基于ZigBee的光伏电站智能脱扣器设计与实现

摘要：当下光伏发电仍处于发展初期阶段，电站烧毁屡见不鲜，这对电站的线路保护机构有了更高的要求，本文基于实际工程环境，针对电站故障保护器件智能脱扣器可能会因光伏电站设计缺陷、方案不成熟等问题而不能正常工作的现象，设计了一种基于ZigBee的光伏电站智能脱扣器，其既能对光伏电站进行线路故障保护又能通过云端监控自身是否异常，具有很高的实际应用价值。

关键词：光伏电站  智能脱扣器  ZigBee  云端 ;

Design and Implementation of Smart Circuit Breaker for Photovoltaic Power Station Based on ZigBee

ZHOU Chao

（Soochow University， Suzhou， Jiangsu Province， 215000 China）

Abstract： At present， photovoltaic power generation is still in the early stage of development， and power station burning is common， which has put higher requirements for the circuit protection mechanism of the power station. Based on the actual engineering environment， aiming at the phenomenon that the smart circuit breaker of power station fault protection device may not work normally due to the design defects and immature scheme of photovoltaic power station， this paper designs an smart circuit breaker of photovoltaic power station based on ZigBee. It can not only protect the line fault of photovoltaic power station， but also monitor whether it is abnormal through the cloud or not. It has high practical application value.

Key Words： Photovoltaic power station; Smart circuit breaker; ZigBee; Cloud server

太阳能作为一种可再生的清洁能源，一直备受社会关注，光伏发电应运而生。然而随着光伏发电的不断地发展，光伏发电系统本身存在的一些问题也逐渐显露出来，如光伏电站的逆变系统会产生大量谐波[1]，这不仅会降低了电网的质量，还可能引起智能脱扣器的信号测量单元互感器发热损坏，从而失去线路保护功能，因此对光伏电站智能脱扣器远程监控必不可少。

1 总体架构设计

智能脱扣器承担着信号采集及在故障时控制断路器分断线路的任务[2]，是整个光伏电站系统不可或缺的环节，如图1.1为光伏电站系统构成图。

本设计智能脱扣器首先通过微处理器控制底层传感器完成光伏电站运行电气数据和环境数据的采集工作，其次使用ZigBee组网技术[3]将各站数据进行汇总，最后通过GPRS模块将汇总后的数据发送给云端[4]做存储分析，当光伏电站发生数据超标等异常情况时，智能脱扣器能进行故障保护，而云端能及时对管理人员推送报警信息。

2智能脱扣器终端设备硬件设计

智能脱扣器以ARM主控单元为核心，各模块相互独立工作，智能脱扣器硬件组成部分主要包括主控单元、信号采集与调理电路、执行单元、供电电路、人机交互单元、通信单元等，图2所示为智能脱扣器硬件结构框图。

2.1主控芯片介绍

本设计选取NXP的Kintest 系列的MK10DX256KQ10 芯片，其为ARM Cortex-M4内核，主频高达120Mhz ，拥有512K Flash和128K SRAM，内含DSP数字信号处理单元和浮点运算单元，能够高效快速地进行实时信号处理，该芯片具有丰富的通信接口、AD转换电路和外围控制电路，完全满足本次开发需求[5]。

2.2信号采集与调理电路

本次信号采集主要使用电流与电压互感器，互感器是一种将供电线路的电流或电压按比例转换成小电流或电压信号的电气设备[6]，调理电路对转换而来的电压、电流信号进行幅值和极性方面的转换，以适用于主控单元的A/D模块处理。其采用差分放大特性，以抑制如温度噪声等外界干扰，使用阻容器件构成低通滤波电路，以对信號中的高频噪声进行滤除。

