大學(xué)畢業(yè)論文-光伏電站設(shè)計

I摘要近年來由于人們對能源短缺、環(huán)境污染問題的日益關(guān)注，太陽能的應(yīng)用與普及越來越受到人們的重視，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛,這也使得光伏產(chǎn)業(yè)在近些年發(fā)展較為迅猛。本設(shè)計針對光伏電站的現(xiàn)狀,應(yīng)用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù),研究開發(fā)了一套以現(xiàn)場總線為骨干的太陽能光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)本地監(jiān)控和遠程監(jiān)控功能,具有實時性好、功能全面等特點,具有很強的工程實用價值。本設(shè)計首先介紹了光伏發(fā)電技術(shù)及其監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,闡述了光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的組成和功能。根據(jù)實際應(yīng)用的需求,選取了AVRATmega系列單片機作為該系統(tǒng)的控制器,進行了系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計,實現(xiàn)了對光伏電站運行狀態(tài)的實時監(jiān)控,具有參數(shù)顯示和設(shè)置等功能。其次,通過比較目前常用的遠程通信方式,選用了GPRS無線通信方式來實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)遠程通信功能。并結(jié)合GPRS無線通信方式的優(yōu)點,詳細闡述了系統(tǒng)是如何利用GPRS無線通信技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)通信鏈路與實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)摹Ｗ詈?分別給出了基于MCGS的本地監(jiān)控和基于WEB的遠程監(jiān)控人機界面設(shè)計,并詳細給出了單片機與本地上位機的通信協(xié)議——Modbus-RTU。本監(jiān)控系統(tǒng)是通過多重窗體程序來實現(xiàn)人機界面的,通過不同的窗體可以實現(xiàn)電站的運行狀態(tài)的實時顯示和參數(shù)設(shè)定等功能。在實驗室搭建了系統(tǒng)測試平臺,進行了模擬調(diào)試,達到了設(shè)計的預(yù)期效果。此系統(tǒng)已經(jīng)在實際的工程中得到應(yīng)用。關(guān)鍵詞:光伏電站;遠程監(jiān)控;單片機;GPRS;現(xiàn)場總線AbstractEnergyisthebasisforhumansurvival.Nowadays,energycrisisisincreasinglyserious.Solarenergy,asaninexhaustiblesupply,iscleanandrenewable.Ithasbeenpaidmoreandmoreattention.Therefore,usingphotovoltaiceffecttoconvertsolarpowertoelectricityisoneoftheimportantmethodstosolvethecurrentcrisis.Inthisthesis,thePVpowerplantmonitoringsystemisresearchedanddesignedbasedonfieldbusbyusingcomputertechnology,networkcommunicationtechnologyandrelatedtechnologies.Thesystemisabletoachievelocalandremotemonitoring,andisverypracticalforitsmultiplefunctionsandperformanceofreal-time.Firstly,theresearchstatusofphotovoltaictechnologyanditsmonitoringsystemwasintroducedinthethesis,andthenthecompositionandfunctionofthePVpowerplantmonitoringsystemwasdescribed.Accordingtotheneedsofpracticalapplication,AVRATmegaseriesmicrocontrollerswereselectedasthesystemcontrollerinthethesis.Thehardwaredesignandsoftwaredesignforthecontrollerweremainlystudied,theycouldachievereal-timedataacquisition,dataandstatedisplay,parametersettingetcal.Secondly,bycomparingwiththecurrentcommonlyusedremotemeansofcommunication,GPRSwirelesscommunicationwaschosentoachievetheremotecommunication,andhowtouseGPRStobuildadatacommunicationlinkandachieveremotedatatransmissionwasdescribedindetailbycombiningtheadvantagesofGPRS.Finally,thethesisgavethehuman-machineinterfacedesignbasedonMCGSandWEBrespectively,andcommunicationprincipleModbus-RTUbetweenthesingle-chipmicrocomputerandhostcomputer.Thehuman-machineinterfacewasachievedthroughmultipleformsprogram.Themonitoringsystemachievedreal-timedisplayingandparametersettingsandotherfunctionsindifferentforms.Inthelaboratory,thehardwaretestplatformwasbuilt.Andbytestinganddebuggingthesystem,itachievedtheexpectedeffect.Inaddition,thissystemhasbeenappliedinpracticalengineering.KEYWORDS:PVpowerplant;Remotemonitoring;Microcontroller;GPRS;Fieldbus目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1課題研究的背景 11.1.1全球能源與環(huán)境問題 11.1.2太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展背景 21.2選題依據(jù) 31.2.1光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 31.2.2光伏電站實現(xiàn)遠程監(jiān)控的重要意義 42光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容與要求 52.1光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容 52.2光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的主要功能 72.3光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的主要技術(shù)指標 82.4課題的主要研究內(nèi)容 83光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計 103.1光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案選擇 103.2系統(tǒng)的原理與組成 133.2.