周紅標,劉 艷,殷榮華,丁友威

(淮陰工學院 電子與電氣工程學院，江蘇 淮安223003)

太陽能作為一種非常重要的可再生能源受到廣泛關注，光伏發(fā)電是目前利用太陽能最直接的一種方式[1-2]。光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心主要有太陽能板、控制器和逆變器。對系統(tǒng)核心部件進行實時監(jiān)測，采集系統(tǒng)運行的動態(tài)數(shù)據(jù)，不僅能夠確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行[3]，而且還可通過對數(shù)據(jù)的處理和分析，以進一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能[4]。

本文以STM32為核心設計了一個光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測裝置，能自動采集光伏系統(tǒng)中光伏板的環(huán)境溫度與光強、控制器側直流電壓與電流以及逆變器側交流電壓、電流、相位和頻率等信息。該裝置將數(shù)據(jù)A/D轉換后通過RS-232總線送至上位機。上位機的LabVIEW虛擬檢測平臺集數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等功能于一體，能夠?qū)夥到y(tǒng)的數(shù)據(jù)進行處理分析。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)分硬件采集裝置和上位機管理平臺兩部分。硬件采集裝置包括光強檢測模塊、溫度檢測模塊、電壓電流檢測模塊、STM32核心系統(tǒng)以及液晶顯示模塊等；上位機管理平臺采用虛擬儀器軟件LabVIEW來設計，包括數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、輔助模塊等。系統(tǒng)的整體結構框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 直流側電壓、電流測量

由于直流側電壓電流較小，因此采用采樣電阻結合運算放大器的方法監(jiān)測其電流。為盡量減小溫漂，采樣電阻選擇精度較高的康銅電阻。利用兩級差分比例運放并加以電壓跟隨器進行阻抗匹配，使其對被測電路的影響降到最低。電流的測量直接采用電阻分壓法。

2.2 交流側電壓的幅度、相位測量

AD8302集幅度與相位的測量功能于一身，能夠簡化幅相檢測模塊的設計，同時也提高了系統(tǒng)的性能?；贏D8302的測量電路如圖2所示。AD8302的管腳VMAG和VPHS直接與芯片反饋設置輸入管腳MSET和PSET相連，其測量模式工作在默認的斜率和中心點上(精確幅度測量比例系數(shù)為30 mV/dB，精確相位測量比例系數(shù)為 10 mV/°)。

在低頻條件下,對幅度和相位進行測量的方程式如下：

在幅度測量方程中,RFLSLP代表的斜率為600 mV/°或30 mV/dB,在中心點900 mV處,其增益為0 dB,-30 dB～30 dB的增益范圍對應于0 V～1.8 V的輸出電壓范圍；而在相位測量方程中，RFIΦ代表的斜率為 10 mV/°,中心點 900 mV所對應的相位為 90°,0°～180°的相位范圍對應于1.8 V～0 V的輸出電壓范圍。

2.3 光伏板光強、溫度測量

光伏板的能量輸出及光強與環(huán)境溫度密切相關，因而對光伏系統(tǒng)做精準的評估時必須精確、可靠地監(jiān)測光強、環(huán)境溫度以及組件溫度。光強模塊采用BH1750FVI數(shù)字型光強傳感器集成電路，其接近視覺靈敏度的光譜靈敏度與高分辨率可以檢測較大范圍的光強變化，同時內(nèi)部集成有A/D可直接輸出對應強度數(shù)字值；溫度模塊選用DS18B20溫度傳感器，其適應電壓范圍寬，擁有獨特的單線接口方式，支持多點組網(wǎng)功能可以實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫，溫度分辨率可達到 0.062 5℃，可在幾十毫秒內(nèi)完成溫度信號到數(shù)字信號的轉換并將其以 “一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送 CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。

2.4 STM32核心系統(tǒng)

STM32系列是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。本監(jiān)測系統(tǒng)選用其中性能較高的增強型STM32F103VET6作為核心器件，時鐘頻率可達72 MHz，具有一流的外設和優(yōu)異的實時性能，利用其內(nèi)部豐富的功能模塊，無需外擴芯片即可對各模塊采集到的數(shù)據(jù)信號進行多通道模/數(shù)轉換，并可采用JTAG仿真器進行調(diào)試。

2.5 RS-232通訊模塊

由于本系統(tǒng)只需要完成短距離內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送，故選用了RS-232通信芯片MAX232，具體電路如圖3所示。C1～C4及其對應引腳構成電荷泵電路,產(chǎn)生12 V和-12 V電源滿足RS-232串口電平的需要。

3 軟件設計

3.1 嵌入式軟件

本系統(tǒng)采用的開發(fā)平臺為經(jīng)典的Keil4。應用程序包括主程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序、串行通信程序、彩屏顯示程序4個主要部分。

主程序主要負責對系統(tǒng)時鐘、GPIO口、彩屏顯示、嵌套中斷的配置以及定時器、ADC和串行通信模塊的初始化。數(shù)據(jù)采集及處理程序中，由于STM32擁有著豐富的片上外設，STM32F103VET6內(nèi)部集成有兩個A/D，共 16個采樣通道，轉換速度達到 1 μs，所以設計采用了STM32自帶的A/D進行數(shù)據(jù)轉換。A/D采樣完成后會促發(fā)中斷，進而進入A/D中斷服務程序，進行數(shù)據(jù)的處理。串行通信程序則是通過RS-232總線將處理好的數(shù)據(jù)傳送給上位機。顯示模塊放棄了使用較普遍的12864液晶，而采用了基于ILI9341控制的彩屏，采用SPI接口與STM32進行通信。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

3.2 上位機軟件

虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW與硬件緊密結合，具有強大的數(shù)據(jù)采集功能。作為基于數(shù)據(jù)流的圖形化編程語言，對數(shù)據(jù)的操作和計算簡單高效，并且提供了豐富的圖表顯示功能[5]，可將經(jīng)過STM32集中處理后的光伏系統(tǒng)的參數(shù)進行實時存儲并繪制成歷史曲線直觀顯示，還可以利用LabVIEW的網(wǎng)絡功能進行網(wǎng)上發(fā)布，客戶端可以通過瀏覽器對系統(tǒng)進行在線監(jiān)測與維護。

圖4 主程序流程圖

本文將虛擬儀器技術應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測中，借助于LabVIEW強大的軟件支持構建了一個完整的光伏監(jiān)測和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便地對光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電特性及周圍環(huán)境進行實時監(jiān)測，得到可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)。選擇適合該系統(tǒng)的各監(jiān)測器件并結合STM32與 LabVIEW，所設計系統(tǒng)運行穩(wěn)定，界面友好，操作簡單方便，而且具有成本低、使用方便的特點，是一套通用的監(jiān)測系統(tǒng)，具有很好的應用前景。

[1]張鉦浩,陳虹,靳召東.基于光伏電站數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測儀表的設計[J].電測與儀表,2009,46(12)：48-51.

[2]張旭,亓學廣,李世光,等.基于 STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J].電子測量技術,2010,33(11)：90-93.

[3]朱士虎,王立巍.基于STC12C5408AD光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設 計[J].電 測 與 儀 表,2010,47(3)：20-23.

[4]吳蓉,李真真.太陽能光伏電池測試系統(tǒng)硬件電路設計[J].自動化與儀器儀表,2010(3)：156-157.

[5]謝標楷,沈輝,陳鳴.基于LabVIEW 的光伏運行數(shù)據(jù)庫設計和應用[J].太陽能學報,2010,31(8)：994-998.