基于远程监测的智能光伏汇流装置的设计

丁男菊

（无锡科技职业学院，江苏无锡，214028）

基于远程监测的智能光伏汇流装置的设计

丁男菊

（无锡科技职业学院，江苏无锡，214028）

本文研制了一套具有上位微机远程监测功能的智能光伏汇流装置，该装置以单片机ATmega16为控制核心，设计了汇流电路、电流和电压检测电路、温度检测电路、装置LCD显示电路、RS485通信电路等，编写了下位单片机软件；为实现上位机与下位机通信及对光伏汇流装置的在线监测，设计了基于LabVIEW的上位机监测软件，可实时显示光伏发电系统的参数，并可供用户查询历史数据以便进行统计分析。

汇流;监测;ATmega16;RS485;Modbus协议;LabVIEW

随着能源危机的日益严峻，各种可再生能源得到了长足的发展。在诸多的可再生能源中，光伏发电在未来有着广泛的应用前景，光伏产业是最有潜力的新能源之一。在太阳能光伏发电系统中，一般将单块光伏电池组件按一定的规格经过串联后，形成光伏组件串，然后并联接入光伏汇流装置，通过汇流、保护后，变为较少路的输出再输入到逆变器里，最后与市电相连，实现并网发电。在发电过程中，光伏组件的局部故障会导致整个供电系统输出电流或电压下降，直接影响系统性能和运行效率。为确保系统正常运行，应对光伏阵列进行状态监测，以便能及时地、有针对性地进行维护。据此，本文研制了一套智能光伏汇流装置，该系统具有远程监测功能，可实时显示光伏发电系统的发电参数，并保存在EXCEL表格中，供用户查询和统计分析。

1 智能光伏汇流装置整体设计

本文设计的光伏汇流装置的原理如图1所示，内置直流熔断器、断路器、防反二极管、光伏专用直流防雷器、监测模块等。

图1 智能光伏汇流装置内部原理图

本文设计的光伏汇流装置技术特点：

1)可将1～4路光伏组件串并联汇聚成一路输出，每路光伏组件串电流范围0～±16A，电压范围0～800V。

2)每路光伏组件串直流输入正负极都配有光伏直流熔断器，能及时隔离光伏组件出现故障的光伏串，提高发电效率，也可避免安装阶段错接或其他原因引起局部异常接线形成的过流危害。

3)每路光伏输入具有高电压防反二极管，可防止输出端的电流反向流入光伏组件或高电压的组件串向低电压的组件串流入电流，而造成电能的损耗或电池组件损坏。

4)在汇流装置直流输出部分并联了一个光伏直流专用的雷击浪涌保护器（即防雷器）。若发生雷击，防雷器会迅速将过大的电能泄放出去，确保汇流装置不受到雷击损害，也确保了电能的稳定性。

5)监测每路光伏组件串的输入电流、并联之后的输出电压、汇流装置的温度等参数，汇流装置配备液晶显示器，可在现场显示数据，方便监测和维护。

6)汇流装置带有RS485 接口可以把测量和采集到的数据上传到电脑，实现远程监测。

7)电量的测量电路及通信电路全部具有隔离，采用霍尔电流传感器实现电流测量的隔离测量，采用电压变送器实现电压的隔离测量，采用高速光耦实现RS485通信隔离。

8)上位微机实时显示电压、电流、功率、发电量、温度等参数，并带有数据库，能长期保存数据。

光伏汇流装置监测模块硬件结构框图如图2所的示。主电路以ATmega16单片机，为控制中枢，包括由传感器构成的电流电压检测电路、A/D转换电路、RS485总线通信电路、LCD显示电路等部分。原理图如图2所示，电流电压检测电路采集电压、电流模拟信号，通过A/D转换电路转换成数字信号，送至单片机处理，通过LCD显示四路电流、总电压及温度，拨码电路用于设定本装置的通信地址，下位机采用RS485通信总线连接至上位机，考虑到现在主流的笔记本电脑已经不再配置串口总线，取而代之的是高速传输的USB总线，所以使用RS485-USB的转接口接入上位机，上位机使用基于LabVIEW的监测软件显示和保存电流、电压、功率、发电量、温度等实时状态。

