梁新田

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基于DSP的多功能測(cè)控儀表的設(shè)計(jì)

梁新田

（北京科諾偉業(yè)光電科技有限公司，北京 100089）

本文設(shè)計(jì)了一種以DSP作為核心部件，應(yīng)用于光伏直流配電柜中的多功能測(cè)控儀表。這種多功能測(cè)控儀表，不僅解決了電池板防反問(wèn)題，不再需要另外增加防反二極管來(lái)保護(hù)光伏陣列，而且實(shí)現(xiàn)了直流配電柜的電壓、電流顯示以及過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)等功能。

DSP；測(cè)控儀表；防反二極管；配電柜

光伏直流配電柜主要應(yīng)用在大型光伏電站，將前端光伏匯流箱輸出的光伏組件電源再次進(jìn)行匯流后接入后端光伏并網(wǎng)逆變器，并提供防雷及過(guò)流保護(hù)[1]。有的直流配電柜采用霍爾傳感器可以對(duì)每路輸入電流、電壓進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)可以監(jiān)控?cái)嗦菲?、防雷器狀態(tài)，并通過(guò)配置RS 485接口，把測(cè)量和采集到的數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。

1 直流配電柜的組成

對(duì)于不同的光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目，系統(tǒng)對(duì)直流配電柜的功能要求不同。它可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行自由配置，一般輸入有6～12路，輸出有1～4路，其中8進(jìn)1出的最為常見(jiàn)。直流配電柜主要由圖1中的幾部分組成。

1）柜體

直流配電柜主要安裝在箱式逆變房?jī)?nèi)，柜體采用金屬材料，防護(hù)等級(jí)不低于IP20，其尺寸可以根據(jù)逆變器尺寸進(jìn)行調(diào)整。柜門一般用鍍鋅轉(zhuǎn)軸鉸鏈，以防門與柜體直接碰撞，并加強(qiáng)柜體防護(hù)等級(jí)。直流配電柜金屬框架均具有良好的接地，柜門與柜體采用編制銅帶可靠連接。

2）斷路器

直流配電柜的進(jìn)線采用光伏專用直流斷路器，用于線路的分合閘，其額定電壓不低于直流1000V，極限分?jǐn)嗄芰Σ恍∮?0kA[2]。每個(gè)直流斷路器選用固定式板前接線，柜內(nèi)采用雙層門結(jié)構(gòu)，所有導(dǎo)電部件均有防護(hù)措施以防止人手觸及。直流配電柜出線不配置出線斷路器，通過(guò)兩段匯流母線與光伏并網(wǎng)逆變器連接。

3）防反二極管模塊

防反二級(jí)管模塊包括防反二極管、散熱器和軸流風(fēng)機(jī)。防反二極管采用模塊化設(shè)計(jì)，利用其單向?qū)ㄌ匦源?lián)在每一回路的正極，以防止組串之間產(chǎn)生環(huán)流、倒灌等現(xiàn)象。防反二極管安裝在散熱器上，通過(guò)連接母排與對(duì)應(yīng)的直流斷路器連接，散熱器采用鋁合金材質(zhì)，通過(guò)熱傳導(dǎo)散發(fā)二極管產(chǎn)生的熱量。軸流風(fēng)機(jī)通過(guò)溫控開關(guān)或時(shí)控開關(guān)，配合繼電器輸出實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的起停，增強(qiáng)散熱器的散熱效果。

4）電涌保護(hù)模塊

電涌保護(hù)模塊采用光伏發(fā)電系統(tǒng)專用的防雷產(chǎn)品，具有放電電流大、限制電壓低等特點(diǎn)。它被安裝在直流輸出母排上，當(dāng)雷電侵入電源傳輸線時(shí)，該模塊迅速啟動(dòng)，將雷電泄放到大地，并把雷電過(guò)電壓限制在允許承受的耐壓范圍之內(nèi)，以確保光伏直流配電柜的安全運(yùn)行。

5）數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用高性能霍爾傳感器和多路模擬量輸入模塊，對(duì)每路輸入電流和電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量。多路數(shù)字量模塊采集直流斷路器及防雷器的狀態(tài)，最終變換為標(biāo)準(zhǔn)的RS 485數(shù)字信號(hào)輸出，方便用戶與監(jiān)控系統(tǒng)連接。

2 多功能測(cè)控儀表

采用防反二極管模塊的方式具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率消耗大、投資成本高等缺點(diǎn)。對(duì)防反二極管的選型至關(guān)重要，如果選擇不好，就會(huì)增加直流配電柜的故障率，影響光伏電站的安全運(yùn)行。為此，自主研發(fā)的多功能測(cè)控儀表，取消了防反二極管模塊，不但解決了電池板防反問(wèn)題，而且實(shí)現(xiàn)了直流配電柜的過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)等功能。本儀表具有10路模擬量輸入，2路開關(guān)量輸入，8路繼電器輸出功能，并配有對(duì)外通信接口，方便系統(tǒng) 監(jiān)控。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