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理 133.2.2系統(tǒng)原理框圖 153.2.3詳細說明 184光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計 194.1核心芯片的選擇 194.2電源電路設(shè)計 214.3實時時鐘電路設(shè)計 224.4串行接口與數(shù)據(jù)通信設(shè)計 234.4.1I/O擴展 234.4.2RS-485接口電路設(shè)計 274.4.3RS-232接口電路設(shè)計 284.5數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計 314.5.1溫度采集電路的設(shè)計 314.5.2風(fēng)速風(fēng)向采集電路的設(shè)計 324.5.3輻照采集電路的設(shè)計 344.6數(shù)據(jù)存儲 354.7LCD接口電路設(shè)計 374.8JTAG調(diào)試接口設(shè)計 385光伏電站控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 405.1系統(tǒng)軟件需求分析 405.2軟件流程圖 415.3流程圖分析與說明 435.3.1數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計 435.3.2顯示子程序 445.3.3中斷程序設(shè)計 456上位組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計 486.1MCGS組態(tài)軟件概述 486.2組態(tài)過程和界面設(shè)計 506.2.1組態(tài)思想 506.2.2組態(tài)界面設(shè)計 527通訊方案設(shè)計 597.1遠程通信方式的的選擇 597.2GPRS網(wǎng)絡(luò)在光伏監(jiān)控系統(tǒng)中的實現(xiàn) 627.2.1監(jiān)控系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)鏈路的組成 627.2.2GPRS模塊的選擇 637.2.3GPRS模塊功能的實現(xiàn) 637.2.4光伏監(jiān)控系統(tǒng)通信鏈路的構(gòu)建 658結(jié)論 66參考文獻 68外文原文和譯文 71致謝 87附錄1：元器件明細表 88附錄2：程序清單 891緒論1.1課題研究的背景1.1.1全球能源與環(huán)境問題隨著人類社會的高速發(fā)展步入到21世紀，全世界都面臨著人口膨脹、環(huán)境惡化、資源枯竭三大社會壓力。人類社會正在以自人類產(chǎn)生以來從未有過的空速度消耗著地球上有限的常規(guī)化石能源。如何在不犧牲后代生存環(huán)境、經(jīng)濟資源為條件的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展我們的社會，這是一個值得我們深思的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略問題。地球上的常規(guī)化石能源主要是煤、石油、天然氣等。這些能源都是地球上數(shù)十億年前植物和海洋生物不斷生息沉淀下來的，是自地球產(chǎn)生以來由太陽能轉(zhuǎn)化而來并存儲在地下的，它們都是存儲量有限、不可再生的化石能源。人類發(fā)展開發(fā)煤、石油、天然氣這些化石能源的歷史不過二三百年，卻已將地球上已有的有限化石能源幾乎消耗殆盡。太陽能作為一種可再生能源，每天能夠到達地球表面的能量相當于幾百萬桶石油燃燒的能量，開發(fā)和利用這些豐富的太陽能，對環(huán)境產(chǎn)生很少的污染，使得太陽能成為近期急需的能源補充和未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。此外，由于世界人口居住地大多比較集中，每個國家的電力發(fā)展水平也不一樣。就我國而言，在中西部等偏遠的山村和牧區(qū)等地方，仍然居住著大量的人口，而這些地方恰恰是電網(wǎng)還沒有普及的區(qū)域，因此該地區(qū)人們的日常生活用電受到了一定的制約，然而這些地區(qū)的太陽能等自然資源卻非常豐富。為解決目前能源緊張的問題以及那些遠離市區(qū)或居住偏遠地區(qū)人們的生活用電的需求，世界各國都在紛紛努力使用各種清潔能源。節(jié)約能源、發(fā)展清潔干凈的新能源和可再生能源是勢在必行的。在當今油、碳等能源短缺的現(xiàn)狀下，各國都加緊了發(fā)展光伏的步伐。美國參議院在2008年9月16日通過了一系列減稅計劃，將光伏產(chǎn)業(yè)的減稅政策延續(xù)2~6年。美國進一步提出“太陽能先導(dǎo)計劃”，使太陽能發(fā)電以低成本的優(yōu)勢在2015年達到商業(yè)化競爭的水平；“太陽能發(fā)電普及行動計劃”由日本政府在2008年11月發(fā)布，此次計劃確定了光伏電池的價格在3~5年后降至目前的50%左右，光伏發(fā)電量在2030年達到2005年的40倍。歐洲光伏協(xié)會提出了“setfor2020”規(guī)劃，規(guī)劃在2020年讓光伏發(fā)電做到商業(yè)化競爭。在發(fā)展低碳經(jīng)濟的大背景下，各國政府對光伏發(fā)電的認可度逐漸提高。我國的太陽能資源十分豐富，全國有2/3以上的地區(qū)，年日照時數(shù)在2000h以上。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的能源，合理利用太陽能資源對解決無電或缺電的偏遠地區(qū)的用電問題具有非常重大的意義。無論是從經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展之路，還是從環(huán)境保護以及解決能源供應(yīng)的問題出發(fā)，開發(fā)和利用太陽能均具有重大而長遠的戰(zhàn)略意義。據(jù)預(yù)測，太陽能光伏發(fā)電在21世紀會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。1.1.2太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展背景隨著人類社會的高速發(fā)展步入到21世紀，全世界都面臨著人口膨脹、環(huán)境惡化、資源枯竭三大社會壓力。人類社會正在以自人類產(chǎn)生以來從未有過的空前速度消耗著地球上有限的常規(guī)化石能源。如何在不犧牲后代生存環(huán)境、經(jīng)濟資源為條件的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展我們的社會，這是一個值得我們深思的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略問題。地球上的常規(guī)化石能源主要是煤、石油、天然氣等。這些能源都是地球上數(shù)十億年前植物和海洋生物不斷生息沉淀下來的，是自地球產(chǎn)生以來由太陽能轉(zhuǎn)化而來并儲在地下的，它們都是存儲量有限、不可再生的化石能源。人類發(fā)展開發(fā)煤、石油、天然氣這些化石能源的歷史不過二三百年，卻已將地球上已有的有限化石能源幾乎消耗殆盡。據(jù)聯(lián)合國2001年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前地球上已探明的煤炭儲量可以使用230年，天然氣僅夠使用62年左右，而石油只能夠使用44年。目前全球石油儲量大約130GT，年消耗約3.5GT，預(yù)計今后25中平均年消耗約5GT，加上新探發(fā)的油田,專家估計總量也不會超過200GT，石油資源在四五十年后即將枯竭。人類社會面臨著嚴重的資源枯竭的危機。常規(guī)化石能源的燃燒會排放CO2氣體，大量的CO2氣體會產(chǎn)生溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球氣溫上升，引發(fā)一系列嚴重的環(huán)境問題。聯(lián)合國氣候變化問題小組公布的最新報告表明：目前全球的平均氣溫比1750年以來的標準溫度升高了將近0.8℃。同時研究數(shù)據(jù)表明全球氣溫升高2℃后，空氣中的CO2質(zhì)量分數(shù)是4008×10-6，當CO2質(zhì)量分數(shù)達到400×10-6水平僅需要10年時間左右。究報告同時指出我們的地球生態(tài)環(huán)境惡化相當嚴重，全球性的生態(tài)災(zāi)難已進入倒計時。假如我們?nèi)祟愒俨徊扇∮辛?、正確的方法措施來阻止和緩解溫室氣體排放，將會導(dǎo)致地球生命的基本生存條件繼續(xù)惡化，會給人類社會的可持續(xù)發(fā)展帶來不可估量的危害，如冰山溶解使海平面持續(xù)上升；異常的洋流和大氣環(huán)流將會導(dǎo)致干旱、洪澇等自熱災(zāi)害的頻繁發(fā)生；耕地荒漠化現(xiàn)象不斷加劇等。世界各國均已意識到必須采取有效措施來緩解或避免這種影響。1.2選題依據(jù)1.2.1光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢近年來在國家鼓勵政策的大力推動下，我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，各地都興建了一大批光伏發(fā)電站。建設(shè)運行太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，用戶不僅需要選擇先進的設(shè)備和技術(shù)，同時更重要的是要確保光伏電站系統(tǒng)的無故障運行。為確保光伏電站的無故障運行，這需要對光伏電站內(nèi)的相關(guān)組件進行實施監(jiān)控。而光伏電站通常都是建立在荒漠、高山等偏遠地區(qū)，遠離人煙，同時周圍環(huán)境也異常惡劣，根本不適合工作人員工作值守。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及自動化技術(shù)的快速發(fā)展，光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)已從最初的由工作人員定期進行電站巡檢發(fā)展到光伏局域網(wǎng)監(jiān)控。