基于DSP的多功能測控儀表的設計

梁新田

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基于DSP的多功能測控儀表的設計

梁新田

（北京科諾偉業光電科技有限公司，北京 100089）

本文設計了一種以DSP作為核心部件，應用于光伏直流配電柜中的多功能測控儀表。這種多功能測控儀表，不僅解決了電池板防反問題，不再需要另外增加防反二極管來保護光伏陣列，而且實現了直流配電柜的電壓、電流顯示以及過壓保護、過流保護和短路保護等功能。

DSP；測控儀表；防反二極管；配電柜

光伏直流配電柜主要應用在大型光伏電站，將前端光伏匯流箱輸出的光伏組件電源再次進行匯流后接入后端光伏并網逆變器，并提供防雷及過流保護[1]。有的直流配電柜采用霍爾傳感器可以對每路輸入電流、電壓進行測量，同時可以監控斷路器、防雷器狀態，并通過配置RS 485接口，把測量和采集到的數據及設備狀態上傳至監控系統。

1 直流配電柜的組成

對于不同的光伏并網發電項目，系統對直流配電柜的功能要求不同。它可以根據客戶需求進行自由配置，一般輸入有6～12路，輸出有1～4路，其中8進1出的最為常見。直流配電柜主要由圖1中的幾部分組成。

1）柜體

直流配電柜主要安裝在箱式逆變房內，柜體采用金屬材料，防護等級不低于IP20，其尺寸可以根據逆變器尺寸進行調整。柜門一般用鍍鋅轉軸鉸鏈，以防門與柜體直接碰撞，并加強柜體防護等級。直流配電柜金屬框架均具有良好的接地，柜門與柜體采用編制銅帶可靠連接。

2）斷路器

直流配電柜的進線采用光伏專用直流斷路器，用于線路的分合閘，其額定電壓不低于直流1000V，極限分斷能力不小于20kA[2]。每個直流斷路器選用固定式板前接線，柜內采用雙層門結構，所有導電部件均有防護措施以防止人手觸及。直流配電柜出線不配置出線斷路器，通過兩段匯流母線與光伏并網逆變器連接。

3）防反二極管模塊

防反二級管模塊包括防反二極管、散熱器和軸流風機。防反二極管采用模塊化設計，利用其單向導通特性串聯在每一回路的正極，以防止組串之間產生環流、倒灌等現象。防反二極管安裝在散熱器上，通過連接母排與對應的直流斷路器連接，散熱器采用鋁合金材質，通過熱傳導散發二極管產生的熱量。軸流風機通過溫控開關或時控開關，配合繼電器輸出實現自動控制風機的起停，增強散熱器的散熱效果。

4）電涌保護模塊

電涌保護模塊采用光伏發電系統專用的防雷產品，具有放電電流大、限制電壓低等特點。它被安裝在直流輸出母排上，當雷電侵入電源傳輸線時，該模塊迅速啟動，將雷電泄放到大地，并把雷電過電壓限制在允許承受的耐壓范圍之內，以確保光伏直流配電柜的安全運行。

5）數據采集模塊

數據采集模塊采用高性能霍爾傳感器和多路模擬量輸入模塊，對每路輸入電流和電壓進行采樣，經A/D轉換后變成數字量。多路數字量模塊采集直流斷路器及防雷器的狀態，最終變換為標準的RS 485數字信號輸出，方便用戶與監控系統連接。

2 多功能測控儀表

采用防反二極管模塊的方式具有結構復雜、功率消耗大、投資成本高等缺點。對防反二極管的選型至關重要，如果選擇不好，就會增加直流配電柜的故障率，影響光伏電站的安全運行。為此，自主研發的多功能測控儀表，取消了防反二極管模塊，不但解決了電池板防反問題，而且實現了直流配電柜的過壓保護、過流保護和短路保護等功能。本儀表具有10路模擬量輸入，2路開關量輸入，8路繼電器輸出功能，并配有對外通信接口，方便系統 監控。

2.1 硬件設計

多功能測控儀表采用TI公司的TMS320F2808系列DSP處理器和其他外圍擴展芯片等，主要由數據采集單元、分勵脫扣控制單元和通信單元三部分組成[3]。其中數據采集單元又包括匯流排電壓和各支路電流的采樣、斷路器及防雷器開關狀態采樣。通過巡回采樣，判斷直流配電柜是否有故障發生，再根據故障類型決定是否執行斷路器分勵脫扣動作和是否上傳報警信息。

模擬信號的采集采用電流霍爾元件，把大信號轉化為弱電信號，然后經過調理電路送入DSP芯片的ADC接口[4]。對于各支路電流的采樣，通過在直流輸入母排串入電流霍爾傳感器來檢測直流側電流，其采樣電路如圖2所示。電流霍爾傳感器使用LEM公司的HAS 200-S/SP50產品，額定輸入電流為200A，原邊電流測量范圍為±900A，輸出電壓為±4V±40mV，電源電壓為±12～±15VDC。電流霍爾傳感器輸出信號加上1.5V的電壓偏置，經過運算放大器放大后，形成0～3.3V內的電壓信號，保證輸出電壓滿足AD輸入信號范圍。

多功能測控儀表配有干接點的開關量輸入，其電路如圖3所示。當開關S1打開時，光電耦合器KF2的二極管側無電流通過，三極管處于截止狀態，輸出OUT為低電平；當開關S1閉合時，光電耦合器KF2的二極管側有電流通過，三極管處于導通狀態，輸出OUT為高電平。這樣輸出OUT的高、低電平分別對應開關S1的合、分狀態。此處光耦將輸入、輸出間相互隔離，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力[5]。

分勵脫扣控制單元的電路如圖4所示。當DSP的輸出端Fault輸出高電平時，三極管Q1導通，Q2的基極被拉低導通，繼電器K1的線圈得電，常開觸點吸合，此路控制塑殼斷路器的分勵脫扣線圈得電，斷路器發生脫扣動作；當DSP的輸出端Fault輸出低電平時，三極管Q1截止，Q2的基極被抬高截止，繼電器K1的線圈失電，常開觸點斷開，斷路器無動作。其中反并聯二極管D1為線圈續流提供路徑，殘余能量在線圈與二極管組成的回路中較為平緩地消耗掉，避免損壞其他器件。

圖4 分勵脫扣控制

2.2 程序設計

光伏直流配電柜的電源接通后，首先進行各項系統的初始化，啟動數據采集任務，同時將數據與設定報警值進行比較，若超出范圍，則根據程序設計做出相應處理。

主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

由于電池板故障可以引起電流逆流，同樣支路短路，反接等也會造成支路的逆流，因此，設計的控制板巡檢程序用于巡檢各支路電流，若發現存在逆流現象且逆流超過保護閥值，則本機將該支路分勵脫扣，同時將故障上傳，使系統處于安全狀態。

對于匯流排短路情況，通過判斷支路電流與匯流排電壓二者關系可直接給出結論。短路時支路電流存在，匯流排電壓接近零伏，由此程序判斷為匯流排短路。短路屬于極其嚴重故障，此時本機分勵脫扣全部輸入支路。同樣匯流排電壓出現過壓故障時，也執行分勵脫扣全部輸入支路動作。

對于過流故障，由于受光伏組件特性影響，即使發生短路現象，其短路電流也約為（1～1.2）倍的峰值功率電流，故支路過流故障一般不會發生，也不會造成嚴重危害，因此本機程序只做報警處理，同時上傳故障信息。

2.3 通信協議

本設計使用的是MODBUS-RTU通信協議，旨在規定本終端設備（從站）與用戶總線接口單元（主站）之間的數據交換以MODBUS-RTU模式實現。協議采用異步主從半雙工方式通信，通信由主站發起，從站接收到主站請求后作出相應的應答。傳輸方式是一個數據幀內一系列獨立的數據結構以及用于傳輸數據的有限規則[6]。數據幀的格式見表1。

表1 數據幀格式

下面以讀取塑殼斷路器（DI1）和電涌保護器（DI2）輔助觸點開關狀態（功能碼03）為例說明通信功能。

1）查詢數據幀。此功能允許用戶獲得數字輸入量DI的狀態ON/OFF（1=ON，0=OFF），除了從機地址和功能域，數據幀還需要在數據域中包含將被讀取DI的初始地址和要讀取的DI數量。本設計DI的地址從0000H開始（DI1=0000H，DI2=0001H）。表2是從地址為02的從機讀取DI1到DI2的狀態。

表2 查詢數據幀

2）響應數據幀。響應包含從機地址、功能碼、數據長度、數據內容和CRC錯誤校驗，數據幀中每個DI占用一位，第一個字節的最低位為尋址到DI值，其余的依次向高位排列，無用位為0。表3為讀取數字輸入狀態（塑殼斷路器閉合，電涌保護器斷開）相應的實例。表4為數據字節內容。

表3 響應數據幀

表4 數據字節內容

3 經濟性分析

多功能測控儀表與防反二極管方案相比，取消了防反二極管及配套的散熱器、軸流風機和時控開關等。多功能測控儀表約580元，而每個防反二極管120元，每個直流配電柜按8個計算，共計960元，配套散熱器約420元，軸流風機180元，時控開關80元，單臺光伏直流配電柜的成本可以節約近1000多元。

4 結論

綜上所述，多功能測控儀表較好地解決了光伏直流配電柜低成本技術改造的需求，經濟效果顯著，同時實現了傳統分體式多單元組合儀表的各項功能。光伏電站運行及維護更加方便，故障率大大降低。不但降低了系統成本，而且擴大了光伏陣列的工作電壓范圍，增加了系統的發電量。

[1] CGC/GF 037—2014. 光伏匯流設備技術規范[S].

[2] GB 14048.1—2012. 低壓開關設備和控制設備[S].

[3] 胡雪峰, 龔春英. 光伏并網逆變器的直接預測控制策略及其DSP實現[J]. 電工技術學報, 2011, 26(S1): 103-107.

[4] 馬世璽, 楊寒, 崔新友, 等. 基于OMAPL138的電力數據采集與傳輸設計[J]. 電氣技術, 2015, 16(10): 72-75, 87.

[5] 徐愛鈞. 智能化測量控制儀表原理與設計[M]. 2版. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2004.

[6] 梁國棟, 劉媛, 梁昊穹. 基于485通信的智能閥控系統數據方案與實現[J]. 電氣技術, 2015, 16(11): 91-93.

Design of A Multifunction Measurement&Control Instrument based on DSP

Liang Xintian

(Beijing Corona Photovoltaic Science&Technology Co.,Ltd, Beijing 100089)

This paper presents a type of multifunction measurement&control instrument based on DSP which be used in the photovoltaic (PV) DC distribution cabinet. This design is materializing the function of anti-reverse current, Voltage display, current display, over-voltage protection, over-current protection, short-circuit protection and so on.

DSP; measurement & control instrument; anti-reverse current diode; distribution cabinet

梁新田（1982-），男，河北省阜平縣人，工程師，主要從事光伏逆變器及光伏系統的設計與開發工作。