一種光伏板位置檢測系統設計

胡呈祖

（鵬城實驗室，深圳518000）

光伏發電作為一種新型發電技術，在世界范圍內得到了推廣[1]。利用超級硅制造的單晶硅以及多晶硅電池形成光伏組件，多個光伏組件組成光伏板[1-2]。光伏板之間通過串聯的方式連接，類似于多個電池的串聯，由此可獲得高的電壓，但當一個光伏板發生故障時，其它與之相連的光伏板不能正常工作[3-4]。光伏板主要是吸收太陽能將其轉化為電能來發電，其安裝位置和安裝角度直接決定了太陽能的接收量[5-6]。本文創新性的將PLC（power line communication，電力線通訊）技術運用到光伏板位置監測上，實現了光伏板的在線實時監控，可及時了解每個光伏板的工作情況，無需人為到屋頂等較惡劣環境下巡查。

1 系統總體結構

光伏板物理位置檢測系統主要由光伏板陣列及其控制器、逆變器控制模塊、手機移動設備等組成，如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖Fig.1 System overall structure diagram

光伏板組件方陣，由光伏組件串聯而成，在光照時將太陽能轉換成電能，是光伏系統的核心部件[7-9]。光伏板的控制器控制光伏組件的輸出，實現MPPT（maximum power point tracking，最大功率點跟蹤），同時與逆變器PLC 模塊（PLC_CCO）經電力線進行數據交互。逆變器CPU（本系統采用STM32F407）獲取各個光伏板位置、電壓等信息后通過4G 模塊向外傳輸至云平臺/服務器，手機等帶4G模塊的移動設備，與云平臺/服務器進行數據交互，檢測和控制光伏板的狀態，也可展示光伏板方陣發電情況、故障和檢修信息報送等。

2 基于PLC 通信的硬件設計

光伏板物理位置檢測系統中，核心部分為基于PLC 的電力線通訊，其硬件功能模塊如圖2所示。

硬件部分采用海思Hi3921 的PLC 芯片作為控制核心，一方面可通過UART 連接外圍設備，另一方面產生高頻信號，經放大電路放大后，耦合到電力線上，實現信號的發送。同時電力線上載波信號耦合進來，經濾波電路后，進入PLC，實現信號接收。在PLC的通信電路中，發送和接收部分的硬件電路相同。

圖2 PLC 通信硬件結構框圖Fig.2 Communication hardware structure block diagram of PLC

2.1 Hi3921 簡介

電力線通訊技術是通過調制，把原來的信號變成高頻信號加載到電力線進行傳輸，在接收端通過濾波器將調制信號取出解調，得到原有信號，實現信息傳遞[10-11]。Hi3921 可快速組建如圖3所示的PLC-IoT 網絡，支持大規模節點樹形網絡，支持動態路由和1000 個節點快速組網，可實現多網絡協調共存。支持多種加密算法，集成豐富外圍接口，提供開放、高效和安全的系統開發、運行環境。內含高性能Cortax-M3，工作頻率達200 MHz，采用OFDM 技術和BPSK、QPSK 調制模式，滿足國際檢測標準EN50561、EN55022 等。圖1 中逆變器PLC_CCO 即為CCO，各個光伏板控制器的通訊部分即為STA。

圖3 PLC-IoT 網絡圖Fig.3 Network diagram of PLC-IoT

2.2 放大電路設計

Hi3921 芯片輸出的信號幅值比較小，采用ST公司的STLD1 芯片可將Hi3921 輸出的差分信號進行放大，增加信號驅動能力和抗干擾能力。STLD1 是針對電力線通訊的雙線驅動器，差分輸出可達36 V，輸出平均電流1.5 A，寬范圍電壓輸入，完全滿足系統要求。實際應用過程中，STLD1 可放大單端信號和差分信號，通過調整相關電阻的阻值，實現放大倍數可調。Hi3921 的差分輸出信號IN+和IN-，經STLD1 放大后，輸出PA2 和PA1，電路如圖4所示。