2007年，國內(nèi)外開始推廣光伏電站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，這使得光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)往智能、遠程及網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。光伏電站遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：第一階段的光伏網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是采用現(xiàn)場設(shè)立服務(wù)器的形式，是點對點的實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，用戶需要記住每個電站服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)地址并設(shè)立用戶名和密碼。該方式的缺點在于監(jiān)控成本高并且管理較為麻煩。第二階段的光伏網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的C/S訪問模式，該方式避免現(xiàn)場設(shè)立電站服務(wù)器，同時也可對多個電站進行管理。但是缺點也很明顯，需要等待一定時間才能查看數(shù)據(jù)，并且要求客戶端不斷升級來進行功能提升。同時客戶端設(shè)置也較為繁瑣，數(shù)據(jù)傳輸方式也存在一定局限性。第三階段的光伏網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展成為了真正意義上的監(jiān)控管理平臺形式，用戶完全通過B/S結(jié)構(gòu)進行訪問，提供給習(xí)慣于進行web訪問的用戶更多的便利性，也不再有電站監(jiān)控數(shù)量和采集形式的限制。完全實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通精神。1.2.2光伏電站實現(xiàn)遠程監(jiān)控的重要意義光伏電站大都建在無人職守的偏遠地區(qū)，也比較分散，通過遠程監(jiān)控技術(shù)方便技術(shù)人員分析遠程采集并傳輸過來的電站運行參數(shù)，了解光伏電站的運行狀態(tài)，保證電站平穩(wěn)運行，實現(xiàn)了對分散站點的集中遠程監(jiān)控，節(jié)省了大量的人力、物力和財力；因此建立光伏電站智控監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對太陽能光伏電站的遠程監(jiān)控，確保光伏電站的安全可靠運行，具有十分重要的意義。根據(jù)實際需要，光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能:（1）運行數(shù)據(jù)采集采集光伏電池輸出電壓、電流，蓄電池電壓、充放電電流、蓄電池溫度，環(huán)境溫度、光照強度，逆變器輸出電壓等參數(shù)；（2）故障診斷檢測系統(tǒng)設(shè)備的運行狀態(tài)，有設(shè)備出現(xiàn)故障時，能夠即時發(fā)出報警信號，以便維修人員及時處理；（3）蓄電池管理根據(jù)電池的工作特性選擇合適的充電方式，延長電池使用壽命；電池放電到終止電壓時，立即切斷用電負載，保護電池避免電池過放電；（4）數(shù)據(jù)存儲將電站的運行數(shù)據(jù)存儲起來，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，工作人員通過查看相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行故障進行分析處理；（5）遠程監(jiān)控具有遠程通訊接口，以保證異地監(jiān)控中心對光伏電站工作狀態(tài)的遠程控制。2光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容與要求2.1光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容通過太陽能電池，利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)都是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然有各種應(yīng)用對象和使用方法，而且各種發(fā)電系統(tǒng)規(guī)格大小各不相同，但是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理和內(nèi)部構(gòu)造都基本相同。一般來說，一個太陽能光伏系統(tǒng)由太陽能電池組件（或太陽能電池陣列）、光伏控制器、蓄電池（或蓄電池組）、交流逆變器以及其它他附屬設(shè)備構(gòu)成，若需要交流電壓輸出，則逆變器不可缺少。本節(jié)結(jié)合太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成，簡要介紹應(yīng)用本監(jiān)控智能系統(tǒng)的光伏電站中的部分組件。1.太陽能電池組件太陽能電池是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的不可缺少的組件，太陽能光伏電站的光電轉(zhuǎn)化效率取決于它。太陽能電池本質(zhì)上是一個半導(dǎo)體光電二極管，其吸收光能產(chǎn)生光致電流。目前投入應(yīng)用的硅太陽能電池種類有單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池三大類，而應(yīng)用最多的是晶體硅太陽能電池。太陽能電池組件是由一塊塊太陽能電池片組成的，而為了達到電力系統(tǒng)要求的輸入電壓，若干個太陽能電池以串聯(lián)、并聯(lián)或者二者結(jié)合的方式形成較大功率的太陽能電池方陣，從而符合電力系統(tǒng)要求。2．蓄電池蓄電池用于存儲太陽能光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能并在太陽能組件輸出功率小于負載消耗功率時向負載供電。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池的基本要求有：1)具有特殊的設(shè)計和膠體電解質(zhì)保證電池壽命長。2)充電效率高，自放電率低。3)具有較好的深循環(huán)能力，深放電能力強。4)能夠?qū)Σ煌h(huán)境具有較強的適應(yīng)力，有較寬的工作溫度、在高海拔地區(qū)能正常使用。5)維護要求小或者不用維護以及價格低。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常用的儲能電池及器件有鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、堿性蓄電池、鋰離子蓄電池及超級電容。在小型或微型發(fā)電系統(tǒng)中，儲能設(shè)備常用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池或超級電容。由于性能和成本原因，目前應(yīng)用最多、使用最廣泛的為免維護鉛酸電池。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用最多的是固定式閥控密封免維護鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池每2V為一個單位，可組裝成2V、6V、12V等形式。3.光伏控制器太陽能發(fā)電系統(tǒng)的光伏控制器用于保證光伏電站正常工作，延長蓄電池使用壽命的，防止蓄電池過充電和過放電、系統(tǒng)短路、系統(tǒng)極性反接以及夜間電流反充。由于蓄電池使用壽命主要由蓄電池的循環(huán)充放電以及放電深度決定，因此通過光伏控制器控制蓄電池充電頻率、充點方法和放電深度以最大程度充點的同時延長蓄電池壽命。在溫差較大的地方，控制器具有溫度補償?shù)墓δ堋?.交流逆變器當電力系統(tǒng)需要交流電時，太陽能電池組件或者蓄電池輸出的直流電通過交流逆變器轉(zhuǎn)換為交流電供給電力系統(tǒng)使用。它使轉(zhuǎn)換后的交流電的電壓、頻率與電力系統(tǒng)的相一致，從而滿足交流電負載以及并網(wǎng)發(fā)電的需要。按照光伏發(fā)電系統(tǒng)是否并網(wǎng)來分，光伏逆變器可分為離網(wǎng)型逆變器和并網(wǎng)型逆變器。離網(wǎng)型逆變器用于獨立運行、離網(wǎng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，為獨立的負載供電，發(fā)電系統(tǒng)不接入電網(wǎng)，而并網(wǎng)型逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，給電網(wǎng)供電。逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換的重要組成部分，為保證太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有較高的可靠性和安全性，逆變器應(yīng)該具有如下保護功能：欠壓保護、過電流保護、短路保護、極性反接保護、雷電保護。光伏發(fā)電系統(tǒng)附屬設(shè)施光伏發(fā)電系統(tǒng)附屬設(shè)施有配電系統(tǒng)，監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，防雷擊系統(tǒng)和避雷針等設(shè)備。