(huán)境參數(shù)采集盒實(shí)現(xiàn)溫度、太陽(yáng)輻照度和風(fēng)速數(shù)據(jù)的采集與上傳。監(jiān)測(cè)單元、環(huán)境參數(shù)采集盒利用RS485總線與監(jiān)控主機(jī)通信。

1.1 監(jiān)控單元硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控單元主要由LPC2368處理器、交流傳感器及信號(hào)調(diào)理電路、ADE7880高精度計(jì)量芯片、直流傳感器及信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器、液晶觸摸顯示屏組成，如圖2所示。

LPC2368處理器作為本設(shè)計(jì)的控制核心，用于實(shí)現(xiàn)ADE7880的初始化及相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)，以及與監(jiān)控主機(jī)的通信，ADE7880三相高精度多功能計(jì)量芯片，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)交流參數(shù)的采集及測(cè)量，AD采樣器實(shí)現(xiàn)直流參數(shù)的采集，液晶觸摸顯示屏實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的就地顯示。

信號(hào)調(diào)理電路主要功能是將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、等環(huán)節(jié)調(diào)理至ADE7880輸入所要求的范圍。對(duì)測(cè)量結(jié)果影響最大的是采樣精度，ADE7880芯片在內(nèi)部硬件上保證了信號(hào)的采樣精度，數(shù)字濾波器的加入進(jìn)一步提高了芯片的測(cè)量精度。為了消除外部傳感器非線性和精度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，本設(shè)計(jì)采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)采樣，采樣電阻采用高穩(wěn)定、溫漂小的精密電阻，并設(shè)計(jì)RC抗混疊濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，電壓信號(hào)通道如圖3所示。

圖3中輸出電壓信號(hào)的幅值為：

TVS為過(guò)壓保護(hù)防止電網(wǎng)瞬間高壓對(duì)電路造成損害，磁珠用于吸收來(lái)自電網(wǎng)的高頻干擾。

電流通道采用錳銅片對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采樣，電流信號(hào)被錳銅采樣為電壓信號(hào)經(jīng)放大后輸入到ADE7880電流通到，如圖4所示。

本設(shè)計(jì)中錳銅采樣電阻采用1毫歐，精密放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行6倍放大后，經(jīng)過(guò)后續(xù)的抗混疊濾波處理輸入到ADE7880的電流通到，磁珠用于吸收來(lái)自電網(wǎng)的高頻干擾。

ADE7880具有三個(gè)串行接口：一個(gè)完整許I2C接口、一個(gè)串行外設(shè)接口（SPI）和一個(gè)高速數(shù)據(jù)采集端口（HSDC）。ADE7880具有四種工作模式（正常功耗模式、降耗模式、低功耗模式、休眠模式），具體的模式由PM0和PM1引腳的狀態(tài)決定。為了在滿足數(shù)據(jù)采集速度的基礎(chǔ)上，提高數(shù)據(jù)采集的靈活性，本設(shè)計(jì)采用LPC2368的SPI接口實(shí)現(xiàn)與ADE7880通信，LPC2368的SPI工作在主機(jī)模式。LPC2368與ADE7880的接線原理圖如圖4所示。圖5中，LPC2368的P1.19、P1.20分別與ADE7880的PM0、PM1連接，用于控制ADE7880的工作模式。

1.2 環(huán)境參數(shù)采集盒硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境參數(shù)采集盒由MSP430處理器、溫度傳感器、輻照度傳感器、風(fēng)速傳感器等組成，如圖6所示。MSP430處理器作為采集盒的控制核心，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的初始化、控制、測(cè)量以及與監(jiān)控主機(jī)的通信，輻照度傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻照度、組件溫度、環(huán)境溫度和風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的采集。

2 監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，各個(gè)功能模塊均在中斷中完成，而主程序主要任務(wù)是：完成系統(tǒng)初始化；進(jìn)入主循環(huán)判斷各個(gè)標(biāo)志（為了明確主程序調(diào)用各子功能模塊的選擇性，在主程序中定義了調(diào)用各子功能模塊的標(biāo)志位）；條件滿足（標(biāo)志為1），調(diào)用各個(gè)子功能模塊；子程序處理完畢，返回到主循環(huán)中。主程序的編寫(xiě)采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，功能模塊化的方案，對(duì)每一個(gè)子功能設(shè)定標(biāo)志位，在循環(huán)中通過(guò)不斷的判斷標(biāo)志位，來(lái)表明要進(jìn)入哪一個(gè)功能模塊去執(zhí)行任務(wù)。這種方法使整個(gè)主程序設(shè)計(jì)的思路清晰，每個(gè)子模塊的功能分配明確，從而有利于軟件的調(diào)試、修改和維護(hù)，監(jiān)控單元的主程序流程框圖如圖7所示。