图2 智能光伏汇流装置监测模块原理图

2 监测模块硬件电路设计

2.1 主控MCU

监测模块主控芯片采用ATMEL公司生产的 Atmega16芯片，该芯片具有16K 字节的系统内可编程Flash，512 字节EEPROM，1K 字节 SRAM，32个通用I/O口线，32 个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器,片内/外中断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，8路10位ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，是一种低功耗、高性能微控制器。

2.2 电流、电压检测电路

该智能光伏汇流装置内电流的采样是选用霍尔电流传感器实现对光伏电流的隔离测量。采用HALLS公司的HBC20LSP闭环霍尔电流传感器，该传感器是利用高性能霍尔元件,采用霍尔闭环原理实现对直流、交流或脉冲电流进行电隔离测量，测量电压正比于被测电流，它具有响应时间快、精度高、线性良好、抗干扰强等特点。其测量范围为±20A，符合光伏汇流系统的额定输入电流测量要求，供电电源为5V，输出电压为2.5±2V，此范围正好是A/D转换器LCT1864的引脚能够承受的输入电压范围，所以无需进行电压转换，直接连接到的A/D转换引脚进行转换。如图所示是4个霍尔电流传感器测量电路中的一个，他们连接方式相同。图中的R21、C11起滤除高频干扰的作用，二极管D5、D6起输出限压保护的作用。

图3 霍尔电流传感器测量电路

为了实现电压的隔离测量，并且具有0～800V的大的测量范围，普通的电阻分压方法及霍尔电压传感器的测量方法不能实现，本设计采用电压变送器来实现。选用WS1251系列直流电压变送器，输入、输出、电源三端口隔离，输入电压范围0～1000V，输出范围0～5V，基本精度0.1%F.S.，响应时间小于等于10ms 。

图4 A/D转换电路

2.3 A/D转换电路

由于4路电流加上1路电压输入都要经过同一个ADC进行转换，所以需要一个模拟量切换开关实现模拟量的分时输入，本设计选用八选一模拟量切换开关CD4501实现这一功能。如图4所示。A/ D转换芯片LCT1864，是16位、250ksps的A/D转换器，采用单5V工作电源，开关电容器逐次逼近型，包括采样及保持电路，具有一个差分输入和一个可调基准引脚，采用三线式串行接口。

2.4 RS485通信电路

光伏汇流装置一般在室外靠近光伏阵列安装，从汇流装置到上位机之间的数据传输用RS485通信方式比较合适，RS485最大的通信距离约为1200m，最大传输速率为10Mb/s，RS485 采用差模信号传输方式，与地电平无关，因而其抗干扰的能力强，即便在信号电压较小的情况下也可获得稳定的传输。如图5所示用MAX485芯片实现,并使用高速施密特触发器输出光耦HIIL1实现主控板与通信线之间的电气隔离，该光耦具有较强的抗干扰能力,提高了通信的稳定性。

图5 RS485通信电路

3 软件设计

3.1 通信协议

上位机与光汇流装置的通信采用标准的Modbus协议，Modbus是一种工业通信和分布式控制系统协议，采用“查询—回应”通信模式，即主机发送查询请求和查询地址，目标从机上传查询结果。本设计采用 RTU传输信号帧模式编写数据通信程序，即“9600，n，8，1” ，波特率9600b/s ( 可选) ，无校验，8位数据位，1位停止位。采用CRC校验方式。使用Modbus功能码03H访问下位机地址表中所有数据。上位机查询请求命令帧格式如表1所示，下位机回应数据帧格式如表2所示。回应数据帧中数据段为电流1高位、电流1低位、电流2高位、电流2低位、电流3高位、电流3位低、电流4高位、电流4低位、电压高位、电压低位、温度高位、温度低位共12个字节。

表1 上位机查询请求命令帧格式

表2 下位机回应数据帧格式

3.2 单片机软件设计

下位单片机程序完成传感器采集信号的A/D 转换、LCD显示、与上位机通信收发的功能。串口接收采用中断方式，在主程序中，A/D 转换完成后，将数据处理后显示并储存，紧接着查询上位机是否有请求信息，如果有，将指定类型数据发送给上位机。

