薛家祥，陳振升，沈 棟，肖 健，廖天發(fā)

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

近年來，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使社會(huì)對能源利用的效率性和安全性越來越重視，可再生能源的光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。在電力電子技術(shù)領(lǐng)域上，傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)是一種基于大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓進(jìn)行集中式單一供電，然而單一的大電網(wǎng)供電存在電力質(zhì)量問題和安全隱患問題，已逐漸不滿足社會(huì)發(fā)展的要求。基于光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)的分布式發(fā)電系統(tǒng)正好解決了單一的大電網(wǎng)供電所帶來的缺陷，光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)的不斷發(fā)展，使得分布式發(fā)電成為新能源系統(tǒng)中具有廣闊的發(fā)展前景[1]。

光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)的分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展中，微逆變器數(shù)量龐大而且每個(gè)微逆變器都配置一個(gè)獨(dú)立的顯示模塊，不僅會(huì)加大發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，同時(shí)使用戶不能及時(shí)掌握微逆變器的工作情況和發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)的分布式發(fā)電系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的單一大電網(wǎng)供電系統(tǒng)，優(yōu)勢在于能夠快速定位發(fā)電故障位置，因此建立一套安全的、智能的、實(shí)時(shí)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的[2-3]。

本文提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能光伏微逆變器分布式發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對光伏微逆變器分布式發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和各微逆變器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)通過手持移動(dòng)顯示終端實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測和控制。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏微逆變器分布式發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，包括移動(dòng)監(jiān)控終端和上位機(jī)監(jiān)控中心兩組人機(jī)交互監(jiān)控系統(tǒng)。移動(dòng)終端是使用8寸的液晶顯示裝置，裝有自主設(shè)計(jì)的集成ZigBee通信控制核心模塊，與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信監(jiān)控。上位機(jī)則通過RS232協(xié)議與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of control system

本系統(tǒng)中能夠同時(shí)監(jiān)控至少50臺以上的微型光伏逆變器，收集分布式發(fā)電系統(tǒng)的瞬時(shí)發(fā)電功率、日發(fā)電總量、月發(fā)電總量、年發(fā)電總量，使用戶能夠?qū)崟r(shí)清晰觀察發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)方便專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)分析[4]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信主要由光伏微逆變器集成的SPI、UART通信接口進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。

微逆變器通過傳感器對系統(tǒng)運(yùn)行期間的太陽能板的電流電壓信號、并網(wǎng)電流等信號進(jìn)行檢測，并通過運(yùn)算轉(zhuǎn)換后儲(chǔ)存起來，然后由SPI通信模塊通過主機(jī)從機(jī)模式，將參數(shù)傳送到ZigBee節(jié)點(diǎn)，再由ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送到ZigBee路由器中進(jìn)行功率放大，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端的ZigBee通信控制核心模塊，再通過UART通信將數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示裝置上，完成移動(dòng)監(jiān)控終端的通信；另一方面，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳送至ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再傳給功率接口單元，經(jīng)RS485通信接口傳送到上位機(jī)監(jiān)控中心。網(wǎng)絡(luò)通信流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信流程圖Fig.2 Network communication flow chart

用戶也可以通過PC上位機(jī)或移動(dòng)終端輸入相應(yīng)的指令，對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置，使微逆變器進(jìn)入不同的工作狀態(tài)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 ZigBee模塊方案

微逆變器分布式發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)中，逆變器一般裝于戶外，用戶監(jiān)控中心則存在于屋內(nèi)，此時(shí)信號的收發(fā)必然受到一定的障礙，為此本文的ZigBee模塊方案配上RF放大器，提高ZigBee芯片的發(fā)射功率[5]。

2.1.2 ZigBee通信硬件電路設(shè)計(jì)

ZigBee通信硬件框圖如圖3所示。該ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件為一集成模塊，配合定義好的相關(guān)通信命令協(xié)議，便能接收命令和數(shù)據(jù)。

該ZigBee通信模塊的功能有：（1）進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的下傳和上傳，對外置模塊傳輸?shù)拿詈蛿?shù)據(jù)進(jìn)行解釋。（2）命令和數(shù)據(jù)接受并解釋完成后，采集板將數(shù)據(jù)按自行定義的通信協(xié)議打包成數(shù)據(jù)幀。（3）數(shù)據(jù)幀上傳至ZigBee無線模塊，完成數(shù)據(jù)的無線接收和發(fā)送。