光伏發(fā)電系統(tǒng)附屬設(shè)施更加完善了光伏電站功能，同時保證了太陽能光伏電站的正常運行。2.2光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的主要功能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要監(jiān)測的狀態(tài)量有:電網(wǎng)電壓幅值、電網(wǎng)頻率、鎖相、直流電壓幅值、系統(tǒng)溫度、驅(qū)動電流、直流電流、驅(qū)動電源、控制電源等。當這些狀態(tài)量都正常時,才表明系統(tǒng)是處于正常工作狀態(tài)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)有:光伏電池瞬時輸出電壓、光伏電池瞬時輸出電流、并網(wǎng)各相電壓、并網(wǎng)各相電流、系統(tǒng)溫度、系統(tǒng)的啟停狀態(tài)、電網(wǎng)頻率、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)當日發(fā)電量、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)累計發(fā)電量、風(fēng)向、風(fēng)速、輻照、環(huán)境溫度,這些數(shù)據(jù)有的是采集的來的原始量,有的是經(jīng)過原始量計算得來的。根據(jù)實際需要,光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)具備以下功能:(1)數(shù)據(jù)顯示實時顯示光伏電池陣列的輸出電壓電流、并網(wǎng)電壓電流、逆變電壓電流、并網(wǎng)功率、總功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率、逆變效率、環(huán)境溫度等。(2)故障監(jiān)測實時監(jiān)測太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電站的運行狀態(tài),當電站有故障時,監(jiān)控系統(tǒng)立即發(fā)出報警信號,及時通知電站管理人員及時處理。(3)繪制曲線可以繪制每天的太陽輻射強度曲線、風(fēng)速變化曲線、光電池發(fā)電參數(shù)曲線、逆變器的電壓-電流曲線、功率-時間曲線。(4)數(shù)據(jù)管理能夠?qū)⑻柲芄夥l(fā)電站的運行數(shù)據(jù)存儲起來,當光伏電站發(fā)生故障時,可將存儲的電站運行數(shù)據(jù)傳送給遠程監(jiān)控中心,方便管理人員進行故障分析,做出相應(yīng)的處理。此外還包括歷史數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等。(5)本地監(jiān)控為方便現(xiàn)場檢修人員,需要在現(xiàn)場及時顯示電站的運行狀況。(6)遠程監(jiān)控具有遠程通信端口,能夠讓遠程監(jiān)控中心及時了解太陽能光伏電站的運行狀態(tài),并能夠遠程控制,即具有遙測、遙控、遙信、遙調(diào)功能。(7)密碼管理系統(tǒng)采用二級密碼管理,系統(tǒng)管理員擁有最高管理權(quán)。2.3光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(1)10MW光伏電站(2)數(shù)據(jù)采集、響應(yīng)時間：≤20ms(3)控制命令回答響應(yīng)時間:≤10ms(4)聯(lián)合控制有功功率執(zhí)行周期3s～3min（可調(diào)）(5)全系統(tǒng)MTBF＞30000h(6)全計算機MTBF＞30000h(7)可利用率：計算機監(jiān)控系統(tǒng)可利用率≥99.99%(8)可維護性：具備硬件的代換能力、軟件可通過便攜機維護。(9)安全性：操作安全性、通信安全性、硬件軟件的安全性。如用戶對圖形、打印報表等格式，內(nèi)容均可在線修改、生成，這種修改要求有一定的用戶級別及權(quán)限。(10)可擴性：在功能、配置、通信接口等方面均有很強的擴展能力。(11)開放性：系統(tǒng)采用國際標準的開放性規(guī)約。(12)可變性：設(shè)備的參數(shù)和結(jié)構(gòu)配置易于實現(xiàn)改變。2.4課題的主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)采用的是一種分層分布式的開放型結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)主要由太陽能光伏電站的監(jiān)控單元和遠程監(jiān)控中心構(gòu)成,其中太陽能光伏電站的監(jiān)控單元主要是在本地完成光伏電站的監(jiān)控,而遠程監(jiān)測控制中心主要是完成多個太陽能發(fā)電站的遠程監(jiān)控。該監(jiān)控系統(tǒng)不需要較高的實時性,但是有很多的耗時較多的I/O操作,例如串行通信、數(shù)據(jù)的存儲和査詢等。而這些操作并不適合DSP來完成,因此用來實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控功能是另外一個單片機。由于光伏電池電壓、光伏電池輸出電流、電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流^數(shù)據(jù)在DSP控制過程中也同樣需要使用,所以這些數(shù)據(jù)的監(jiān)測由DSP完成,該監(jiān)控系統(tǒng)所要采集的該類數(shù)據(jù)均由DSP傳送給它。不同的設(shè)備具有不同的組成結(jié)構(gòu)和工作原理,與中央處理器的連接方式也是不一樣的。也就是說不同處理器之間交換數(shù)據(jù)的是一項復(fù)雜的工作。對于多處理器系統(tǒng)之間的信息交換,系統(tǒng)的復(fù)雜程度有信息交換的方式?jīng)Q定。信息交換的方式有并行接口模式、串行接口模式、共享內(nèi)存模式、共享總線模式。在這個系統(tǒng)中,雙處理器只需要交換DSP所采集到的一些數(shù)據(jù)和一些簡單的命令。這兩個處理器之間交換的數(shù)據(jù)量不大、信息交換的頻率也不高,所以DSP與AVR單片機之間采用串行數(shù)據(jù)通信模式,這種模式占用資源最少、實現(xiàn)最為簡單。監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖控制器的外圍需要擴展有LCD顯示器接口、RS-232接口、RS-485接口、以及非易失存儲器等等。LCD顯示器采用占用的I/O口較多并接口連接,但是它的速度比較快;單片機至少需要有2個串行通訊口才能使用RS-232和RS-485接口。在小型的嵌入式系統(tǒng)中訪問頻率不會很大,而只有斷電后內(nèi)容不會丟失的存儲器才能保存歷史數(shù)據(jù),所以可以按照頁面或者塊訪問方式來保存歷史數(shù)據(jù)。串行總線非易失存儲器只需占用單片機2-3個I/O口(視采用2線還是3線器件)。為了簡化用軟件實現(xiàn)的位流操作,節(jié)省CPU開銷,所選的單片機最好具有I2C或SPI總線接口。3光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計目前,遠程監(jiān)控設(shè)計越來越多的是以單片機為核心的監(jiān)控裝置。單片機自20世紀70年代問世以來,以其價格低廉、集成度高,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、處理能力強、開發(fā)較為容易、速度快、低功耗、抗干擾能力強、環(huán)境要求低、擴展靈活等優(yōu)點廣泛應(yīng)用在航空航天、家用電器、儀器儀表等領(lǐng)域。單片機已經(jīng)在我們的生活中無處不在。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計既涉及到硬件電路設(shè)計又涉及到底層的軟件設(shè)計,硬件平臺設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ),因此,本章對硬件平臺設(shè)計進行了詳細的分析及闡述。該平臺的設(shè)計包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計,核心處理器的分析以及外圍電路設(shè)計。本章在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的硬件部分進行設(shè)計，包括控制芯片的選擇及其外圍電路、系統(tǒng)參數(shù)采集電路等的設(shè)計。3.1光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案選擇(1)光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析考慮到光伏電站用途的差異性以及光伏電站所在地的周邊環(huán)境惡劣等因素，通用型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)采用了站內(nèi)監(jiān)測結(jié)構(gòu)加遠程監(jiān)控結(jié)構(gòu)相結(jié)合的分層分布開放式結(jié)構(gòu)，即單個電站內(nèi)配備一個站內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)，多個電站可共享一個遠程監(jiān)控中心系統(tǒng)，其中單個電站監(jiān)測的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。