3.3 上位机软件设计

上位机程序采用 LabVIEW软件平台进行编写，LabVIEW是由美国国家仪器( NI) 公司研制开发的程序开发环境，主要用来进行数据采集和控制、数据分析和表达，它使用的编程语言是图形化编程语言，特点是以框图的形式产生程序。在本设计中要实现USB口与LabVIEW的通信及报表的制作，需要安装串口通信NI-visa函数库及报表生成工具包。

上位机软件主要实现与下位机串口通信、将下位机发送的数据进行处理及存储、实时以图表的方式显示数据变化情况等功能。

主程序架构采用while循环+事件结构，利用while循环每执行一次，采集一次下位机的数据。程序先利用串口配置函数，根据通信协议配置好参数后，进入while循环运行事件结构，利用事件结构的超时功能的特点（当设为-1，为永不超时），使得程序一直等待，当点击开始按钮后，触发开始按钮所对应的的事件，该事件将预先设定的时间（设为1ms）写入移位寄存器，触发超时结构运行；在超时结构中，利用利用visa串口写入函数，将上位机查询请求命令发送给下位机，触发下位机上传回应数据，利用visa串口读取函数取出数据，然后将下位机上传的数据解析出4个电流值，1个电压值，1个温度值，再通过计算得到功率、发电量的数据；由于visa串口读取函数每次读取的是单个数据，要利用while循环的移位寄存器以及数组函数，将单个数据变成数组，显示到图表中；利用labVIEW的报表生成工具包中的写入Execl函数，设置好Excel表格的抬头，将采集到的数据实时保存进Excel中，并以系统时间为名称保存到设定好的文件夹。前面板设计可显示的数据有四路光伏阵列电流，并联之后的电压、汇流装置温度、四路光伏阵列功率、总功率、总发电量等，根据需要在前面板切换显示。

下位机发回的数据依次包含地址、功能码、四路电流值、电压值、温度值、CRC校验码，总长17个字节，以十六进制格式传送到上位机，需要编写程序进行解析最后转化成可显示的数值。程序如图6所示，首先将接收到的十六进制格式数据转换成正常格式字符串；接着把正常格式的字符串中分段提取出电流、电压、温度值，并把十六进制数值转换成十进制数值；最后根据霍尔电流传感器输出电压的ADC值还原成电流值。

图6 电流数值解析程序

4 测试结果

将四路光伏组件串和负载接入汇流装置进行实际测试，汇流装置运行稳定，前面板实时显示的数据及曲线如图7所示。保存数据生成的Excel表格如图8所示。

5 结论

本文研制的智能光伏汇流装置以单片机为控制核心，设计了汇流电路、电流电压检测电路、温度检测电路，装置显示电路，通信电路、基于LabVIEW的上位机监测系统等，实现了对光伏发电系统中光伏组件阵列的汇流、保护、监测作用。最后通过整体测试，测试结果表明，该装置工作性能稳定，提高了光伏发电系统的可靠性和可维护性。随着光伏发电规模的不断扩大，智能化的光伏阵列汇流信号采集系统具有广的阔的应用前景，因此研究具有智能结构的汇流装置在光伏发电领域具有重要意义。

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丁男菊（1977.11），女，汉族，江苏省无锡市，讲师，硕士，研究方向：光伏应用技术、应用电子技术。

Design of intelligent photovoltaic confluent device based on remote monitoring

Ding Nanju
(Wuxi Science and Technologe College，Wuxi Jiangsu，214028)

This paper develops a set of intelligent photovoltaic confluent device with the host computer remote monitoring function,which is based on ATmega16,and designs the confluence circuit,current and voltage detection circuit,temperature detection circuit,LCD display circuit,RS485 communication circuit, and the software of the single chip computer.In order to realize the communication between host computer and single chip computer and on-line monitoring,the monitoring software based on LabVIEW is designed, which can display the parameters of PV system in real time,and can be used to query historical data for statistical analysis.

confluence;monitoring;ATmega16;RS485;Modbus protocol;LabVIEW

图7 前面板显示

图8 数据记录Excel表格