采集板與ZigBee模塊采用SPI通信方式。SPI通信接口采用四線制，具有獨(dú)立的同步時(shí)鐘，故隨著通信速率增加，數(shù)據(jù)亂碼率比異步通信UART低，而且傳送數(shù)據(jù)的速度相對較快，一般可達(dá)Mbps級別。更重要的是ZigBee模塊與采集板的控制核心LM3S8962均支持該種通信方式，并支持SPI通信的DMA操作和中斷響應(yīng)。

圖3 ZigBee通信硬件框圖Fig.3 ZigBee communication diagram

2.2 移動(dòng)顯示終端的設(shè)計(jì)

移動(dòng)顯示終端由8寸液晶觸摸顯示屏、ZigBee通信模塊、LM3S8962采集板、電源模塊和外部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能模塊組成。8寸液晶觸摸顯示屏具有異步串行通信功能，內(nèi)部集成數(shù)據(jù)指令集，方便用戶調(diào)用。外部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊用來保存采集板收集回來的數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存發(fā)電系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和對比。電源模塊為5 V的聚合物鋰電池帶有充放電管理電路，具有充放電過流保護(hù)功能。

移動(dòng)顯示終端通過與采集板數(shù)據(jù)交換，收集分布式發(fā)電系統(tǒng)的瞬時(shí)發(fā)電功率、日發(fā)電總量、月發(fā)電總量、年發(fā)電總量，顯示數(shù)據(jù)每秒刷新一次。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)

光伏微逆變器分布式發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信與組網(wǎng)軟件開發(fā)、移動(dòng)顯示終端軟件開發(fā)和上位機(jī)軟件開發(fā)。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信與組網(wǎng)

本系統(tǒng)的ZigBee無線通信軟件采用TI公司的ZigBee2007/PRO協(xié)議棧，進(jìn)行配置ZigBee無線通信模塊的協(xié)調(diào)器，建立網(wǎng)絡(luò)，允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)中，分配相關(guān)邏輯地址[6-7]。ZDO_COORDINATOR是Zig-Bee協(xié)調(diào)器條件編譯選項(xiàng)，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，在相應(yīng)配置文件中選用#defined ZDO_COORDINATOR，則將在ZigBee2007/PRO協(xié)議棧中，選取該設(shè)備為協(xié)調(diào)器。

當(dāng)協(xié)調(diào)器初始化完成后，PAN網(wǎng)絡(luò)開始自行組建，然后其他相關(guān)設(shè)備允許進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其他設(shè)備申請入網(wǎng)時(shí)，會(huì)觸發(fā)入網(wǎng)事件，待設(shè)備申請入網(wǎng)事件完成后，此時(shí)協(xié)調(diào)器便能進(jìn)入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)接收狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信模式設(shè)置完成后，ZigBee無線模塊便可通過SPI接口與LM3S8962采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)雙方定義的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，在ZigBee2007/PRO協(xié)議棧中，只需調(diào)用void SampleApp_MessageMSGCB（afIncomingMSGPacket_t*pkt）函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，再由SPI發(fā)送回采集板，此時(shí)外置裝置便能從采集板中讀回?cái)?shù)據(jù)。ZigBee協(xié)調(diào)器與采集板的數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 SPI接口數(shù)據(jù)格式Tab.1 SPI interface data format

3.2 移動(dòng)顯示終端的軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端的控制核心主要通過采集板的處理器LM3S8962實(shí)現(xiàn)，顯示終端采集板的主程序流程如圖4所示。在主程序中，主要完成兩大主要通信接口UART和SPI的通信狀態(tài)處理，判斷任務(wù)是液晶觸摸信號，還是無線接收發(fā)送數(shù)據(jù)信號，再進(jìn)行任務(wù)處理。關(guān)鍵的核心程序均集合在無線指令集和觸摸指令集中，兩個(gè)指令集分別是進(jìn)行無線任務(wù)處理，以及觸摸屏執(zhí)行人機(jī)交互任務(wù)的核心。

圖4 終端采集板的主程序流程圖Fig.4 Main terminal acquisition board flow chart

在程序中定義unsigned char cmdbuf[256]；其中cmdbuf為指令存儲(chǔ)空間。數(shù)據(jù)均以自定義協(xié)議規(guī)定的形式組成，如表2所示。開頭幀用以區(qū)別觸摸指令（0XAA）的無線指令（0XBB），指令存儲(chǔ)空間的第二位為任務(wù)類別共有255種，第二位則為所要處理的數(shù)據(jù)信號，指令存儲(chǔ)空間最后三位則為結(jié)束符0xCC、0X32、0X23，代替該指令的結(jié)束信號。