從圖中可看出最底層為分布式采集模塊，主要測量電站內(nèi)的相關(guān)量，底層與中間層之間利用RS-485總線進行通訊；中間層為站內(nèi)監(jiān)控計算機，主要進行模塊的參數(shù)定義設(shè)置和所采集量的畫面顯示以實現(xiàn)人機交互，中間層與上層之間通訊在正常情況下采用光纖網(wǎng)絡(luò)，當電站處于無光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方時則在空缺地帶利用無線傳輸方式進行中轉(zhuǎn)通訊至有光纖地帶；最上層即遠程監(jiān)控中心，方便工作人員實時在線觀測所得的光伏電站的運行情況。（2）光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)控制器采用性價比高、使用方便的AVR單片機,它對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行參數(shù)采集和監(jiān)控,保證供電系統(tǒng)能在長期無人值守的情況下可靠的運行,配以輸入輸出、顯示控制等外圍電路,組成一個實用控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)使用的單片機都是ATmega系列的,這不僅使設(shè)計的硬件電路能夠通用,而且縮短了整個控制系統(tǒng)的開發(fā)周期,體現(xiàn)了控制系統(tǒng)的統(tǒng)一性和通用性。圖3-1通用型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)造框圖在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池和蓄電池是系統(tǒng)的電源部件，控制器和逆變器是系統(tǒng)兩個核心能量傳遞控制部件。所以各部件的工作狀態(tài)直接影響了整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)。整個硬件系統(tǒng)可以分為三個部分:監(jiān)控器、數(shù)據(jù)集中器、遠程傳輸模塊。監(jiān)控器的的硬件電路可分為幾個模塊:模擬量輸入、復(fù)位電路、輸入輸出控制、外部數(shù)據(jù)存儲器、LCD液晶顯示器、時鐘芯片、串行通訊接口芯片等,這幾個模塊組合起來實現(xiàn)了控制器的功能?？刂破魍饨优渲玫?6MFLASH用來存儲光伏電站的控制參數(shù)及故障信息、16KBEEPROM作為光伏電站系統(tǒng)運行申數(shù)的動態(tài)內(nèi)存。監(jiān)控器和數(shù)據(jù)集中器都設(shè)計了J1AG接口,通過該接口可以進行審片機的在線仿真。數(shù)據(jù)集中器主要作用是通過RS-485接口對各個子站自動輪詢,記錄在線設(shè)備,通過配備的液晶屏顯示出輪詢結(jié)果,把采集到的數(shù)據(jù)進行匯總后經(jīng)遠程傳輸給上位機。遠程傳輸方式釆用的是GPRS傳輸模式,使用的是MD-109G無線傳輸模塊,它通過RS-232與數(shù)據(jù)集中器相連?？刂葡到y(tǒng)硬件的組成結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.2系統(tǒng)的原理與組成3.2.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理1光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的核心（1）控制器控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，具備如下功能：信號檢測，檢測光伏發(fā)電各個裝置的狀況參數(shù)，對系統(tǒng)進行判斷、控制、保護提供各項技術(shù)指標，應(yīng)當包含輸入電壓、充電電流、輸出電壓、輸出電流以及蓄電池溫度等；對蓄電池進行最優(yōu)充電控制，實現(xiàn)高效、快速的充電，并充分考慮電池壽命影響，同時對蓄電池放電進行管理，為自動開關(guān)機、軟啟動、防止負載接入擾動提供保護，也為其他設(shè)備提供過電壓和過電流保護；對光伏系統(tǒng)故障進行診斷，并將其通過指示燈顯示器等通知修理人員。在現(xiàn)代的中小型電站中，主要的控制器是采用ComAp公司的IGS-NT系列控制器，控制器具備STPM與MINT兩種默認的工作模式，其中，STPM工作方式可以為一臺發(fā)電機組進行模擬量以及數(shù)字量、開關(guān)量的實時測量和監(jiān)控，對整個光伏發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)起到保護作用，同時具備收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的能力，帶有遠程通信接口，具備重新編程的功能，運行穩(wěn)定。最大功率點跟蹤控制器通過各種控制算法，改變光伏電池板的輸出電壓和電流，使光伏陣列輸出功率最大化，提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。最大功率點跟蹤器在有效的降低光伏發(fā)電的成本，提高光伏發(fā)電的效率方面，起到了至關(guān)重要的作用。光伏電站現(xiàn)地控制單元層（LCU）中，控制器對于每個電站的組成都有控制的作用，在本文的行文中，將在論述部件的過程中敘述不同控制器的對于相應(yīng)電站部件的控制作用。電站現(xiàn)地控制層中，控制器的主要功能是進行最大功率點跟蹤以及逆變器控制；電站主控層中，主要功能是進行功率分配以及電路中電壓電流的監(jiān)控；同時在電網(wǎng)層中，進行數(shù)據(jù)的通信完成監(jiān)控系統(tǒng)作用?？刂破餍枰獙夥娬具\行中所需監(jiān)控數(shù)據(jù)進行采集，并進行與上位機的通訊以及簡單的診斷功能，光伏電站主要需要采集的數(shù)據(jù)是：1）.太陽輻射值太陽輻射值是光伏電站發(fā)電的重要數(shù)據(jù)。一般來說，測得的是水平面上的太陽輻射總量H，直接輻射量Hb和散射輻射量Hd，H為后兩者之和，系統(tǒng)一般使用H和系統(tǒng)發(fā)電效率系數(shù)計算太陽能光伏電站理論發(fā)電量。2).器件表面溫度上文曾經(jīng)提到過溫度對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，事實上，通過太陽能電池板上溫度的不同，可以分析出電池板是哪一方向?qū)χ?。隨著技術(shù)的發(fā)展，太陽能電池板已經(jīng)不是古典型的擺向南方，新一代太陽能電池板都具有隨著太陽變化而自動跟蹤功能。一般來說，一臺50KW的太陽能電池方陣大約需要550W的電機推動，全天功率占總發(fā)電功率的0.27%左右，但是，它卻能提高大約10%的發(fā)電效率。3).光伏電池輸出開路電壓、短路電流以及輸出功率由于光伏電池的輸出功率并不是線性的隨著開路電壓的增高而變大，每個光伏系統(tǒng)都需要進行最大功率點跟蹤控制（MPPT），開路電壓是進行最大功率點跟蹤的主要參考因數(shù)，結(jié)合短路電流和輸出功率參數(shù)對電路進行控制，使光伏發(fā)電系統(tǒng)能時刻處于最大功率輸出狀態(tài)。同時，光伏電池輸出電壓電流也是逆變器的輸入電壓電流。4).逆變器輸出電流，電壓光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器輸出電流、三相電壓的相位和頻率是光伏系統(tǒng)控制的最終目標，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電流經(jīng)常出現(xiàn)攜帶雜波，對市電電網(wǎng)產(chǎn)生污染。所以，保持時刻對輸出電流的監(jiān)測是非常必要的，在出現(xiàn)輸出電流急降或者其他問題時，需要進行立刻切斷電流動作。同時，控制器也對逆變器輸出過流過壓進行保護，如果出現(xiàn)短路或者接地情形，可以立刻切斷電源。5).電流電壓諧波對電流電壓諧波進行測量，并進入控制器進行算法抑制是非常必要的，否則諧波會混雜在波形中對電網(wǎng)形成污染。6).風(fēng)速由于太陽能電池板面積較大，經(jīng)常出現(xiàn)強風(fēng)破壞太陽能電池方陣支架的情況，在太陽能電池板鋪設(shè)時，就必須要對風(fēng)速進行測量。一般來說，太陽能電池板支架采取埋地、水泥固定、簡單埋、水泥墩以及地扦固定方式。由于支架的材料應(yīng)許抗風(fēng)力度不同，如果風(fēng)力過大，就必須考慮支架斷裂的問題，如果風(fēng)力較大時，還要考慮太陽能電池板的灰塵問題，這也是太陽能電池板效率變低的重要因素之一。（2）.光伏電池陣列太陽能光伏電池方陣是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，通過光伏電池陣列，將吸收的太陽光能直接有效的轉(zhuǎn)換為電能，目前，工程上應(yīng)用的太陽能光伏電池陣列，多為一定數(shù)量的晶體硅按照要求串聯(lián)、并聯(lián)后，固定在支架上形成。