分布式光伏发电检测系统的设计*

任朝阳，曹自平，杨 锋（南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003）

分布式光伏发电检测系统的设计*

任朝阳，曹自平，杨 锋
（南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003）

目前光伏发电已经进入智能化管理阶段，其中的检测工作主要由汇流箱完成，检测电流、电压以及温湿度等信息。然而汇流箱只能检测串联回路单元，具体哪块光伏组件出现问题，则需要检修人员拿万用表到现场测量。设计了一种分布式光伏发电的检测管理系统，能够检测每块光伏组件，并且检测模块是嵌入在光伏组件的接线盒里，减少施工安装工作。采集的数据以无线方式传输给汇流箱，汇流箱再通过RS-485等方式将数据传输到上位机，由上位机查看发电情况，以及判断光伏组件是否正常发电。

光伏发电；分布式系统；霍尔传感器；汇流箱；无线传输

0 引言

近年来，光伏产业发展迅猛，主要得益于国家和地方政府对施工安装以及发电的补贴。虽然光伏发电站运行良好，但是随着时间的推移，光伏发电的管理维护问题就会凸显出来。不论是大型的光伏发电站，还是分布式的发电系统，都需要额外的管理。自2006年IBM公司提出“智能电网”解决方案，电网进入了智能化阶段，光伏发电也已经步入智能管理阶段。大型光伏发电站在这方面会做一些优化设计，对电池做统一的管理，而对于分布式的发电系统，由于比较分散，问题不好处理。目前分布式发电系统的检测主要是由汇流箱完成的［1-5］，通过汇流箱检测电流电压、温湿度等信息［6-8］，然后通过RS-485等方式传输数据到上位机进行相应判断［9-12］。但是汇流箱只能检测到串联回路单元，对位于汇流箱之下的几十个光伏组件则没有进行检测管理，而这些管理必然产生额外的费用。因此，有必要实现光伏发电的智能管理。通过增加相应的模块，监控每块光伏组件的发电状态并及时发现问题，有针对性地进行检修。基于上述思路，本文提出一种检测方案，描述了对分布式发电的智能化管理。

1 基本原理

当前分布式光伏发电系统一般由10～20个光伏组件串联成一个回路来增加电压，几个串联的回路在汇流箱处进行汇流以增加电流，其检测系统如图1所示。汇流箱对每个串联的回路单元进行检测，然后通过RS-485等方式将数据传给监控室的上位机进行管理［9-12］。为了实现检测每块光伏组件，只需在现有系统的基础上增加采集和传输模块。采集模块主要采集光伏组件的电压、电流等数据，光伏组件与汇流箱之间的数据传输采用无线方式，这些数据再由汇流箱传输出去。光伏组件的接线盒预留有空间，设计的模块可以嵌入在接线盒中。

图1 检测系统框图

2 检测设计

光伏组件的检测节点设计如图2所示，设计的内容主要包括电源的设计、电压检测、电流检测。控制芯片采用MSP430，工作状态指示灯用来指示当前发电状态，无线模块用来传输采集到的数据，通过拨码开关设计无线模块的地址。

图2 组件节点设计

对于电源的设计，可以直接从光伏组件取电。光伏组件工作电压可以达到30 V以上，因此，在设计时需要选用宽电压输入的DC-DC芯片，本文采用了TI公司的TPS54062芯片将电压稳定在 3.3 V作为电源输出给单片机等电路，其电路图如图3所示。

图3 电源设计

图4 电压检测电路

电流检测使用基于霍尔感应原理的电流检测芯片ACS712进行检测［13］，电路如图5所示。ACS712根据检测电流的大小分为3种型号，光伏组件的电流比较大，因此选用ACS712-20A芯片。ACS712-20A是一种输出电压与输入电流成正比的器件，其内阻为 1.2 mΩ，具有较低的功耗，其检测范围为-20 A～+20 A。该芯片检测电流受温度影响小，对于安装于户外温差变化大的光伏组件，检测产生的偏差较小。

