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1、2 0 0 8年第4期 工业仪表与 自动化装置 2 3 基 于 ARM 的光 伏 电站 监控 系统 的设 计 刘福才，林宁(燕山大学 电气工程学院自动化系，河北 秦皇岛0 6 6 0 0 4)摘要：提 出一种基 于 A R M的光伏 电站监控 系统设计方案。给 出了采用$3 C 4 4 B 0 X作为核心控 制器的 系统硬件平台设计和基 于嵌入 式操作 系统 的软件编程。通过在 实验 室的模拟调试 和试运 行，证明该系统具有数据采集实时性高、处理能力强、人机接 口友好及软硬件易升级等优点。关键词：光伏 电站；A R M；监控 系统；嵌入式 系统 中图分类号：T P 3 6 8，T K 5 1
2、4 文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 0 6 8 2(2 0 0 8)0 4 0 0 2 3 0 3 The d e s i g n o f a n ARM-b a s e d m o n i t o r i n g-c o nt r o l s y s t e m f o r a ph o t o v o l t a i c pl a nt LI U F u c a i，LI N Ni ng (A u t o m a t i o n De p t o fE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e，Y a nsh
3、 a n U n i v e r s i t y，He b e i Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4，C h i n a)Ab s t r a c t：T h i s p a p e r p r e s e n t s t h e d e s i g n c o n c e p t i o n o f a n ARM b a s e d mo n i t o ri n g c o n t r o l s y s t e m u s e d i n a p h o t o v o h a i c p l a n t T h e d e s i gn a d o
4、p t s t h e$3 C 4 4B 0 X a s a k e r n e l c o n t r o l l e r a n d t h e s o f t wa r e p r o g r a m b a s e d o n a n e mb e d d e d o p e r a t i o n s y s t e m Th e mo n i t o ri n g c o n t r o l s y s t e m i s p r o v e d t o h a v e t h e a d v a n t a g e s o f h i g h s p e e d d a t a
5、a c q u i s i t i o n，h i g h h a n d l i n g c a p a c i t y a n d f ri e n d l y ma n ma c h i n e i n t e r f a c e Th e s y s t e m i s e a s y t o e x p e n d a n d u pgra d e Ke y wo r d s：p h o t o v o l t a i c p l a n t；ARM；mo n i t o ri n g c o n t r o l s y s t e m；e mb e d d e d s y s t
6、e m O 引言 近年来，太阳能发电系统的计算机控制技术已 经取得了许多研究成果，但是 目前国内光伏电站监 控系统一般采用的是 8 位的 M C S 一 5 1 单片机或 1 6 位的 M S P 4 3 0系列超低功耗单片机作为核心控制 器，这些控制器在光伏发 电系统 中对于完成蓄 电池 充放电控制、数据采集与处理起到了一定的作用。但是，与新型微处理器相比，这类控制器的缺点日趋 明显，如芯片硬件功能简单、性能低、实时性和扩展 性较差，致使系统升级 困难，对于智能系统理论的应 用也有一定的局 限性。鉴 于此，该监控系统终端采 用了基于 p C O S一嵌入式实 时操 作系统和 图形 用户界面的
7、 A R M 7硬件平 台的新 型微处理器，具 有 处理能力强、实时性高、易于升级等特点，为光伏 电 站监控系统的实现提供 了一条新途径。1 光伏电站监控系统的设计 1 1 监控系统总体设计 收稿 日期：2 0 0 7 0 92 7 基金项目：河北省教育厅科学研究计划资助项目(Z 2 0 0 5 3 0 7)作者简介：刘福才(1 9 6 6一)，男，黑龙江勃利人，博士，教授，研 究方向为模糊辨识与预测控制，电力拖动及其计算机控 制，太 阳能系 统计算机控制等。光伏电站监控系统包括太阳能电池阵列、蓄电 池、控制器、D A A C逆变器、输配 电装 置和交直流负 载部分，如图 1 所示。太 图 1
8、 光伏电站监控系统总体结构图 太阳能电池阵列在阳光照射下，通过控制器向蓄 电池充电，由逆变器、配电柜直接 向负载供 电；没有 阳 光或光强较弱时，由蓄电池提供电能。控制器是太 阳 能电池供电系统的控制部分，对系统运行状态进行参 数采集和监控，保证供电系统的可靠稳定运行。1 2 基于 AR M7 S 3 C 4 4 B O X的硬件系统设计 基于 A R M的硬件系统平台包括$3 C 4 4 B O X微 处理器，E p s o n公司生产的 G 3 5型 1 6级灰度 L C D，8 MB的 S D R A M，1 6 M B 的 N a n d F l a s h，2 MB 的 N o r