太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為2cm*2cm到15cm*15cm不等，單體工作電壓約為0.45到0.5V，一般不作為單獨電源使用，工作電流約為20—15mA/cm2，進行串并聯(lián)并進行封裝后，組成太陽能電池組件，是構(gòu)成電源使用的最小單元，為滿足負載所要求的輸出功率，在工程上，一般是將大量太陽能電池組件進行連接組成太陽能電池方陣。一般來說太陽能電池方陣的標準數(shù)量是36片（10cm*10cm），這意味著一個太陽能光伏電池組件大約產(chǎn)生17V的電壓，正好能為一個額定電壓為12V的蓄電池充電。將電池組件串聯(lián)起來，輸出功率就可以達到上千瓦，甚至到達兆瓦級別，理論上，光伏陣列的輸出功率可以達到無限大，但是，受各種實際條件限制，光伏電池組件一般只能為較小功率的工作需求進行供電。根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)是否接入電網(wǎng)，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為兩大類：獨立（離網(wǎng)）光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能電池板是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，太陽能電站的發(fā)電效率取決于它。太陽能電池板利用光電效應(yīng)將太陽光中光能轉(zhuǎn)化成電能，并將電能以直流電的形式輸出。光伏控制器將電能存儲入蓄電池組，并控制蓄電池的充電過程，當需要電力輸出時，光伏控制器釋放蓄電池中電能或者輸出太陽能電池輸出的電能，直接供給直流負載或者經(jīng)轉(zhuǎn)化為交流電后輸出給交流負載。為研究光伏組件的輸出特點，方便用戶快速方便了解電站工作狀態(tài)，太陽能光伏電站需要配備監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控系統(tǒng)記錄光伏電站工作環(huán)境、發(fā)電狀態(tài)等。因此本文介紹了一個遠程監(jiān)控式太陽能光伏電站的智能監(jiān)控系統(tǒng)。3.2.2系統(tǒng)原理框圖20MWP太陽能光伏并網(wǎng)電站采用的光伏電池板的材料是多種多樣的,其安裝位置也不集中在一起,關(guān)鍵問題是如何正確的處理多種信號傳輸干擾。本文采用分布式設(shè)計思想,數(shù)據(jù)采集單元利用工業(yè)傳感器就近采集,數(shù)據(jù)采集模塊中設(shè)有獨立的中央處理模塊(MCU),可以在現(xiàn)場對采集的信號進行數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理,然后通過GPRS無線通信技術(shù)將處理后的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)測計算機,監(jiān)測計算機將各現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯總,進行后處理。電站數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3-3所示其結(jié)構(gòu)圖如下:由于DSP逆變器控制板本身帶有數(shù)據(jù)采集和通訊功能,將此DSP控制板與AVR控制器用RS-485串行數(shù)據(jù)總線連接起來,并通過AVR控制器存儲轉(zhuǎn)發(fā)。當光伏電站的并網(wǎng)功率較小時(30kW以下功率的電源中),本地信息通過液晶來顯示漢字、字母和數(shù)字等,即使用一個128X64的LCD點陣顯示器。該系統(tǒng)是專門用在光伏電站的,需要顯示的漢字不多,所以建立了一個專用的點陣字庫。包括這個專用的漢字庫在內(nèi),都存放在10KB的程序寄存器內(nèi)。當光伏電站的并網(wǎng)功率較大時(30kW及以上功率的電源圖3-3系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖中),AVR控制器與本地上位機的RS-232串行接口連接,通過觸摸屏來顯示電站的信息。顯示的內(nèi)容主要包括電站的運行參數(shù)和控制參數(shù)。運行參數(shù)只能顯示在觸摸屏上,不能修改,而控制參數(shù)是可以通過觸摸屏來修改,然后再返回給DSP。AVR控制板同時通過光纖與數(shù)據(jù)集中器通訊,將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器,數(shù)據(jù)集中器通過GPRS無線通信技術(shù)發(fā)送給遠程上位機。上位機服務(wù)器將GPRS接收到的數(shù)據(jù)存入ACCESS數(shù)據(jù)庫,通過ADODB組件,用嵌在HTML中的PHP語言對ACCESS數(shù)據(jù)庫進行調(diào)用,從而將電站參數(shù)以圖表形式顯示在WEB瀏覽器中?？偟膩碚f,在本設(shè)計中,采用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)來實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的操作、顯示和通信功能。具體來說就是以嵌入式處理器為核心設(shè)計了一套監(jiān)控系統(tǒng),主要完成對太陽能光伏并網(wǎng)電站的實時運行狀態(tài)和定時的檢測,以及能夠采集和顯示環(huán)境參數(shù),并把這些信息記錄顯示出來,同時通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)遠程傳輸給上位機,也能夠接收并執(zhí)行遠程監(jiān)控中心發(fā)送過來的命令。監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要是提供數(shù)據(jù)的采集、記錄、顯示等功能。該電站監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠監(jiān)測和存儲電站運行的電力參數(shù),保護電站安全的運行,而且還可以監(jiān)控光伏電池陣列的輸出電壓、電流等光伏組件的參數(shù),以及太陽直射散射、風(fēng)速風(fēng)向、溫度等環(huán)境參數(shù),為以后光伏并網(wǎng)電站的研究和科研分析提供可靠的大量數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體思想是以數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、變換、輸出為主線進行程序設(shè)計,監(jiān)測系統(tǒng)軟件的主要功能是數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和査詢。采集的主要參數(shù)是光伏電池瞬時輸出電壓、光伏電池瞬時輸出電流、并網(wǎng)各相電壓、并網(wǎng)各相電流、系統(tǒng)溫度、系統(tǒng)的啟停狀態(tài)、電網(wǎng)頻率、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)當日發(fā)電量、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)累計發(fā)電量等信號。釆集的數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的處理之后,存儲在存儲器中,以備查詢。并把采集到的數(shù)據(jù)和處理過的數(shù)據(jù)實時顯示現(xiàn)場的觸摸屏上,通過觸摸屏點擊功能按鈕可以進入不同的監(jiān)測界面,可查看電站的運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)趨勢曲線、歷史數(shù)據(jù)等。監(jiān)測系統(tǒng)還設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測功能,采用上位機和下位機之間的點對多點的通訊方式,實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)測。遠程上位機的主要功能是建立服務(wù)器,將數(shù)據(jù)集中器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,在HTML網(wǎng)頁標簽中嵌入PHP(超文本預(yù)處理器),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)用WEB瀏覽器的圖表顯示和Flash曲線實時顯示。同時,WEB監(jiān)控系統(tǒng)具備密碼保護、用戶權(quán)限分級、增加用戶、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。遠程監(jiān)測系統(tǒng)的上位機功能示意圖見圖3-4。圖3-4遠程監(jiān)控系統(tǒng)上位機功能示意圖3.2.3詳細說明人類的生存與發(fā)展，需要的主要物質(zhì)之一就是能源，它是世界經(jīng)濟的血液，同時，也直接影響著世界局勢與國家的安全，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，對于能源的需求與賴也是越來越大。但目前世界能源使用主要是利用煤炭、石油、天然氣和水，都是一次性能源，它們總有一天會枯竭。所以，在人類社會發(fā)展越來越完善的今天，物質(zhì)文明空前繁榮，如果需要社會可持續(xù)不斷地發(fā)展，能源問題，已成為了社會發(fā)展的主要制約因素之一。