基于电力线载波通信技术的光伏板测控系统设计

胡文飞，张雅洁，卢志刚，孟海军，傅 爱

（1.温州职业技术学院 a.电气电子工程系；b.信息技术系，浙江 温州 325035；2.宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211；3.宁波奥克斯高科技有限公司，浙江 宁波 315211）

0 引 言

光伏发电设备被广泛应用于建筑物，建筑物发生火灾或其他需要该系统停止供电时，目前采用的措

施是让逆变器停止光伏直流电向交流电的转换，直流电输出仍存在，功率高达8kW的直流标准输出会给安全带来极大的隐患[1-2]。尤其是建筑物发生火灾时，用导电的物质（主要指水）灭火，会给消防员人身安全带来很大的隐患。美国能源部提出了行业推荐标准，要求太阳能供电系统在2020年以后具备10s内切断每个光伏板直流电压和逆变器输出电压的能力，否则设备将不予进口准入[3-5]。我国是全球光伏产品的主要生产国，占全球光伏产品产量的80%以上，如果在强制性标准执行之前无法解决该技术问题，将给光伏产业健康发展带来重大损失。本文采用电力线载波通信（Power Line Communication，简称PLC）技术，实现对单个光伏板紧急断电的控制和健康数据的检测，达到改造现有光伏发电设备和升级换代已有光伏发电设备的目的。

1 光伏板测控系统总体方案

1.1 系统功能需求

根据市场调研结果，并与国内几家光伏接线盒厂家沟通，光伏板测控系统有以下技术指标需求：

（1）光伏板测控系统中远置单元（Remote Terminal Unit，简称RTU）和中央处理器（Central Processing Unit，简称CTU）可集成在光伏接线盒中，具体尺寸为150mm（长）×150mm（宽）×50mm（高）。

（2）RTU和CTU通过简单的连接即可接入已有的太阳能发电系统中，实现对已有太阳能发电系统的升级改造。它们之间通过已有的直流电力线进行通信而不添加新的通信电缆。

（3）RTU完成对单个独立太阳能板电压、电流的检测和通断电指令的执行。

（4）CTU完成对20个RTU电压电流参数的巡检、断电指令的发出和断电状态的检测。通过422/485总线和以太网完成每个太阳能板健康数据的上传和断电状态的上传。系统10s内完成20个太阳能板的断电操作。

1.2 系统总体方案

根据系统功能需求，提出基于PLC技术的光伏板测控系统设计方案，如图1所示。系统包括多个光伏板、逆变器和多个RTU, CTU, 以及急停开关和远端检测设备接口。其中典型的为20个光伏板，每个电压为直流48V左右，电流正常工作为8A左右，串联可产生1 000V左右的直流电压，进入逆变器直接完成对220V, 50Hz的交流市电转换，此时逆变器设计最简单，效率最高，光伏发电设备性价比最高。

2 光伏板测控系统设计

光伏板测控系统硬件包括光伏板、逆变器、RTU和CTU，以及急停开关和远端检测设备接口[6-7]。其中，光伏板、逆变器和急停开关采用目前已有设备，本文主要对CTU和RTU进行硬件设计和软件设计。

图1 基于PLC技术的光伏板测控系统

2.1 CTU硬件设计

CTU硬件部分包括物理急停开关、MCU处理器、PLC模块、422/485总线通信模块和以太网通信模块。考虑到产品的标准化、小型化和多样化，通信模块均以模块化单独实现。

（1）MCU（微处理器）。采用TI公司的16位超低功耗的混合信号处理器（Mixed Signal Pocessor）。其内部集成了丰富的外设接口和超高的性能，足以处理所有模块通信，同时由于它的超低功耗特性，能有效降低电路功耗。本文采用SPI总线与PLC模块进行通信，两个通用异步串口USART0和USART1分别与422/485总线通信模块和以太网通信模块进行通信，如图2所示。

图2 CTU硬件设计

（2）PLC模块。基于HL-PLCS520的PLC模块结构，体积超小，是市场上体积最小的载波通信模块。采用PLC模块，用户可方便地在交流或直流环境下进行电力线载波通信，同时在不通电的空导线上同样适用。PLC模块在抗干扰能力、工作稳定性、模块体积、使用方便性方面有了全面提升，是目前市场上同种调制方式下最稳定可靠的模块。HL-PLCS520F芯片内部结构如图3所示。HL-PLCS520芯片时钟控制单元产生的时钟和电源管理模块产生的3.3V的电压可为MSP430单片机提供工作时钟和工作电压，通过SPI接口与单片机进行数据通信，采用FSK调制方式，进行半双工通信，电力线最高通信速率为4 800bpS，在室外条件下可实现200m的可靠通信。

图3 HL-PLCS520F芯片内部结构

PLC模块的信号发送与接收。信号通过电容C8隔离直流，利用稳压二极管D1限制幅值，通过电感和变压器进行数据耦合；接收无源电路由解耦合电容、线性变压器和LC串联谐振回路组成，是一个串联谐振电路，最终产生的RX-IN信号进入HLPLCS520芯片进行解调；接插件P4，既可与直流电力线连接也可与交流电力线连接。PLC模块的信号接受与耦合电路如图4所示。HL-PLCS520芯片发出的调制信号，通过电阻R11和电容C11组成的无源低通滤波器，经两级电容C10和C9进行直流隔离与信号取正向；通过VCC9V和电阻R7进行驱动，利用稳压二极管进行数据的限幅和去除负电压，通过耦合电路进行数据的发送（见图5）。