多功能測(cè)控儀表采用TI公司的TMS320F2808系列DSP處理器和其他外圍擴(kuò)展芯片等，主要由數(shù)據(jù)采集單元、分勵(lì)脫扣控制單元和通信單元三部分組成[3]。其中數(shù)據(jù)采集單元又包括匯流排電壓和各支路電流的采樣、斷路器及防雷器開關(guān)狀態(tài)采樣。通過(guò)巡回采樣，判斷直流配電柜是否有故障發(fā)生，再根據(jù)故障類型決定是否執(zhí)行斷路器分勵(lì)脫扣動(dòng)作和是否上傳報(bào)警信息。

模擬信號(hào)的采集采用電流霍爾元件，把大信號(hào)轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)調(diào)理電路送入DSP芯片的ADC接口[4]。對(duì)于各支路電流的采樣，通過(guò)在直流輸入母排串入電流霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)直流側(cè)電流，其采樣電路如圖2所示。電流霍爾傳感器使用LEM公司的HAS 200-S/SP50產(chǎn)品，額定輸入電流為200A，原邊電流測(cè)量范圍為±900A，輸出電壓為±4V±40mV，電源電壓為±12～±15VDC。電流霍爾傳感器輸出信號(hào)加上1.5V的電壓偏置，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后，形成0～3.3V內(nèi)的電壓信號(hào)，保證輸出電壓滿足AD輸入信號(hào)范圍。

多功能測(cè)控儀表配有干接點(diǎn)的開關(guān)量輸入，其電路如圖3所示。當(dāng)開關(guān)S1打開時(shí)，光電耦合器KF2的二極管側(cè)無(wú)電流通過(guò)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出OUT為低電平；當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)，光電耦合器KF2的二極管側(cè)有電流通過(guò)，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出OUT為高電平。這樣輸出OUT的高、低電平分別對(duì)應(yīng)開關(guān)S1的合、分狀態(tài)。此處光耦將輸入、輸出間相互隔離，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力[5]。

分勵(lì)脫扣控制單元的電路如圖4所示。當(dāng)DSP的輸出端Fault輸出高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，Q2的基極被拉低導(dǎo)通，繼電器K1的線圈得電，常開觸點(diǎn)吸合，此路控制塑殼斷路器的分勵(lì)脫扣線圈得電，斷路器發(fā)生脫扣動(dòng)作；當(dāng)DSP的輸出端Fault輸出低電平時(shí)，三極管Q1截止，Q2的基極被抬高截止，繼電器K1的線圈失電，常開觸點(diǎn)斷開，斷路器無(wú)動(dòng)作。其中反并聯(lián)二極管D1為線圈續(xù)流提供路徑，殘余能量在線圈與二極管組成的回路中較為平緩地消耗掉，避免損壞其他器件。

圖4 分勵(lì)脫扣控制

2.2 程序設(shè)計(jì)

光伏直流配電柜的電源接通后，首先進(jìn)行各項(xiàng)系統(tǒng)的初始化，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)與設(shè)定報(bào)警值進(jìn)行比較，若超出范圍，則根據(jù)程序設(shè)計(jì)做出相應(yīng)處理。

主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

由于電池板故障可以引起電流逆流，同樣支路短路，反接等也會(huì)造成支路的逆流，因此，設(shè)計(jì)的控制板巡檢程序用于巡檢各支路電流，若發(fā)現(xiàn)存在逆流現(xiàn)象且逆流超過(guò)保護(hù)閥值，則本機(jī)將該支路分勵(lì)脫扣，同時(shí)將故障上傳，使系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

對(duì)于匯流排短路情況，通過(guò)判斷支路電流與匯流排電壓二者關(guān)系可直接給出結(jié)論。短路時(shí)支路電流存在，匯流排電壓接近零伏，由此程序判斷為匯流排短路。短路屬于極其嚴(yán)重故障，此時(shí)本機(jī)分勵(lì)脫扣全部輸入支路。同樣匯流排電壓出現(xiàn)過(guò)壓故障時(shí)，也執(zhí)行分勵(lì)脫扣全部輸入支路動(dòng)作。

對(duì)于過(guò)流故障，由于受光伏組件特性影響，即使發(fā)生短路現(xiàn)象，其短路電流也約為（1～1.2）倍的峰值功率電流，故支路過(guò)流故障一般不會(huì)發(fā)生，也不會(huì)造成嚴(yán)重危害，因此本機(jī)程序只做報(bào)警處理，同時(shí)上傳故障信息。