表2 指令集數(shù)據(jù)幀格式Tab.2 Instruction set data format

對于液晶屏人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)主要通過相關(guān)的圖形處理子程序?qū)崿F(xiàn)，如切屏任務(wù)函數(shù)如下：

void CMD_Picture（unsigned char num）

{

Picture_CMD[2]=num；

UARTSend（Picture_CMD，sizeof（Picture_CMD））；

}

其中unsigned char num為切屏事件中圖片編號，Picture_CMD[2]為切屏任務(wù)的切屏指令，即圖片編號。

移動(dòng)顯示終端的人機(jī)交互界面如圖5所示。該人機(jī)界面，包括登陸界面，分布式發(fā)電監(jiān)控界面，微逆變器狀態(tài)監(jiān)控界面，以及發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電統(tǒng)計(jì)界面。界面設(shè)計(jì)了四個(gè)子菜單實(shí)時(shí)監(jiān)控、模塊配置、功率曲線、電量曲線，點(diǎn)擊時(shí)調(diào)用切屏函數(shù)CMD_Picture（）切換界面。移動(dòng)顯示終端的顯示分兩個(gè)層，整套圖形界面均以圖片BMP格式儲(chǔ)存于圖形層中，數(shù)據(jù)層在圖形層的基礎(chǔ)上顯示，該模式用于區(qū)分任務(wù)，提高采集板的任務(wù)處理能力。

圖5 移動(dòng)終端顯示界面設(shè)計(jì)Fig.5 Mobile terminal display interface design

3.3 上位機(jī)系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)中的上位機(jī)通信采用RS485通信方式。電腦PC端的上位機(jī)監(jiān)控軟件，為本系統(tǒng)最高級的監(jiān)控平臺，其通信數(shù)據(jù)協(xié)議采用Modbus協(xié)議，進(jìn)行RS485通訊，再采用RS485轉(zhuǎn)USB接口模塊與PC端上位機(jī)建立通信。上位機(jī)采集板為監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集中心，負(fù)責(zé)收接傳送微逆變器的數(shù)據(jù)信號，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與微逆變器之間的遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)服務(wù)流程如圖6所示。

圖6 上位機(jī)服務(wù)流程圖Fig.6 PC service flow chart

4 系統(tǒng)測試

搭建光伏微逆變器分布式發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)，并分別對上位機(jī)和移動(dòng)終端進(jìn)行性能測試。

4.1 上位機(jī)功能測試

上位機(jī)第一次運(yùn)行時(shí)，需要設(shè)置COM口和波特率才能建立數(shù)據(jù)通信，設(shè)置完成等待3 s后，Zig-Bee通信模塊初始化并自動(dòng)組網(wǎng)，組網(wǎng)完成提示登陸，進(jìn)入微逆變器監(jiān)控界面，如圖7所示。

圖7 微逆變器監(jiān)控界面Fig.7 Micro-inverter control interface

通過選擇菜單選項(xiàng)，可以查看系統(tǒng)的發(fā)電情況和歷史日志。用示波器測試RS485通信接口的電平變化，從上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)完畢，到采集板開始回送數(shù)據(jù)，只間隔了8.56 ms，整個(gè)通訊僅僅用了25 ms左右。

4.2 移動(dòng)終端性能測試

對移動(dòng)終端性能測試主要包括人機(jī)界面及其切換的流暢性，功能性測試，數(shù)據(jù)刷新頻率，控制響應(yīng)時(shí)間。實(shí)際運(yùn)行時(shí)效果如圖8所示。

圖8 電量統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 Consumption statistics chart

在不同距離對移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，其界面切換流暢，數(shù)據(jù)更新頻率約為1次/s，符合人機(jī)互動(dòng)顯示的要求。

5 結(jié)語

本文提出一種利用ZigBee無線通信技術(shù)，采用8寸串口通信液晶屏作為移動(dòng)手持終端，研制出一套基于LM3S8962的采集板，開發(fā)了一套基于Zig-Bee無線網(wǎng)絡(luò)通信的光伏微逆變器分布式發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。通過對監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)通信功能和移動(dòng)終端進(jìn)行測試，上位機(jī)通信效率高，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性好，移動(dòng)終端數(shù)據(jù)刷新時(shí)界面切換流暢，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示的要求。

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