2.3执行单元

脱扣电路的作用就是当主控单元发出故障脱扣信号时，其能够准确快速地驱动智能脱扣器进行脱扣动作。本次使用 MOS管作为电子开关，当主控单元发出脱扣信号，其就会导通继而磁通变换器通电产生脱扣动作。为了确定脱扣动作是否成功，还需要监测智能脱扣器的动作状态，本次使用光耦作为开关信号，当成功完成脱扣动作时，光耦将有电流输入，其输出端导通继而外围电路的电平转换，主控单元就能以此判断脱扣成功与否。

2.4人机交互

本系统以液晶显示器作为系统的输出设备，选用国产肇庆金鹏科技有限公司的OCM4X812864型液晶，可显示各种文字和图形，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可满足各种低功耗的要求，输入设备采用矩阵键盘，可方便地进行操作输入。

2.5电源电路设计

电源电路是系统硬件设计的重要部分，本次供电方式采用电流互感器自生电和电源模块供电，电流互感器二次端输出电流在经过全波整流后就能给主回路供电。为防止在电站运行电流较小时，出现电流互感器不足以为智能脱扣器供电情况，一般还需要外接电源模块。

2.6 通信电路设计

为了能高效、经济地将各电站运行数据进行汇总，本次选用ZigBee作为近距离无线通信方式，ZigBee技术具有低成本、低功耗和低速率等优势[7]，且传输距离适中，符合本次需求。将电站的运行数据传送至云端，还需要远距离实时通信技术，现有的成熟远程通信技术GPRS就能满足远距离、实时、低费用等需求。

3系统软件整体设计

本系统软件功能主要包括信号处理、故障保护处理、液晶显示与键盘操作处理、ZigBee组网、GPRS与云端的数据传输[8]。系统会实时根据相应的状态，对各个功能块进行调度，以满足智能脱扣器的实时性、可靠性的高标准要求。图3 所示为智能脱扣器系统整体软件功能图。

4 云端远程监控设计

云端远程监控是光伏电站系统的“中枢神经系统”，实现电站运行数据的存储、显示、处理、异常报警等功能，对判断光伏电站系统运行是否异常起着重要作用，本次设计借助有人云平台搭建云端监控管理系统，图4所示为组态后的云端主界面。

5 结语

通过对多起光伏电站烧毁事故分析，发现作为保护机构智能脱扣器可能因某种因素未能进行故障保护功能，本次所设计的智能脱扣器，不仅具有测量、故障保护、通信等基本功能，还具有云端远程监控功能，在其数据异常时能进行报警推送等操作，可在一定程度上减少了电站大事故发生的概率，随着光伏、风电等新能源行业的发展，更稳定、智能化的脱扣器必将在我国存在着巨大的潜在市场。

参考文献

[1]杨金鑫. 基于ZigBee的冷库环境监测系统研究[D].南京：南京理工大学，2020.

[2] 郭培军. ZNZ8-12型户内智能真空断路器关键技术研究[D].北京：中国电力科学研究院，2020.

[3] 周艳平，马维军.一种改进ZigBee算法及在温室监控无线网络中的应用[J].计算机测量与控制，2020，28（10）：91-95.

[4] 张仁昊. 建筑设备监控系统的云端设计与实现[D].济南：山东建筑大学，2020.

[5] 王玉丽.Kinetis系列MCU的保密和保护特性剖析[J].微型机与应用，2017，36（3）：26-28+32.

[6] 陈勇，李聪，刘升鹏.电子式互感器高频数据采集与传输方案[J].计算机测量与控制，2017，25（3）：205-208.

[7] Jing Zhang. Application of remote monitoring and management of high-speed rail transportation based on ZigBee sensor network[J]. EURASIP Journalon Wireless Communications and Networking，2019（1）： 1-8.

[8] 李宏俊，趙雪琼，孙瑜.基于GPRS和SVR的滑坡灾害远程监测系统设计[J].微型电脑应用，2021，37（6）：27-30.

作者：姓名 周超，1993 07  性别 男，民族 汉， 籍贯 江苏连云港，最高学历  本科，职称 学员，研究方向：电子与通信工程。