图5 电流检测电路

ACS712-20A输出电压为：

目前汇流箱电压和电流的检测都只检测一次，瞬间的抖动会造成采集电压和电流误差。因此，为了消除瞬间抖动的影响，对光伏组件的检测采用多次采样求平均的方法。

3 通信设计

单片机采集的电压电流信息，通过无线传输给汇流箱。无线通信的本机地址通过拨码开关设定，这一设定在安装之时完成，单片机上电后读取拨码开关的值，并将该值设定为无线模块的本机地址。MSP430的采样精度为12位，因此AD采样的数据需要用2 B传输，采集电压和电流数据共占据4 B。数据由无线接收后，在汇流箱一端通过RS-485等方式传输到上位机。分布式发电系统，上位机对采集到的电压电流数据稍做比较处理即可知道光伏组件是否正常发电，并且能够知道哪块光伏组件出现问题。

接收端嵌入到汇流箱之中，一个接收端作为中心节点管理10～20个光伏组件节点的数据。通过组成星形网络来管理，通信协议时序如图6所示。

图6 通信协议时序图

首先由位于汇流箱处的中心节点发送开始采集数据的命令，各个组件节点都能接收到这个命令，然后进行多次采集数据求平均，得到电流电压数据。中心节点等待一段时间之后，开始轮询各个组件节点，组件节点判断接收地址是否与本机地址相符，若是，则提交数据，否则继续等待轮询。不同汇流箱的中心节点使用不同频率与各自的组件节点进行数据交换，这样可以避免数据的冲突。

4 结论

随着国家加大对光伏产业的扶持力度，光伏发电正在从“补充能源”过渡到“替代能源”，而智能化管理对这个过程起到很大作用。本文设计了一种光伏组件的检测管理系统，这种设计主要用于对分布式发电系统进行检测。光伏组件主要检测电压和电流，本文对这两个物理量的采集都是使用AD采样方式进行，为减小瞬间抖动产生的误差，使用多次采样求平均。电压检测使用电阻分压后，进入AD采样；电流检测首先利用霍尔传感器将其转换成电压输出，再通过电阻分压，然后进行AD采样。汇流箱中心节点与光伏组件节点的通信使用无线传输方式，无线传输的组网采用星形网络。汇流箱与上位机之间的通信方式使用RS-485，电压电流数据交由上位机进行处理，然后做相应的判断和保护。

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A detection management system design of distributed photovoltaic pow er generation

Ren Chaoyang，Cao Ziping，Yang Feng
（College of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

So far，photovoltaic power generation has stepped into intelligent management stage，and the detection work including detecting current，voltage，temperature and humidity is mostly done by combiner box.However，combiner box can only detect series circuit，and maintenance personnel should take a multimeter to find out which photovoltaic module is bad.This paper designed a detection management system of distributed photovoltaic power generation，which can detect each photovoltaic module，and the detection module is embedded in the junction box of photovoltaic module，reducing installation work.The collected data is transmitted to junction box in wireless way，and to upper computer through RS-485 and other ways.Upper computer can view the status of power generation，and judge whether a photovoltaic module is normal.

photovoltaic power generation；distributed system；Hall sensor；combiner box；wireless transmission

TM914.4

A

1674-7720（2015）24-0060-03

任朝阳，曹自平，杨锋.分布式光伏发电检测系统的设计［J］.微型机与应用，2015，34（24）：60-62.

2015-08-24）

任朝阳（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向：能量采集和传感技术。

曹自平（1974-），通信作者，男，博士生导师，主要研究方向：能量自维护的物联网及绿色无线传感网技术。E-mail：caozp@njupt.edu.cn。

杨锋（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：能量采集和传感技术。IEEE VTS 53rd Vehicular Technology Conference，VTC 2001 Spring，2001，4：3022-3026.

教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-13-0871）；国家自然科学基金项目（61372044）；江苏省高校自然科学研究重大项目（14KJA510002）