光储联合供电数据采集系统的设计及数据预处理

张纯杰，赵志刚，高 溥

（兰州交通大学 甘肃 兰州 730070）

光储联合供电系统作为一种可再生的闭环能源系统，广泛应用于电力、航空航天、气象、通信等领域。对于光伏电池，它的工作受到太阳辐射强度和光伏电池极板温度的制约；就储能系统而言，精确地建立蓄电池的模型需要综合考虑蓄电池的化学特性、物理特性以及外界环境。所以建立出的光储联合供电系统模型复杂，包括多个未知参数，这些未知参数在实际工况中难以获得。为了避免传统建模的缺陷，改用辨识的方法对光伏电池和储能系统的模型结构及重要参数进行辨识。系统辨识要求能够精确获得系统实时的输入/输出数据，有必要对光储联合供电系统的数据采集模块进行设计和分析。文献[1]设计了基于DSP硬件开发环境的数据采集系统；文献[2-3]设计了多路数据采集系统；文献[4]设计了一种适用于大型光伏发电的数据采集系统；文献[5]开发了一套高速数据采集系统。数据采集系统有多种形式，但大多数据采集系统针对的只是单个光伏发电模块，不能完全应用于光储联合供电系统中。在此设计了一种用于光储联合供电系统的数据采集模块，实时采集光伏阵列和储能系统的输入/输出数据。

1 总体设计

在白天太阳辐射充裕时，由于光生伏打效应在光伏电池（阵列）产生电压，通过DC/DC降压转换[6]，一部分电压加载在一定的负载上产生输出电流，另外一部分电能输入到储能系统形成充电电压（电流）；夜晚没有太阳辐射时，储能系统作为主要供电来源，产生放电电压（电流）。考虑到影响光伏电池输出特性的参数——光伏极板表面温度和太阳辐射强度，将这四类模拟量分时送入数据采集模块的下位机。通过RS-484将下位机采集的原始数据通过串口通信方式发送到上位机，通过建立相应的数据处理算法，完成动态数据的实时显示。数据采集总体示意图如图1所示。

2 系统硬件设计

数据采集的核心是模数转换电路和传感器电路。模数转换器采用ADuC812高精度数据采集芯片（8通道、12位精度、逐次逼近型A/D转换器），硬件采集思路为：被测对象转换为传感器信号，然后进行信号调理，最后将调理的信号分时送入下位机，如图2所示。

图1 数据采集总体结构图Fig.1 Overall structure for data acquisition

图2 数据采集模块下位机示意图Fig.2 Overall diagram for data acquisition module in hardware

由于ADuC812芯片具有8路A/D转换通道，故将采集通道做如下安排：采集3路电压、2路电流、3路温度，如表1所示。

表1 A/D转换通道分布情况Tab.1 Distribution for A/D conversion channel

各模拟量的采集过程如下：

1)电压采集：系统输出电压经过稳压、隔离、放大和缓冲4个步骤，最后将调理信号送入A/D转换器；

2)电流采集：基于霍尔效应，实现回路中检测电流向霍尔电压的线性转换。然后进行放大和缓冲，将调理的信号送入A/D转换器；

3)温度采集：采用温度传感器，检测当前空气的温度，然后计算光伏极板表面温度；

4)太阳辐射采集：采用日射强度计测量。

由于为多路采集，ADuC812工作在连续采集模式中采用ADC DMA模式，即采集到的数据不通过CPU直接传输到SRAM中 （采用KM62256C做SRAM，SRAM由八位锁存器74HC573使能，如需扩展内存，SRAM可以级联）。在数据采集程序中，首先要进行初始化。通过配置三个特殊功能寄存器 ADCCON1、ADCCON2和 ADCCON3来设置采集时间、转换模式、通道选择、采集模式等。完成上述特殊功能寄存器的设置，A/D转换器将转换的12位结果字分别保存在ADCDATAH和ADCDATAL中。在配置好外部数据存储器的情况下，特殊功能寄存器中的DMA地址指针寄存器将被写入，设置相应的DMA使能位完成DMA初始化。采用中断方式管理A/D转换器。当A/D完成一次转换时，向单片机发一次中断信号，单片机响应中断并读出数据，将转换数据存储到SRAM中，然后通道号和相应的存储器地址各加一[7]。

3 测试系统软件设计

数据采集模块上位机是在以Lab VIEW为虚拟仪器的环境下开发的。其设计包括上位机G程序的设计和界面（前面板）的美化设计。上位机程序实现数据的实时显示（包括串口通信和和数据处理）与存储。

合理编写基于数据处理算法的上位机程序和数据存储程序，将实时采集的数据以电子表格文件（.xls）方式存储，可以用Microsoft Excel读取并编辑。

串口通信采用Lab VIEW VISA模块。本次上位机G程序的设计采用5个VISA节点：VISA配置函数 （串口的初始化）、VISA设置I/O缓冲区大小函数（设置I/O缓冲区大小）、VISA读取函数 （读取串口接收缓冲区数据并存储到计算机内）、VISA串口字节函数 （返回指定串口的输入缓冲区字节数）和VISA关闭函数（关闭设备会话句柄）。

上位机界面的美化，应做到布局合理、对控件归类和配色合理。最终设计的上位机界面如图3所示。

4 数据预处理

数据处理是对串口通信发送到上位机的原始模拟量进行数据还原，即下位机A/D模拟值的标定。

1)电压采集：A/D 模拟口的电压（V0）和数字量（V1）有以下线性转换关系：

图3 上位机界面Fig.3 PC interface

光储联合供电系统的输出电压（V）和送入A/D模拟口电压之间有如下线性关系:

2)电流采集:检测电流和霍尔电压之间有如下线性转换关系：

式中Ip表示检测电流；

根据霍尔效应电流电压转换公式（3）以及转换后的电压与送入A/D模拟口电压之间的线性关系来标定电流值。

3)温度的采集：合并串口显示的两个分别采集温度的整数部分和小数部分，得出环境空气温度值。根据桑迪亚光伏极板温度模型估算光伏极板表面温度：

式中:EPOA——投射到光伏极板上的太阳辐射强度(W/m2)；

Ta——环境空气温度(℃);

WS——风速(m/s)；

a,b——常数，与光伏阵列的安装方式（户外）与光伏电池的材料（多晶硅）有关，取a=-3.47,b=-0.059 4。

4)太阳辐射强度的采集：考虑到程序的复杂程度，数据处理算法在下位机实现，上位机仅实时显示采集的太阳辐射强度值。

5)数据采集模块误差限的估计：根据《1048-1995数据采集系统校准规范》估算数据采集模块的误差限：首先进行信号点的选择：在测量范围(EL,EH）内选择11个校准点。

式中：EL——通道的测量范围下限;

EH——通道的测量范围上限;

Er——通道的量程;

被测通道在信号E值处的误差限A按下列公式计算:

式中:xj——折合到通道输入端的采集数据值(i=1,2,…,n)

n——每个通道的采集数据个数；

E——系统输入标准信号的幅度；

σ——采集数据的标准差。

将实验结果与显示结果作比较，计算出相对误差，然后根据国标估算本数据采集模块的误差，将计算出的相对误差与估算的数据采集模块的误差作比较。

5 实验验证

在完成数据采集模块下位机PCB制作的前提下，通过大量实验，逐步完善和改进采集系统的设计：考虑到能源系统和负载的输入/输出量程，光储联合供电系统的配置及稳定工作范围。试验模拟电压值定在30 V到60 V之间，取十一组不同值，通过实验，得出检测值和计算值，如表2所示。

表中第一栏（外部输入）是测量仪器检测值；中间一栏（计算结果）表示了基于数据处理算法在上位机上实现的计算结果；最后一栏（误差）表示了实验结果与显示结果的相对误差。

通过实验,将电流采集电路中采集的电流值和计算值作对比，如表3所示。

按式(9)分别求出不同的误差限值，以其中的最大值作为通道误差限。在本次数据处理中，取=100，即每个通道采集数据个数为100。对于表 1，取EL=30,EH=60，在测量范围（30,60）中取11个校准点：E1=30.375,E2=33,…,E11=59.625代入公式（9），最后通过（13）式计算求得误差限 A=A3=±2.47%。 同理，对于表2，取 EL=-2.584，EH=2.783，代入相应公式求解得到误差限 A=±4.07%。

通过比较表中实际误差与数据采集系统校准规范中所确定的误差限可知：设计的数据采集模块中电压值和电流值的误差较小，并且在估算的误差限之内。

表2 电压的检测值与计算值Tab.2 Measured value and calculated value for voltage

表3 电流的检测值和计算值Tab．3 Measured value and calculated value for current

6 结论

为了获得辨识建模所需的系统输入/输出数据，设计了一种小体积、轻质量光储联合供电系统的数据采集模块。该模块有以下优点：

1)此模块适用于光储联合供电系统相关输入输出参数的多通道测量；

2)此模块数据开发成本低，采集精度较高，上位机在Lab VIEW环境下开发，开发效率高，监控界面友好。

通过光储联合供电系统数据采集模块的设计及实验验证，并对其相对误差的估算和比较分析，为实现光储联合供电系统的辨识建模打下了坚实的基础。

[1]梁祥莹,严辉,程华伟．基于DSP的光伏数据采集系统的研究和设计[J]．能源技术．2009,30(5):283－285．LIANG Xiang－ying,YAN Hui,CHEN Hua－wei．Research and design of data acquisition of photovoltaic system based on DSP[J]．Energy Technology,2009,30(5):283－285．

[2]党世红．基于W77E58的多路数据采集系统的设计与实现[J]．电子设计工程．2012,20(21):138－140．DANG Shi－Hong．Design and implementation of multi－channel data acquisition system based on W77E58[J]．Electronic Design Engineering,2012,20(21):138－140．

[3]张杰,王晓刚,张轶,等．独立光伏电源数据采集系统设计[J]．仪表技术与传感器．2011(6):58－61．ZHANG Jie,WANG Xiao －gang,ZHANG Yi,et al．Design of data acquisition system of photovoltaic system[J]．Instrument Technique and Sensor,2011,6:59－61．

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[5]关守平,尤富强,董国伟．基于FPGA的高速数据采集系统设计[J]．控制工程．2013,20(5):970－975．GUAN Shou－ping,YOU Fu－qiang,DONG Guo－wei．Design of power control unit in aircraft based on MPC566[J]．Control Engineering of China,2013,20(5):970－975．

[6]高志强,孟良,梁宾,等．光储联合发电系统控制策略[J]．储能科学与技术．2013,2(3):103－108．GAO Zhi－qiang,MENG Liang,LIANG Bin,et al．Control strategies for a photovoltaic－Energy storage hybrid system[J]．Energy Storage Science and Technology,2013,2(3):103－108．

[7]孙晓靖．远程环境监测信息系统的研究与设计实现 [D]．上海:东华大学;2004．