图4 PLC模块的信号接收与耦合电路

图5 PLC模块的信号发送电路

（3）422/485总线通讯模块。该模块主要完成强制断电指令的下达和结果反馈，太阳能板电压电流数据的接收；主要与近距离通信设备相连接，紧急情况下实施断电操作。该模块采用MAX485接口芯片和单一电源+5V工作，额定电流为300μA，为半双工通讯方式；完成将TTL电平与422/485总线电平的转换，MAX485芯片结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。

（4）以太网通讯模块。该模块主要完成远程断电指令的下达结果反馈，太阳能板电压电流数据的接收；主要与远距离通信设备相连接，主要查询光伏发电系统工作状态，也可实施远程断电操作。该模块采用美国微芯科技公司（MICROCHIP）推出的ENC28J60，为28引脚独立以太网控制芯片，是目前以太网控制芯片中的最小封装形式。另外，它符合IEEE802.3的全部规范，采用一系列机制限制传入数据包，提供一个内部DMA模块，使快速数据吞吐及硬件支持的IP校验和计算得以实现。ENC28J60与主控单片机的通信通过两个中断引脚和RJ45实现数据传输速率高达10Mb/s。

2.2 RTU硬件设计

图6 RTU急停按键控制设计

RTU硬件部分基本与CTU硬件部分相同，少了422/485总线通信部分和以太网通信部分，多了光伏板急停按键控制部分（见图6）和电压电流采集部分。由图6可知，N个光伏板等效N个电池串联，当RTU接收CTU发出急停指令时，会同时断开N个光伏板的按键K1, K2，完成强制断电指令的执行。另外，当CTU检测光伏板N工作状态异常时，会断开控制按键K1，同时闭合控制按键K2，完成对问题光伏板的隔离和状态信息的上传。数据通过RTU的总线传给远端检测系统，达到远程实时检测整个发电系统光伏板的工作状态的目的[8]。

2.3 CTU和RTU的软件设计

CTU和RTU的软件工作流程如图7所示。由图7可知，先对软件自身的各种配置进行初始化，包括串口初始化、SPI接口初始化、PLC通信初始化。程序进入正常工作模式以后，主要是接收CTU发送的状态数据。CTU采用巡检的形式对目标RTU进行数据读取，目标CTU把采集到电压电流和按键状态通过PLC发送给CTU；CTU把接收到的数据通过422/485总线通信模块和以太网通信模块把数据上传给远端检测单元。当CTU接收到急停指令时，通过广播的形式向网络内所有RTU发布断电指令，RTU接收到断电指令，执行各自断开K1, K2的操作，通过检测电压电流值确定断电状态，并把数据传送给CTU。

图7 CTU和RTU的软件工作流程

编写软件时把强制断电指令设为中断形式实现。把按键断电指令设为第一优先级，422/485总线断电指令设为第二优先级，远程以太网指令设为第三优先级，并设置密码，防止误操作。

2.4 系统小型化集成

光伏板测控系统硬件部分主要包括RTU和CTU，按照设计要求，RTU和CTU必须可单独集成在已有的光伏接线盒中。目前，市场上光伏接线盒的尺寸为不大于150mm（长）×150mm（宽）×50mm（高）。通过与厂家协商，根据不同用户需求，要求做到产品的标准化、模块化和多样化。根据系统功能不同的模块化设计，把MCU和PLC功能模块集成为一个尺寸（45mm×45mm）的硬件单元，把串口转422/485总线功能模块集成为一个尺寸（18mm×45mm）的硬件模块，把串口转以太网通信功能模块集成为一个尺寸（30mm×15mm）的硬件模块（见图8）。这些模块很容易放在一个尺寸（100mm×90mm）的光伏接线盒中，模块之间采用总线的形式进行连接。采集电路和开关控制电路可直接放在智能光伏接线盒中。这样可依据客户需要对产品进行定制。一般场合都采用以太网通信模块，通过远程对光伏发电系统进行数据检测，采用急停开关完成现场的紧急断电。在大型专用光伏设备中多采用422/485总线通信模块。集成RTU和CTU的光伏接线盒称为智能光伏接线盒，如图8d所示。智能光伏接线盒可不改变原光伏发电系统连线，直接替换原有光伏接线盒，完成对已有光伏发电系统的简单升级改造，提高效率，降低成本。

图8 智能光伏接线盒和不同尺寸功能模块

3 测 试

2018年7—12月，对光伏板测控系统进行为期半年的测试，测试环境分为室内和室外。室内环境测试主要验证系统功能，侧重于功能实现和通信误码率计算。测试结果表明，系统可通过急停开关、422/485总线和以太网进行紧急断电，在5s内完成20个智能光伏接线盒的断电工作；对每个单元的光伏板进行电压电流和工作状态的查询；RTU自动识别有问题的光伏板使故障隔离；直流PLC稳定可靠，无丢包和误码的现象。室外环境测试主要验证系统在高温潮湿环境的可靠性。测试结果表明，系统可在45℃高温、暴雨和连续阴雨的环境中稳定工作，只有在雷电情况下会出现误码的现象，但通过软件对数据进行存储、多次重发和错误校验算法处理后即可解决该问题。同时，系统可在不改变光伏发电系统接线前提下做到对已有光伏发电系统的升级换代；可集成在比任务要求更小的光伏接线盒中。室内环境和室外测试都证明了系统可在光伏发电系统中稳定可靠地工作。

4 结 论

基于电力线载波通信技术的光伏板测控系统，总体技术指标优于任务要求，大大降低了设备升级维护的成本，提高了工作效率。系统既可用于已有光伏发电系统的改造，也可用于产品的升级换代。目前，系统已应用于宁波奥克斯高科技有限公司光伏变电箱的智能化改造项目中，已申请3项专利，但仍存在与光伏变电箱欧标和美标的软件匹配问题。