胡呈祖

（鵬城實(shí)驗(yàn)室，深圳518000）

光伏發(fā)電作為一種新型發(fā)電技術(shù)，在世界范圍內(nèi)得到了推廣[1]。利用超級(jí)硅制造的單晶硅以及多晶硅電池形成光伏組件，多個(gè)光伏組件組成光伏板[1-2]。光伏板之間通過(guò)串聯(lián)的方式連接，類(lèi)似于多個(gè)電池的串聯(lián)，由此可獲得高的電壓，但當(dāng)一個(gè)光伏板發(fā)生故障時(shí)，其它與之相連的光伏板不能正常工作[3-4]。光伏板主要是吸收太陽(yáng)能將其轉(zhuǎn)化為電能來(lái)發(fā)電，其安裝位置和安裝角度直接決定了太陽(yáng)能的接收量[5-6]。本文創(chuàng)新性的將PLC（power line communication，電力線(xiàn)通訊）技術(shù)運(yùn)用到光伏板位置監(jiān)測(cè)上，實(shí)現(xiàn)了光伏板的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可及時(shí)了解每個(gè)光伏板的工作情況，無(wú)需人為到屋頂?shù)容^惡劣環(huán)境下巡查。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

光伏板物理位置檢測(cè)系統(tǒng)主要由光伏板陣列及其控制器、逆變器控制模塊、手機(jī)移動(dòng)設(shè)備等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System overall structure diagram

光伏板組件方陣，由光伏組件串聯(lián)而成，在光照時(shí)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，是光伏系統(tǒng)的核心部件[7-9]。光伏板的控制器控制光伏組件的輸出，實(shí)現(xiàn)MPPT（maximum power point tracking，最大功率點(diǎn)跟蹤），同時(shí)與逆變器PLC 模塊（PLC_CCO）經(jīng)電力線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。逆變器CPU（本系統(tǒng)采用STM32F407）獲取各個(gè)光伏板位置、電壓等信息后通過(guò)4G 模塊向外傳輸至云平臺(tái)/服務(wù)器，手機(jī)等帶4G模塊的移動(dòng)設(shè)備，與云平臺(tái)/服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，檢測(cè)和控制光伏板的狀態(tài)，也可展示光伏板方陣發(fā)電情況、故障和檢修信息報(bào)送等。

2 基于PLC 通信的硬件設(shè)計(jì)

光伏板物理位置檢測(cè)系統(tǒng)中，核心部分為基于PLC 的電力線(xiàn)通訊，其硬件功能模塊如圖2所示。

硬件部分采用海思Hi3921 的PLC 芯片作為控制核心，一方面可通過(guò)UART 連接外圍設(shè)備，另一方面產(chǎn)生高頻信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后，耦合到電力線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送。同時(shí)電力線(xiàn)上載波信號(hào)耦合進(jìn)來(lái)，經(jīng)濾波電路后，進(jìn)入PLC，實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收。在PLC的通信電路中，發(fā)送和接收部分的硬件電路相同。

圖2 PLC 通信硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Communication hardware structure block diagram of PLC

2.1 Hi3921 簡(jiǎn)介

電力線(xiàn)通訊技術(shù)是通過(guò)調(diào)制，把原來(lái)的信號(hào)變成高頻信號(hào)加載到電力線(xiàn)進(jìn)行傳輸，在接收端通過(guò)濾波器將調(diào)制信號(hào)取出解調(diào)，得到原有信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信息傳遞[10-11]。Hi3921 可快速組建如圖3所示的PLC-IoT 網(wǎng)絡(luò)，支持大規(guī)模節(jié)點(diǎn)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)，支持動(dòng)態(tài)路由和1000 個(gè)節(jié)點(diǎn)快速組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)共存。支持多種加密算法，集成豐富外圍接口，提供開(kāi)放、高效和安全的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、運(yùn)行環(huán)境。內(nèi)含高性能Cortax-M3，工作頻率達(dá)200 MHz，采用OFDM 技術(shù)和BPSK、QPSK 調(diào)制模式，滿(mǎn)足國(guó)際檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)EN50561、EN55022 等。圖1 中逆變器PLC_CCO 即為CCO，各個(gè)光伏板控制器的通訊部分即為STA。

圖3 PLC-IoT 網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Network diagram of PLC-IoT

2.2 放大電路設(shè)計(jì)

Hi3921 芯片輸出的信號(hào)幅值比較小，采用ST公司的STLD1 芯片可將Hi3921 輸出的差分信號(hào)進(jìn)行放大，增加信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力。STLD1 是針對(duì)電力線(xiàn)通訊的雙線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，差分輸出可達(dá)36 V，輸出平均電流1.5 A，寬范圍電壓輸入，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，STLD1 可放大單端信號(hào)和差分信號(hào)，通過(guò)調(diào)整相關(guān)電阻的阻值，實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)可調(diào)。Hi3921 的差分輸出信號(hào)IN+和IN-，經(jīng)STLD1 放大后，輸出PA2 和PA1，電路如圖4所示。