主程序中，首先進(jìn)行系統(tǒng)軟件初始化及硬件初始化，包括各種硬件控制字的讀寫(xiě)、特殊功能寄存器及存儲(chǔ)器的配置、標(biāo)志位及變量的定義、ADE7880模塊的初始化等，啟動(dòng)看門(mén)狗電路進(jìn)入主程序的循環(huán)。在主循環(huán)中，確認(rèn)與上位機(jī)發(fā)送接收情況，確認(rèn)ADE7880交流參數(shù)計(jì)算結(jié)果、確認(rèn)直流參數(shù)采集結(jié)果和環(huán)境參數(shù)采集結(jié)果等。在主程序循環(huán)中，所有的功能模塊只有條件滿足后才執(zhí)行，反之，則立即判斷下一功能模塊。

2.2 ADE7880的初始化程序設(shè)計(jì)

ADE7880具有四種工作模式，具體的模式由PM0和PM1引腳的狀態(tài)決定）。這兩個(gè)引腳控制ADE7880的工作模式，通過(guò)LPC2368的P1.19，和P1.20便可以設(shè)置ADE7880的工作模式。

上電復(fù)位后，當(dāng)ADE7880進(jìn)入PSM0模式時(shí)，活躍串行端口是I2C接口。由于本設(shè)計(jì)中使用SPI接口，因此必須將SS/HAS從高電平到低電平切換三次。此操作會(huì)選擇SPI接口，然后對(duì)CONFIG2寄存器執(zhí)行寫(xiě)操作以鎖定SPI接口。進(jìn)入PSM0之后，ADE7880會(huì)立刻將所有寄存器設(shè)為其默認(rèn)值。ADE7880的DSP最初處于空閑模式，此時(shí)可以初始化所有ADE7880寄存器。初始化序列中的最后一個(gè)寄存器必須寫(xiě)入三次，以確保該寄存器已完成初始化。然后，向RUN寄存器中寫(xiě)入0x0001，以啟動(dòng)DSP。ADE7880初始化的部分程序如下所示：

//ADE7880復(fù)位

ADE7880REST（）；

//通訊口切換

ADE7880_CS（1）；

ADE7880_CS（0）；

ADE7880_CS（1）；

ADE7880_CS（0）；

ADE7880_CS（1）；

ADE7880_CS（0）；

ADE7880_CS（1）；

//鎖定SPI口，使用內(nèi)部基準(zhǔn)源

ADE7880CMD[0]=0X02；

ADE7880_WriteData（CONFIG2，1）；

//電流電壓通道初始化，/輸入放大器增益設(shè)置為1

ADE7880CMD[0]=0X00；

ADE7880CMD[1]=0X00；

ADE7880_WriteData（GAIN，2）；

//諧波管理配置初始化

ADE7880CMD[0]=0X70；

ADE7880CMD[1]=0X00；

ADE7880_WriteData（HCONFIG，2）；

//電能累計(jì)模式設(shè)置

ADE7880CMD[0]=0X00； ADE7880_WriteData（ACCMODE，1）；

//清中斷標(biāo)志

ADE7880CMD[0]=0XFF；

ADE7880CMD[1]=0XFF；

ADE7880CMD[2]=0XFF；

ADE7880CMD[3]=0XFF；

ADE7880_WriteData（STATUS1，4）；

ADE7880_WriteData（STATUS0，4）；

//啟動(dòng)DSP

ADE7880CMD[0]=0X01；

ADE7880CMD[1]=0X00；

ADE7880_WriteData（RUN，2）；

3 監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

利用監(jiān)測(cè)裝置對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，部分測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章結(jié)合LPC2368、ADE7880、直流采樣、環(huán)境參數(shù)采集盒設(shè)計(jì)出一種光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試，表明該裝置不但能監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流、功率、環(huán)境參數(shù)等常規(guī)數(shù)據(jù)，還能監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，以及諧波、功率因數(shù)、諧波畸變率等電能質(zhì)量參數(shù)，掌握發(fā)電系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并采取措施。該裝置不僅能用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，也可也用于風(fēng)力發(fā)電等其它新能源發(fā)電的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

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作者簡(jiǎn)介：李媛（1982-），女，講師，主要研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行管理。

袁輝建（1977-），男，碩士研究生，講師，主要研究方向：基于嵌入式系統(tǒng)的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)研究。