與此同時，人類也面臨著環(huán)境的問題，犧牲環(huán)境換取經(jīng)濟發(fā)展還是保護環(huán)境延緩經(jīng)濟發(fā)展，是擺在我們面前的巨大考驗。發(fā)展可再生的清潔替代能源成為當務(wù)之急。太陽能，是當前世界上最清潔、最有開發(fā)前景的能源之一。因其本身無噪聲、無污染，能量隨處可得且取之不盡等優(yōu)點，是其他發(fā)電方式所不能比擬的，因而，光伏發(fā)電已成為世界各國研究的重點。中國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)近幾年來在一些地區(qū)發(fā)展迅速，然而，各個光伏電站往往進入“各自為戰(zhàn)”的狀態(tài)，缺乏統(tǒng)一的調(diào)度與監(jiān)控，大量小型光伏電站的建立也再次把集群控制問題擺在我們面前，由于調(diào)度監(jiān)控的緊缺，使得一些地方的能源過剩，而另一些地方能源缺不足，每個小型光伏電站都配備了各自的技術(shù)、運行和管理人員，各電站間缺乏協(xié)調(diào)運行管理。目前在中國大多數(shù)地區(qū)已建成的光伏電站中，多是零星開發(fā)，缺乏整體規(guī)劃，在成本、安全、經(jīng)濟以及運行人員勞動強度等方面都存在著極大的缺陷。對流域內(nèi)中小型光伏電站群進行集中調(diào)度和控制不僅可以有效降低投資成本、保證人員現(xiàn)場安全，還能對整個梯級電站進行經(jīng)濟調(diào)度，提高梯級光伏電站群的綜合管理水平，發(fā)揮光伏電站群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的優(yōu)勢。通過集遙控、遙測、遙信、遙調(diào)、遙視等功能于一體的流域梯級電站遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)可以對流域內(nèi)各梯級電站進行集中控制。流域內(nèi)各電站將取消或簡化電站內(nèi)的常規(guī)中控室和各自獨立的電站辦公、現(xiàn)場生活設(shè)施、庫房、機修車間等，將集控中心作為運行、管理、維護及辦公基地，對流域內(nèi)的各電站進行日常的運行、管理工作。4光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.1核心芯片的選擇本系統(tǒng)選用了ATMAL公司的ATmega系列的控制器來實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控,它是低功耗的8位CMOS單片機,采用先進的RISC結(jié)構(gòu),最高可用到16MHz的系統(tǒng)時鐘,由于CPU內(nèi)部的Harvadr總線和一級流水線結(jié)構(gòu),多數(shù)指令都是單時鐘周期執(zhí)行的,其結(jié)構(gòu)方框圖如圖4-1所示。ATmega系列的單片機主要的區(qū)別在于通用I/O數(shù)目等的不同。以監(jiān)控板使用的ATmegal28單片機為例介紹單片機的組成。64腳MLF封裝的ATmegal28單片機能提供128K片內(nèi)可編程FLASH(具有在寫的過程中還可以讀的能力,即RWW)、4KB的E2PROM和4KB的SRMA,還具有64KB的優(yōu)化的外部存儲器空間;它具有53個通用I/O口,32個通用工作寄存器、有2個8位定時器/計數(shù)器、2個16位定時器/計數(shù)器、2個UART串行通信口、一個SPI同歩串行口、兩線式串行總線接口I2C、8通道10位ADC(都有可選的可編程增益)、定時器(具有片內(nèi)振蕩器)、與IEEE標準1149.1兼容的JTAG測試接口(該接口同時還支持在線調(diào)試),通過JTAG測試接口可以實現(xiàn)對Flash、E2PROM、熔絲位和鎖定位的編程;另外,該單片機還提供了6種休眠模式,這些模式可以不同程度地降低功耗。另夕卜,它還提供多種復(fù)位方式,可以用內(nèi)部的RESET功能省去外部的復(fù)位電路;提供多種時鐘方式,為了降低功耗,可以通過使用不同的睡眠模式來禁止無需工作的模塊的時鐘。ATmega系列的單片機支持C語言和匯編語言編程,為本系統(tǒng)提供了靈活而低成本的方案。圖4-1AVR內(nèi)核結(jié)構(gòu)示意圖4.2電源電路設(shè)計在進行電源電路設(shè)計時,考慮到本系統(tǒng)需要三種電壓,分別為光稱隔離電壓5V、AVR供電電壓、FLASH供電電壓。AVR單片機可以與光伏逆變器控制板共用5V電源,當并網(wǎng)功率較小時,AVR通過J7口供電,當并網(wǎng)功率較大時,AVR通過J8口供電,故只需設(shè)計其他兩種供電電壓:光稱隔離電壓5V和FLASH供電電壓3.3V。通過LM1117將5V電壓轉(zhuǎn)為3.3V,兩種電壓為電路板各類芯片供電。電源電路原理圖如圖3-5所示,采用的是三極管無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路,先把5V電壓變換成兩個5V的方波,再輸送到變比為1:2變壓器進行電氣隔齊。變壓器副邊采用推挽結(jié)構(gòu)輸出,二極管D2、D3輪流導(dǎo)通,將變壓器副邊輸出^±10V方波整流成10V直流電壓,輸送給線性穩(wěn)壓芯片78L05。78L05是一種固定電壓(5V;)三端集成穩(wěn)壓器,輸出電流可達100mA。由于器內(nèi)部電流的限制,以及過熱保護和安全工作區(qū)的保護,使它基本不會損壞。該芯片很好的解決了抗噪聲千擾的問題。78L05的典型應(yīng)用電路如圖4-2所示。圖4-278L05典型應(yīng)用電路LM1117是葉個低壓差電壓調(diào)節(jié)器。其壓差在1.2V輸出,負載電流為800mA時為1.2V。它與國家半導(dǎo)體的工業(yè)標準器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本,通過2個外部電阻可實現(xiàn)1.25—13.8V輸出電壓范圍。另外還有5個固定電壓輸出(1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V)的型號。圖4-3為LM1117的典型應(yīng)用電路。(a)典型固定輸出電壓(b)典型可調(diào)輸出電壓圖4-3LM1117典型應(yīng)用電路圖4-4電源電路4.3實時時鐘電路設(shè)計時鐘用來為系統(tǒng)提供時間,以便進行各種操作,它可以利用單片機內(nèi)部的定時器編程實現(xiàn),但定時精度不高、占用CPU時間長且掉電即失效,無法為系統(tǒng)提供可靠的時間,而硬時鐘具有掉電不停止的優(yōu)點,因此本系統(tǒng)主機采用專用高精度時鐘芯片DS1337為系統(tǒng)提供時間。DS1337是一款串行實時的低功耗的時鐘芯片,同時是一種全部采用BCD碼的時鐘日歷芯片,它帶有兩個可編程的定時鬧鐘和一個可編程的方波輸出。其數(shù)據(jù)信息和地址可通過I2C總線串行傳輸,能提供秒、分、時、日、星期、月和年等時間信息。當月天數(shù)小于31天時,它能夠自動校正月份,還能過對閏年進行校正。時鐘可以工作在24小時模式下,也可以工作在12小時模式下[25—26]。芯片的工作的溫度區(qū)間是-40-+85攝氏度,提供齊8引腳的DIP和SOIC封裝。該芯片與單片機接口簡單,并且獨立于單片機運行,不占用CPU時間。時鐘芯片采用CR1220紐扣電池供電,電池壽命為3年。它與微控制器的連接方式如圖4-5所示:圖4-5時鐘電路4.4串行接口與數(shù)據(jù)通信設(shè)計4.4.1I/O擴展ATmegal28只有兩個獨立的全雙工同歩/異步串行端口,而系統(tǒng)需要2個RS-485接口和1個RS-232接口,因此需要擴展ATmegal28的硬件資源,形成了一個點對多點的通信方式。本系統(tǒng)采用GM8123芯片對其進行擴展,GM8123能夠?qū)⒁粋€標準的串口擴展成3個標準的串口,并可以通過外部引腳控制串口工作在單通道模式還是多通道模式,也就是可以指定擴展出的其中一個子串口以母串口的波特率單一工作,也可以讓擴展出的所有的串口分頻同時工作,波特率為母串口的四分之一。此外,串口的工作波特率通過外部電路和晶振頻率的修改來實現(xiàn),可以通過軟件來設(shè)置母串口和子串口的工作波特率。GM8123串口擴展芯片沒有上電復(fù)位功能,所以本系統(tǒng)采用單片機的PC5管腳來產(chǎn)生一個低電平使GM8123復(fù)位,復(fù)位信號在外部電平拉高后內(nèi)部還將延時200mso復(fù)位后的芯片清除了內(nèi)部所有的BUFFER和寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù),此時芯片的默認波特率1200b/s,數(shù)據(jù)格式是每一幀數(shù)據(jù)11位。JH是由于上述原因,在使用芯片時,必須對芯片初始化。初始化就是設(shè)置芯片的工作方式,包括設(shè)置幀格式和波特率等。芯片的這些工作設(shè)置只有在多通道工作模式下才有效,當工作在單通道方式時,并不需要設(shè)置工作方式,即使已經(jīng)設(shè)置了也不會起作用。多通道模式下的工作方式設(shè)置如下-(1)將地址線STADD1~0置為00(2)將MS置0,選擇寫入控制命令字(3)通過母串口寫入控制命令字,該命令字的值為命令字寄存器相應(yīng)為的設(shè)置值,但高4位必須全為'1',這樣能夠與無效的數(shù)據(jù)區(qū)分開來。