圖4 放大電路Fig.4 Amplifier circuit

2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

濾波電路的作用是對(duì)從電力線(xiàn)耦合過(guò)來(lái)的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到原有信號(hào)，送至Hi3921 的接收端。PLC 信號(hào)要求去除低頻小于150 kHz 和高頻大于500 MHz 的信號(hào)，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中采用無(wú)源帶通濾波電路，如圖5所示。

圖5 帶通濾波電路Fig.5 Band pass filter circuit

其中Vi是電力線(xiàn)上的PLC 信號(hào)，經(jīng)變壓器耦合后的信號(hào)，Vo與Hi3921 的接收端引腳相連。電感L1與電容C12并聯(lián)，選擇合適的電阻、電容、電感參數(shù)值，當(dāng)輸入信號(hào)Vi頻率低于150 kHz 時(shí)，使電感阻抗較小，信號(hào)經(jīng)L1到地，輸出Vo接近0。當(dāng)輸入信號(hào)Vi大于500 MHz 時(shí)，電容阻抗較小，信號(hào)經(jīng)C12到地，輸出Vo接近0。

2.4 4G 傳輸電路

圖1 中，逆變器的CPU 獲取到光伏方陣的參數(shù)信息后，通過(guò)UART 串口將數(shù)據(jù)信息傳遞給4G 模塊，4G 傳輸模塊將所有數(shù)據(jù)打包后統(tǒng)一發(fā)送到云平臺(tái)/服務(wù)器，用戶(hù)通過(guò)手機(jī)等4G 設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器獲取光伏方陣信息。4G 模塊選用ME909S-821 全網(wǎng)通無(wú)線(xiàn)通信模塊，如圖6所示。

圖6 4G 傳輸模塊Fig.6 Transmission module of 4G

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC 信號(hào)傳輸程序、4G模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序等。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行云平臺(tái)/服務(wù)器操作，之后，逆變器的CPU 開(kāi)始搜索其PLC_CCO 與光伏板控制器中STA 是否已完成組網(wǎng)，當(dāng)組網(wǎng)完成后，光伏板發(fā)電和位置等信息經(jīng)過(guò)電力線(xiàn)傳輸，逆變器的CPU 接收完數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸至4G 模塊，4G 模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送到云平臺(tái)/服務(wù)器，軟件流程如圖7所示。

圖7 軟件流程Fig.7 Software flow chart

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 PLC 通信測(cè)試

按上述軟硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于PLC 的光伏板位置檢測(cè)系統(tǒng)，將光伏板方陣、逆變器等安裝到某屋頂指定位置，并將其用專(zhuān)用電力線(xiàn)纜連接（逆變器并網(wǎng)部分線(xiàn)纜不連接）。搭建好實(shí)驗(yàn)環(huán)境后，啟動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)手機(jī)客戶(hù)端發(fā)送組網(wǎng)指令，逆變器CPU從4G 傳輸模塊接收到控制信號(hào)后，PLC_CCO 模塊與光伏板控制器各個(gè)STA 開(kāi)始組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)通信，PLC通訊波形如圖8所示。

圖8 PLC 通訊波形Fig.8 Communication waveform of PLC

由圖可知，PLC_CCO 模塊與各個(gè)光伏板控制器的STA 之間通訊波形正常，可正常組網(wǎng)。

4.2 光伏板位置檢測(cè)

組網(wǎng)完成后，手機(jī)端收到反饋信息，表明整個(gè)系統(tǒng)通訊正常。手機(jī)客戶(hù)端發(fā)送光伏板位置檢測(cè)指令，逆變器CPU 下發(fā)白名單對(duì)光伏方陣的各個(gè)光伏板位置進(jìn)行檢索，最終將位置信息返回到手機(jī)客戶(hù)端界面。每個(gè)光伏板都被指定為一個(gè)唯一的SN 碼，通過(guò)解析SN 碼可確定其唯一的位置，部分檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 光伏板位置檢測(cè)結(jié)果Fig.9 PV panel position detection results

由圖可知，系統(tǒng)可很好地實(shí)現(xiàn)光伏板的位置檢測(cè)，便于用戶(hù)和檢修人員獲取其位置信息和在線(xiàn)狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的光伏板位置檢測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)創(chuàng)新性的將電力線(xiàn)通訊技術(shù)運(yùn)用到了光伏板位置檢測(cè)上，無(wú)需安裝通訊線(xiàn)纜，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏板的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，減少了安裝量和安裝難度，降低了成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)，能準(zhǔn)確獲取光伏板的位置，為檢修和維護(hù)光伏方陣提供了有力支撐。