圖4 放大電路Fig.4 Amplifier circuit

2.3 濾波電路設計

濾波電路的作用是對從電力線耦合過來的調制信號進行解調，得到原有信號，送至Hi3921 的接收端。PLC 信號要求去除低頻小于150 kHz 和高頻大于500 MHz 的信號，實際應用過程中采用無源帶通濾波電路，如圖5所示。

圖5 帶通濾波電路Fig.5 Band pass filter circuit

其中Vi是電力線上的PLC 信號，經變壓器耦合后的信號，Vo與Hi3921 的接收端引腳相連。電感L1與電容C12并聯，選擇合適的電阻、電容、電感參數值，當輸入信號Vi頻率低于150 kHz 時，使電感阻抗較小，信號經L1到地，輸出Vo接近0。當輸入信號Vi大于500 MHz 時，電容阻抗較小，信號經C12到地，輸出Vo接近0。

2.4 4G 傳輸電路

圖1 中，逆變器的CPU 獲取到光伏方陣的參數信息后，通過UART 串口將數據信息傳遞給4G 模塊，4G 傳輸模塊將所有數據打包后統一發送到云平臺/服務器，用戶通過手機等4G 設備訪問服務器獲取光伏方陣信息。4G 模塊選用ME909S-821 全網通無線通信模塊，如圖6所示。

圖6 4G 傳輸模塊Fig.6 Transmission module of 4G

3 軟件設計

系統軟件設計主要包括PLC 信號傳輸程序、4G模塊數據轉發程序等。系統上電后，首先進行云平臺/服務器操作，之后，逆變器的CPU 開始搜索其PLC_CCO 與光伏板控制器中STA 是否已完成組網，當組網完成后，光伏板發電和位置等信息經過電力線傳輸，逆變器的CPU 接收完數據后，將數據傳輸至4G 模塊，4G 模塊對數據進行處理后發送到云平臺/服務器，軟件流程如圖7所示。

圖7 軟件流程Fig.7 Software flow chart

4 實驗驗證

4.1 PLC 通信測試

按上述軟硬件設計開發了基于PLC 的光伏板位置檢測系統，將光伏板方陣、逆變器等安裝到某屋頂指定位置，并將其用專用電力線纜連接（逆變器并網部分線纜不連接）。搭建好實驗環境后，啟動系統，通過手機客戶端發送組網指令，逆變器CPU從4G 傳輸模塊接收到控制信號后，PLC_CCO 模塊與光伏板控制器各個STA 開始組網，實現通信，PLC通訊波形如圖8所示。

圖8 PLC 通訊波形Fig.8 Communication waveform of PLC

由圖可知，PLC_CCO 模塊與各個光伏板控制器的STA 之間通訊波形正常，可正常組網。

4.2 光伏板位置檢測

組網完成后，手機端收到反饋信息，表明整個系統通訊正常。手機客戶端發送光伏板位置檢測指令，逆變器CPU 下發白名單對光伏方陣的各個光伏板位置進行檢索，最終將位置信息返回到手機客戶端界面。每個光伏板都被指定為一個唯一的SN 碼，通過解析SN 碼可確定其唯一的位置，部分檢測結果如圖9所示。

圖9 光伏板位置檢測結果Fig.9 PV panel position detection results

由圖可知，系統可很好地實現光伏板的位置檢測，便于用戶和檢修人員獲取其位置信息和在線狀態。

5 結語

本文設計了一種基于PLC 的光伏板位置檢測系統，本系統創新性的將電力線通訊技術運用到了光伏板位置檢測上，無需安裝通訊線纜，即可實現對光伏板的遠程監測，減少了安裝量和安裝難度，降低了成本。實驗結果表明，該檢測系統，能準確獲取光伏板的位置，為檢修和維護光伏方陣提供了有力支撐。