2.3 通信協(xié)議

本設(shè)計(jì)使用的是MODBUS-RTU通信協(xié)議，旨在規(guī)定本終端設(shè)備（從站）與用戶總線接口單元（主站）之間的數(shù)據(jù)交換以MODBUS-RTU模式實(shí)現(xiàn)。協(xié)議采用異步主從半雙工方式通信，通信由主站發(fā)起，從站接收到主站請(qǐng)求后作出相應(yīng)的應(yīng)答。傳輸方式是一個(gè)數(shù)據(jù)幀內(nèi)一系列獨(dú)立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及用于傳輸數(shù)據(jù)的有限規(guī)則[6]。數(shù)據(jù)幀的格式見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

下面以讀取塑殼斷路器（DI1）和電涌保護(hù)器（DI2）輔助觸點(diǎn)開關(guān)狀態(tài)（功能碼03）為例說(shuō)明通信功能。

1）查詢數(shù)據(jù)幀。此功能允許用戶獲得數(shù)字輸入量DI的狀態(tài)ON/OFF（1=ON，0=OFF），除了從機(jī)地址和功能域，數(shù)據(jù)幀還需要在數(shù)據(jù)域中包含將被讀取DI的初始地址和要讀取的DI數(shù)量。本設(shè)計(jì)DI的地址從0000H開始（DI1=0000H，DI2=0001H）。表2是從地址為02的從機(jī)讀取DI1到DI2的狀態(tài)。

表2 查詢數(shù)據(jù)幀

2）響應(yīng)數(shù)據(jù)幀。響應(yīng)包含從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)內(nèi)容和CRC錯(cuò)誤校驗(yàn)，數(shù)據(jù)幀中每個(gè)DI占用一位，第一個(gè)字節(jié)的最低位為尋址到DI值，其余的依次向高位排列，無(wú)用位為0。表3為讀取數(shù)字輸入狀態(tài)（塑殼斷路器閉合，電涌保護(hù)器斷開）相應(yīng)的實(shí)例。表4為數(shù)據(jù)字節(jié)內(nèi)容。

表3 響應(yīng)數(shù)據(jù)幀

表4 數(shù)據(jù)字節(jié)內(nèi)容

3 經(jīng)濟(jì)性分析

多功能測(cè)控儀表與防反二極管方案相比，取消了防反二極管及配套的散熱器、軸流風(fēng)機(jī)和時(shí)控開關(guān)等。多功能測(cè)控儀表約580元，而每個(gè)防反二極管120元，每個(gè)直流配電柜按8個(gè)計(jì)算，共計(jì)960元，配套散熱器約420元，軸流風(fēng)機(jī)180元，時(shí)控開關(guān)80元，單臺(tái)光伏直流配電柜的成本可以節(jié)約近1000多元。

4 結(jié)論

綜上所述，多功能測(cè)控儀表較好地解決了光伏直流配電柜低成本技術(shù)改造的需求，經(jīng)濟(jì)效果顯著，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)分體式多單元組合儀表的各項(xiàng)功能。光伏電站運(yùn)行及維護(hù)更加方便，故障率大大降低。不但降低了系統(tǒng)成本，而且擴(kuò)大了光伏陣列的工作電壓范圍，增加了系統(tǒng)的發(fā)電量。

[1] CGC/GF 037—2014. 光伏匯流設(shè)備技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB 14048.1—2012. 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備[S].

[3] 胡雪峰, 龔春英. 光伏并網(wǎng)逆變器的直接預(yù)測(cè)控制策略及其DSP實(shí)現(xiàn)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(S1): 103-107.

[4] 馬世璽, 楊寒, 崔新友, 等. 基于OMAPL138的電力數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計(jì)[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(10): 72-75, 87.

[5] 徐愛(ài)鈞. 智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì)[M]. 2版. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.

[6] 梁國(guó)棟, 劉媛, 梁昊穹. 基于485通信的智能閥控系統(tǒng)數(shù)據(jù)方案與實(shí)現(xiàn)[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(11): 91-93.

Design of A Multifunction Measurement&Control Instrument based on DSP

Liang Xintian

(Beijing Corona Photovoltaic Science&Technology Co.,Ltd, Beijing 100089)

This paper presents a type of multifunction measurement&control instrument based on DSP which be used in the photovoltaic (PV) DC distribution cabinet. This design is materializing the function of anti-reverse current, Voltage display, current display, over-voltage protection, over-current protection, short-circuit protection and so on.

DSP; measurement & control instrument; anti-reverse current diode; distribution cabinet

梁新田（1982-），男，河北省阜平縣人，工程師，主要從事光伏逆變器及光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。