命令字寄存器的結(jié)構(gòu)如下:MSBLSB****FLBR2BR1BR0寄存器中的FL用來設(shè)置幀長得位,為'0'表示lObit,'r’表示llbit。BR2-0是用來波特率設(shè)置的位,波特率設(shè)置命令字如表4.1所示。表4.1多通道方式下波特率設(shè)置(12MHz晶體)BR2-0000001010011波特率子串口：1200b/s母串口：4800b/s子串口：1200b/s母串口：4800b/s子串口：1200b/s母串口：4800b/s子串口：1200b/s母串口：4800b/s在多通道方式下工作時,各個子串口有相同的工作波特率,設(shè)置的值就是各個對應(yīng)子串口的工作波特率,而子串口的波特率僅為母串口的波特率的四分之一。本文中GM8123芯片的母串口與AVRATmegal28的串口連接,因此,該串口的波特率是與GM8123芯片的母串口相同的。在設(shè)置完工作方式后,STADD1-0必須置為非全0,否則設(shè)置不會生效。設(shè)置芯片GM8123的模式控制引腳MS可以使GM8123工作在單通道模式或者多通道模式下。當模式控制引腳MS=1時,芯片工作在單通道工作模式下,在此工作模式下,在同一時間只能有一個子串口與母串口進行通訊。通過芯片的地址線來指定子串口與母串口的通信,外部的MCU通過輸入/輸出地址線來控制母串口與子串口的通信。輸入地址線和輸出地址線可以不是同一個子串口的,則不同只串口的RXD和TXD可以連接到母串口上。需要注意的是在通訊時STADD不能置為'00'。單通道工作模式各地址線定義如表4.2:當MS=0時,芯片GM8123在多通道方式下工作,即在此方式下允許所有的子串口都工作在全雙工模式下。在此工作方式下,芯片GM8123的地址線STADD1-0是輸入口,由MCU指定哪一個子串口來發(fā)送數(shù)據(jù),地址線SRADD1-0是輸出口,用于向MCU發(fā)送子串口的地址。表4.2單通道工作模式下地址線定義STADD1STADD0SRADD1SRADD1定義011號子串口的接收端01-11102號子串口的接收端113號子串口的接收端011號子串口的發(fā)送端1001-112號子串口的發(fā)送端113號子串口的發(fā)送端在該模式下,3個子串口的工作波特率相同,母串口的波特率為子串口的4倍。各地址線的定義如表4.3和表4.4所示表4.3子串口TXD地址線的定義 STADD1STADD0說明01選擇1號子串口發(fā)送10選擇2號子串口發(fā)送11選擇3號子串口發(fā)送表4.4子串口RXD地址線的定義SRADD1SRADD1說明011號子串口接收到數(shù)據(jù)102號子串口接收到數(shù)據(jù)113號子串口接收到數(shù)據(jù)當單片機需要實現(xiàn)點對多點的通信時,使用GM8123來擴展單片機的串行接口,在占用較少硬件資源的情況下,具有以下特點:可以通過對芯片寫控制字來實施控制、可以設(shè)置每個子串口的波特率以及可以選擇串行通信的數(shù)據(jù)格式。本系統(tǒng)采用單通道工作模式,硬件電路如圖4-6所示。圖4-6接口擴展電路4.4.2RS-485接口電路設(shè)計考慮到電站的環(huán)境,抑制干擾,本文在設(shè)計DSP控制板和AVR監(jiān)控板通信時,采用RS-485電路。工業(yè)應(yīng)用場合的通信節(jié)點多,位置分散,通信的距離比較遠,RS-485不但能夠滿足上述要求,還能夠抑制共模干擾,最高傳輸速率可達10Mbps。采用圖4-7的平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合電路是RS-485的最大特點,RS-485采用的是差分信號負邏輯,并不需要相對于某個參照點來檢測信號,系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。邏輯"1"以兩線間的電壓差為2V~6V表示;邏輯"0"以兩線間的電壓差為-2V到-6V表示。RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性和不受節(jié)點間接地電平差異的影響。RS-485多用于長傳輸距離和多站點數(shù)據(jù)通信。圖4-7平衡差分電路圖4-8RS-485接口電路主控制系統(tǒng)通過采用串行通信方式與監(jiān)控系統(tǒng)通信,其物理層采用RS-485,而RS-485是通過MAX485驅(qū)動器在DSP與ATmegal28的通用串行接口之間轉(zhuǎn)換而來的。ATmegal28與數(shù)據(jù)集中器的通信方式也可以采用RS-485方式。其硬件電路如圖4-8所示。4.4.3RS-232接口電路設(shè)計ATmegal28芯片內(nèi)部的通用同步/異步收發(fā)器單元提供2個獨立的全雙工同歩/異步串行端口,ATmegal28的兩個串行端口的輸入輸出都是TTL電平,而TTL電平不能夠長距離傳輸,抗干擾性差,衰減大。為了能夠遠距離通訊'一般把TTL電平轉(zhuǎn)換成標準串行接口的電平,如常用的標準串行接口RS-232、RS-485等。其中應(yīng)用最為廣泛的是RS-232,它規(guī)定了連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(DCE)之間的接口,其中DTE主要包括計算機和各種終端機,而DCE的典型代表是調(diào)制解調(diào)器。RS-232標準采用的接口是9芯D型插頭,考慮到單片機和上位機的通信量并不大,所以在連接時采用簡單的"三線制",即只通過TXD、RXD和地線GND進行連接。但是RS-232所定義的高電平和低電平與AVR單片機所定義的高電平和低電平信號標準不同,RS-232采用的是負邏輯的方式,-5V?-15V電平表示的是邏輯"1",+5V-+15V電平表示的是邏輯"0",需要對兩者的電平進行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)使用的電平轉(zhuǎn)換芯片為SP3223E,RS-232接口電路如圖4-9所示。圖4-9RS-232接口電路SP3223E是SIPEX公司生產(chǎn)的RS-232收發(fā)器,是一個雙驅(qū)動器/雙接收器芯片。SP3223E內(nèi)有一個高效電荷泵,可在單+3.0V到+5.5V電源下產(chǎn)生±5.5V的RS-232電平,該技術(shù)已申請了美國專利(專利號為U.S.--5,306,954)。滿負載時,SP3223E器件可工作于235kbps的數(shù)據(jù)傳輸率。在RS-232接口電路設(shè)計中,COM1用于與觸摸屏通信的RS-232接口,COM2口則為備用的RS-232通信接口。4.4.4光纖通信電路設(shè)計監(jiān)控板與數(shù)據(jù)集中器的距離較遠,電站地處的環(huán)境惡劣,為了抑制電磁干擾、噪聲干擾等,提高信息傳輸?shù)牡目煽啃?本文選用光纖傳輸?shù)姆绞?經(jīng)過在現(xiàn)場的驗證,選用的傳輸方式是準確可靠的。HFBR-0400系列的變送器和接受器是低成本的高速光纖通信器件,在工業(yè)領(lǐng)域和通信領(lǐng)域都有比較廣泛的應(yīng)用,其通信距離可以達到4000米,工作溫度范圍寬。該系列光纖收發(fā)器與流行的工業(yè)光纖接口直接兼容,如ST、SMA、SC和FC接口。并與多種光纖尺寸兼容,包括50/125微米,62.5/125微M,100/140微米和200微米。光纖通信模塊采用820nm光纖模塊,主要由與門驅(qū)動器SN75451BD、與非門施密特觸發(fā)器HEF4093B、光發(fā)送器HFBR1412、光接收器HFBR2412構(gòu)成。SN75451是一個兩通道的與門驅(qū)動器,其可以保證光纖中有足夠的光功率耦合,確保能夠?qū)崿F(xiàn)信號的可靠傳送。其與光發(fā)送器連接的硬件原理圖如圖4-10所示。圖4-10SN75451與光發(fā)送器連接的原理圖光發(fā)送器的內(nèi)部是一個發(fā)光二級管,當流過的電流達到一定的值時,二級管發(fā)光,光接收器接收到光纖發(fā)送過來的光信號。光接收器的內(nèi)部集成了一個集電極開路的三極管。當光纖中光信號達到一定程度時,三極管導(dǎo)通,輸出電平DATA為低;當光纖沒有光信號時,三級管截止,輸出電平DATA被外接電源上拉為高電平。4.5數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計4.5.1溫度采集電路的設(shè)計溫度對光伏發(fā)電系統(tǒng)有比較大的影響,首先溫度與太陽能的轉(zhuǎn)化效率有關(guān),再則它還影響著太陽能光伏電池板的工作效率以及使用壽命等問題,因此在光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)中加強對溫度的監(jiān)測是非常有必要的。在本監(jiān)控系統(tǒng)中,系統(tǒng)要檢測的溫度值有兩個,一為電站的環(huán)境溫度,二為電池板的溫度。在傳統(tǒng)檢測電路中,對溫度的檢測,常用熱電偶或變送器來實現(xiàn),這兩種方法都比較麻煩,且干擾大,不易于系統(tǒng)的多點使用,尤其是對精度要求高的采集系統(tǒng),很難滿足要求,所以在此系統(tǒng)中,使用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20。本文采用的是一款PR-35封裝的DS18B20芯片,有3個管腳。其管腳功能如下表4.5所示表4.5DS18B20管腳功能管腳名稱功能1GND電源地2I/O總線接口，實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊3