基于ZigBee的光伏電站智能脫扣器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：當(dāng)下光伏發(fā)電仍處于發(fā)展初期階段，電站燒毀屢見不鮮，這對(duì)電站的線路保護(hù)機(jī)構(gòu)有了更高的要求，本文基于實(shí)際工程環(huán)境，針對(duì)電站故障保護(hù)器件智能脫扣器可能會(huì)因光伏電站設(shè)計(jì)缺陷、方案不成熟等問題而不能正常工作的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的光伏電站智能脫扣器，其既能對(duì)光伏電站進(jìn)行線路故障保護(hù)又能通過云端監(jiān)控自身是否異常，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光伏電站? 智能脫扣器? ZigBee? 云端 ;

Design and Implementation of Smart Circuit Breaker for Photovoltaic Power Station Based on ZigBee

ZHOU Chao

（Soochow University， Suzhou， Jiangsu Province， 215000 China）

Abstract： At present， photovoltaic power generation is still in the early stage of development， and power station burning is common， which has put higher requirements for the circuit protection mechanism of the power station. Based on the actual engineering environment， aiming at the phenomenon that the smart circuit breaker of power station fault protection device may not work normally due to the design defects and immature scheme of photovoltaic power station， this paper designs an smart circuit breaker of photovoltaic power station based on ZigBee. It can not only protect the line fault of photovoltaic power station， but also monitor whether it is abnormal through the cloud or not. It has high practical application value.

Key Words： Photovoltaic power station; Smart circuit breaker; ZigBee; Cloud server

太陽能作為一種可再生的清潔能源，一直備受社會(huì)關(guān)注，光伏發(fā)電應(yīng)運(yùn)而生。然而隨著光伏發(fā)電的不斷地發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)本身存在的一些問題也逐漸顯露出來，如光伏電站的逆變系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量諧波[1]，這不僅會(huì)降低了電網(wǎng)的質(zhì)量，還可能引起智能脫扣器的信號(hào)測量單元互感器發(fā)熱損壞，從而失去線路保護(hù)功能，因此對(duì)光伏電站智能脫扣器遠(yuǎn)程監(jiān)控必不可少。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能脫扣器承擔(dān)著信號(hào)采集及在故障時(shí)控制斷路器分?jǐn)嗑€路的任務(wù)[2]，是整個(gè)光伏電站系統(tǒng)不可或缺的環(huán)節(jié)，如圖1.1為光伏電站系統(tǒng)構(gòu)成圖。

本設(shè)計(jì)智能脫扣器首先通過微處理器控制底層傳感器完成光伏電站運(yùn)行電氣數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集工作，其次使用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)[3]將各站數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，最后通過GPRS模塊將匯總后的數(shù)據(jù)發(fā)送給云端[4]做存儲(chǔ)分析，當(dāng)光伏電站發(fā)生數(shù)據(jù)超標(biāo)等異常情況時(shí)，智能脫扣器能進(jìn)行故障保護(hù)，而云端能及時(shí)對(duì)管理人員推送報(bào)警信息。

2智能脫扣器終端設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

智能脫扣器以ARM主控單元為核心，各模塊相互獨(dú)立工作，智能脫扣器硬件組成部分主要包括主控單元、信號(hào)采集與調(diào)理電路、執(zhí)行單元、供電電路、人機(jī)交互單元、通信單元等，圖2所示為智能脫扣器硬件結(jié)構(gòu)框圖。

2.1主控芯片介紹

本設(shè)計(jì)選取NXP的Kintest 系列的MK10DX256KQ10 芯片，其為ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻高達(dá)120Mhz ，擁有512K Flash和128K SRAM，內(nèi)含DSP數(shù)字信號(hào)處理單元和浮點(diǎn)運(yùn)算單元，能夠高效快速地進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理，該芯片具有豐富的通信接口、AD轉(zhuǎn)換電路和外圍控制電路，完全滿足本次開發(fā)需求[5]。

2.2信號(hào)采集與調(diào)理電路

本次信號(hào)采集主要使用電流與電壓互感器，互感器是一種將供電線路的電流或電壓按比例轉(zhuǎn)換成小電流或電壓信號(hào)的電氣設(shè)備[6]，調(diào)理電路對(duì)轉(zhuǎn)換而來的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行幅值和極性方面的轉(zhuǎn)換，以適用于主控單元的A/D模塊處理。其采用差分放大特性，以抑制如溫度噪聲等外界干擾，使用阻容器件構(gòu)成低通濾波電路，以對(duì)信號(hào)中的高頻噪聲進(jìn)行濾除。

2.3執(zhí)行單元

脫扣電路的作用就是當(dāng)主控單元發(fā)出故障脫扣信號(hào)時(shí)，其能夠準(zhǔn)確快速地驅(qū)動(dòng)智能脫扣器進(jìn)行脫扣動(dòng)作。本次使用 MOS管作為電子開關(guān)，當(dāng)主控單元發(fā)出脫扣信號(hào)，其就會(huì)導(dǎo)通繼而磁通變換器通電產(chǎn)生脫扣動(dòng)作。為了確定脫扣動(dòng)作是否成功，還需要監(jiān)測智能脫扣器的動(dòng)作狀態(tài)，本次使用光耦作為開關(guān)信號(hào)，當(dāng)成功完成脫扣動(dòng)作時(shí)，光耦將有電流輸入，其輸出端導(dǎo)通繼而外圍電路的電平轉(zhuǎn)換，主控單元就能以此判斷脫扣成功與否。

2.4人機(jī)交互

本系統(tǒng)以液晶顯示器作為系統(tǒng)的輸出設(shè)備，選用國產(chǎn)肇慶金鵬科技有限公司的OCM4X812864型液晶，可顯示各種文字和圖形，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可滿足各種低功耗的要求，輸入設(shè)備采用矩陣鍵盤，可方便地進(jìn)行操作輸入。

2.5電源電路設(shè)計(jì)

電源電路是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要部分，本次供電方式采用電流互感器自生電和電源模塊供電，電流互感器二次端輸出電流在經(jīng)過全波整流后就能給主回路供電。為防止在電站運(yùn)行電流較小時(shí)，出現(xiàn)電流互感器不足以為智能脫扣器供電情況，一般還需要外接電源模塊。

2.6 通信電路設(shè)計(jì)

為了能高效、經(jīng)濟(jì)地將各電站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，本次選用ZigBee作為近距離無線通信方式，ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗和低速率等優(yōu)勢(shì)[7]，且傳輸距離適中，符合本次需求。將電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送至云端，還需要遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)通信技術(shù)，現(xiàn)有的成熟遠(yuǎn)程通信技術(shù)GPRS就能滿足遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)、低費(fèi)用等需求。

3系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件功能主要包括信號(hào)處理、故障保護(hù)處理、液晶顯示與鍵盤操作處理、ZigBee組網(wǎng)、GPRS與云端的數(shù)據(jù)傳輸[8]。系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)，對(duì)各個(gè)功能塊進(jìn)行調(diào)度，以滿足智能脫扣器的實(shí)時(shí)性、可靠性的高標(biāo)準(zhǔn)要求。圖3 所示為智能脫扣器系統(tǒng)整體軟件功能圖。

4 云端遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

云端遠(yuǎn)程監(jiān)控是光伏電站系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、處理、異常報(bào)警等功能，對(duì)判斷光伏電站系統(tǒng)運(yùn)行是否異常起著重要作用，本次設(shè)計(jì)借助有人云平臺(tái)搭建云端監(jiān)控管理系統(tǒng)，圖4所示為組態(tài)后的云端主界面。

5 結(jié)語

通過對(duì)多起光伏電站燒毀事故分析，發(fā)現(xiàn)作為保護(hù)機(jī)構(gòu)智能脫扣器可能因某種因素未能進(jìn)行故障保護(hù)功能，本次所設(shè)計(jì)的智能脫扣器，不僅具有測量、故障保護(hù)、通信等基本功能，還具有云端遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，在其數(shù)據(jù)異常時(shí)能進(jìn)行報(bào)警推送等操作，可在一定程度上減少了電站大事故發(fā)生的概率，隨著光伏、風(fēng)電等新能源行業(yè)的發(fā)展，更穩(wěn)定、智能化的脫扣器必將在我國存在著巨大的潛在市場。

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作者：姓名 周超，1993 07? 性別 男，民族 漢， 籍貫 江蘇連云港，最高學(xué)歷? 本科，職稱 學(xué)員，研究方向：電子與通信工程。