一种光伏板位置检测系统设计

胡呈祖

（鹏城实验室，深圳518000）

光伏发电作为一种新型发电技术，在世界范围内得到了推广[1]。利用超级硅制造的单晶硅以及多晶硅电池形成光伏组件，多个光伏组件组成光伏板[1-2]。光伏板之间通过串联的方式连接，类似于多个电池的串联，由此可获得高的电压，但当一个光伏板发生故障时，其它与之相连的光伏板不能正常工作[3-4]。光伏板主要是吸收太阳能将其转化为电能来发电，其安装位置和安装角度直接决定了太阳能的接收量[5-6]。本文创新性的将PLC（power line communication，电力线通讯）技术运用到光伏板位置监测上，实现了光伏板的在线实时监控，可及时了解每个光伏板的工作情况，无需人为到屋顶等较恶劣环境下巡查。

1 系统总体结构

光伏板物理位置检测系统主要由光伏板阵列及其控制器、逆变器控制模块、手机移动设备等组成，如图1所示。

图1 系统总体结构框图Fig.1 System overall structure diagram

光伏板组件方阵，由光伏组件串联而成，在光照时将太阳能转换成电能，是光伏系统的核心部件[7-9]。光伏板的控制器控制光伏组件的输出，实现MPPT（maximum power point tracking，最大功率点跟踪），同时与逆变器PLC 模块（PLC_CCO）经电力线进行数据交互。逆变器CPU（本系统采用STM32F407）获取各个光伏板位置、电压等信息后通过4G 模块向外传输至云平台/服务器，手机等带4G模块的移动设备，与云平台/服务器进行数据交互，检测和控制光伏板的状态，也可展示光伏板方阵发电情况、故障和检修信息报送等。

2 基于PLC 通信的硬件设计

光伏板物理位置检测系统中，核心部分为基于PLC 的电力线通讯，其硬件功能模块如图2所示。

硬件部分采用海思Hi3921 的PLC 芯片作为控制核心，一方面可通过UART 连接外围设备，另一方面产生高频信号，经放大电路放大后，耦合到电力线上，实现信号的发送。同时电力线上载波信号耦合进来，经滤波电路后，进入PLC，实现信号接收。在PLC的通信电路中，发送和接收部分的硬件电路相同。

图2 PLC 通信硬件结构框图Fig.2 Communication hardware structure block diagram of PLC

2.1 Hi3921 简介

电力线通讯技术是通过调制，把原来的信号变成高频信号加载到电力线进行传输，在接收端通过滤波器将调制信号取出解调，得到原有信号，实现信息传递[10-11]。Hi3921 可快速组建如图3所示的PLC-IoT 网络，支持大规模节点树形网络，支持动态路由和1000 个节点快速组网，可实现多网络协调共存。支持多种加密算法，集成丰富外围接口，提供开放、高效和安全的系统开发、运行环境。内含高性能Cortax-M3，工作频率达200 MHz，采用OFDM 技术和BPSK、QPSK 调制模式，满足国际检测标准EN50561、EN55022 等。图1 中逆变器PLC_CCO 即为CCO，各个光伏板控制器的通讯部分即为STA。

图3 PLC-IoT 网络图Fig.3 Network diagram of PLC-IoT

2.2 放大电路设计

Hi3921 芯片输出的信号幅值比较小，采用ST公司的STLD1 芯片可将Hi3921 输出的差分信号进行放大，增加信号驱动能力和抗干扰能力。STLD1 是针对电力线通讯的双线驱动器，差分输出可达36 V，输出平均电流1.5 A，宽范围电压输入，完全满足系统要求。实际应用过程中，STLD1 可放大单端信号和差分信号，通过调整相关电阻的阻值，实现放大倍数可调。Hi3921 的差分输出信号IN+和IN-，经STLD1 放大后，输出PA2 和PA1，电路如图4所示。

图4 放大电路Fig.4 Amplifier circuit

2.3 滤波电路设计

滤波电路的作用是对从电力线耦合过来的调制信号进行解调，得到原有信号，送至Hi3921 的接收端。PLC 信号要求去除低频小于150 kHz 和高频大于500 MHz 的信号，实际应用过程中采用无源带通滤波电路，如图5所示。

图5 带通滤波电路Fig.5 Band pass filter circuit

其中Vi是电力线上的PLC 信号，经变压器耦合后的信号，Vo与Hi3921 的接收端引脚相连。电感L1与电容C12并联，选择合适的电阻、电容、电感参数值，当输入信号Vi频率低于150 kHz 时，使电感阻抗较小，信号经L1到地，输出Vo接近0。当输入信号Vi大于500 MHz 时，电容阻抗较小，信号经C12到地，输出Vo接近0。

2.4 4G 传输电路

图1 中，逆变器的CPU 获取到光伏方阵的参数信息后，通过UART 串口将数据信息传递给4G 模块，4G 传输模块将所有数据打包后统一发送到云平台/服务器，用户通过手机等4G 设备访问服务器获取光伏方阵信息。4G 模块选用ME909S-821 全网通无线通信模块，如图6所示。

图6 4G 传输模块Fig.6 Transmission module of 4G

3 软件设计

系统软件设计主要包括PLC 信号传输程序、4G模块数据转发程序等。系统上电后，首先进行云平台/服务器操作，之后，逆变器的CPU 开始搜索其PLC_CCO 与光伏板控制器中STA 是否已完成组网，当组网完成后，光伏板发电和位置等信息经过电力线传输，逆变器的CPU 接收完数据后，将数据传输至4G 模块，4G 模块对数据进行处理后发送到云平台/服务器，软件流程如图7所示。

图7 软件流程Fig.7 Software flow chart

4 实验验证

4.1 PLC 通信测试

按上述软硬件设计开发了基于PLC 的光伏板位置检测系统，将光伏板方阵、逆变器等安装到某屋顶指定位置，并将其用专用电力线缆连接（逆变器并网部分线缆不连接）。搭建好实验环境后，启动系统，通过手机客户端发送组网指令，逆变器CPU从4G 传输模块接收到控制信号后，PLC_CCO 模块与光伏板控制器各个STA 开始组网，实现通信，PLC通讯波形如图8所示。

图8 PLC 通讯波形Fig.8 Communication waveform of PLC

由图可知，PLC_CCO 模块与各个光伏板控制器的STA 之间通讯波形正常，可正常组网。

4.2 光伏板位置检测

组网完成后，手机端收到反馈信息，表明整个系统通讯正常。手机客户端发送光伏板位置检测指令，逆变器CPU 下发白名单对光伏方阵的各个光伏板位置进行检索，最终将位置信息返回到手机客户端界面。每个光伏板都被指定为一个唯一的SN 码，通过解析SN 码可确定其唯一的位置，部分检测结果如图9所示。

图9 光伏板位置检测结果Fig.9 PV panel position detection results

由图可知，系统可很好地实现光伏板的位置检测，便于用户和检修人员获取其位置信息和在线状态。

5 结语

本文设计了一种基于PLC 的光伏板位置检测系统，本系统创新性的将电力线通讯技术运用到了光伏板位置检测上，无需安装通讯线缆，即可实现对光伏板的远程监测，减少了安装量和安装难度，降低了成本。实验结果表明，该检测系统，能准确获取光伏板的位置，为检修和维护光伏方阵提供了有力支撑。