9、F l a s h，14键盘，两个 R S 2 3 2串行通信 接 口，m G 调试端 口等，如 图 2所示。硬件系统平台通过扩展的传感器模块可检测蓄 电池电压、蓄电池温度、环境温度、充电电流、负载电 流、光强和风速 7 路系统检测参数，并控制相应的蓄 电池充放电开关，完成对蓄电池充放电的控制，从而 维普资讯 http:/ 2 4 工业仪表与自动化装置 2 0 0 8年第4期 8 MB S DRAM(K4 S 6 41 6 3 2)2 M B No r F l a s h 1 6 M B Na n d F l a s h 釜 票 I 频 报 警 基 于 AR M7 T DMI 的微 处理 器
10、S a ms u n g S 3 C4 4 BO X 键 盘 I I 充 耋 关 两个 R S 2 3 2 串行通信接 口 J T AG 调试端口 传感器模块 图 2硬件系统平台结构图 延长蓄电池的使用寿命。用户可使用 1 4键盘来实 现参数的设定，并通过 I ED查看相应数据。当蓄电池 的电压高于或低于设定参数时，监控系统可通过蜂鸣 器报警 电路 自动报警。系统存储模块包括 8 M B S D R A M(K 4 S 6 4 1 6 3 2)作为系统的内存，2 M B N o r Ha s h (S S T 3 9 V F 1 6 0 1)用于存储初始化的程 序 B I O S、嵌入式操作系
11、统 Ix C O S一 、嵌入式应用 图形软件 I x C G U I 及 应 用 程 序，1 6 MB N a n d H a s h (K 9 F 2 8 0 8)用作存储历史数据。1 3 核心控制器$3 C 4 4 B 0 X简介$3 C 4 4 B 0 X微处理器片内集成 A R M 7 T D M I 核，其 主频最高 可以达 到 6 6 MH z，并 在 A R M 7 T D MI 核 的 基本功能基础上扩展了丰富的外围 功能模块，这些资源使嵌 入式系 统的开发成本 大大 降低，同时稳定 性得到增强，设计也变得简单。$3 C 4 4 B 0 X内部 自带逐 次逼近 型 8路 1
12、0位 A D转换 器，在使 用 时应注意下面几点：(1)输入电压范围0 2 5 V；(2)最大转换速率 1 0 0 k Hz；时要注意将所有的模拟输入电压信号转换成 0 2 5 V的范围，以保护 电路 元件不受损坏。各 传感 器接 口电路见文献 1 。1 4 1 键盘与显示接 口电路设计 键盘与显示接 口电路如 图 3所示。$3 C 4 4 B 0 X 内置 L C D控制器，具有将显示缓存 中的 L C D图像 数据传输到外部 L C D驱动电路的逻辑功能，可支持 2 5 6级灰度及彩色 L C D。系统选用的是 E p s o n公司 生产 的 G 3 5型 1 6级灰度 L C D，由于
13、 L C D接 口外接 排线，连线比较长，且 L C D信号频率较高，所以在信 号线 上加用 7 4 HC 2 4 4驱 动器。系统采 用 14键 盘，s 1、s 2、s 3和 S 4，4个按键 上拉 电阻接到外部中 断引脚 E X I N T 4、E X I N T 5、E X I N T 6和 E X I N T 7，按下 按键可 以产生低电平 中断，调用相应按键中断程序，就可以实现控制功能。1 4 2 蓄电池充放 电控制接 口电路设计(3)输入带宽 01 0 0 H z，由于不具备采样保持 电路，输入模拟信号的频率不要超过 1 0 0 H z；(4)输出为 1 0位数字量，满刻度电压为
14、2 5 V，因此 A D C能分辨出来 的输入 电压变化 的最小值为 2 5 V 21 0=2 4 mV。1 4 数据采集接 口电路设计 光伏电站监控装置通过传感器模块可采集7路 系统检测参数，模拟输入信号接到 S 3 C 4 4 B O X的 A I N 1 A I N 7口。由于 S 3 C 4 4 B O X的 A D转换器的 满刻度 电压为 2 5 V，因此在设计传感器接 口电路 图 3 键盘及显不接 口电路图 光伏电站使用 6 4块太阳能电池组件，每块组件 的发电功率是 3 8 Wp，工作电压 1 6 5 V，最大工作 电 流为 2 2 A。每 8块太阳能电池板串联组成一个单 元，两
15、个单元并联成一路，提供 电压为 1 3 2 V，电流 为 4 4 A的供电组，分 4路对蓄电池进行充 电。蓄 电池选用了 9块 1 2 V，2 0 0 H A的铅酸蓄电池，因此 额定端 电压 为 1 0 8 V，蓄 电池正常工作 时端 电压允 许波动范围在 1 1 01 2 0 V。$3 C 4 4 B 0 X实时检测蓄 电池端 电压的大小，并根据 充放 电控制要求控制 4 路电子开关的导通和截止。用户可根据实际要求设 维普资讯 http:/ 2 0 0 8年第4期 工业仪表与 自动化装置 2 5 置蓄电池电压的安全范围：当蓄电池电压高于最大 阈值(初始值 为 1 2 0 V)时，系统 将调用
16、高压保 护子 程序，断开4 路充电开关，同时发出报警信号；蓄电 池放电，采用两点控制方式，当蓄电池电压下降到次 低阈值(初始值为 1 0 9 V)时蜂鸣器报警，并在 L C D 上显示报警信息，提醒管理人员节约用电，当连续下 降到最低 阈值(初始值为 1 0 2 V)时，系统切断负载，从而防止过放 电对蓄电池造成损坏。每块太阳能 电 池与蓄电池之间分别接有二极管，防止光线较 弱时 蓄电池对太阳能电池的反 向充 电。2 基于 c o S一嵌入式操作系统的软件 设计 为了满足系统实时性、稳定性要求，便于 日 后系 统的升级，在监控 系统中采用 了 C O S一1 I 嵌入式 实时操作系统。t z
17、C O S一是源码公开的，可移植、固化、剪裁的占先式实时多任务内核，代码绝大部分 是用 C语言编写的，具有 良好的可扩展性和 可移 植性。提供多任务的管理功能，开发时只需关注各 个任务的功能程序设计，而不必关心程序运行 的细 节。此外系统在 C O SI I的基础上移植 了嵌入 式图形软件 tz C G U I，便于操作和使用。电源接通后，光伏 电站监控系统首先进行各项 系统 的初始化，启动数据采集任务，并在 L C D上实 时显示，如图 4所示。同时将数据与设 定报警值进 行 比较，若超 出范 围，则发出报警 信息，并根据设定 值做 出相应处理。当用户按 s 1(确定键)时，返 回主 页面，
18、可进行 蓄 电池充 放 电电压 报警值 的设 置，按 s 2(向上键)在初始值上加 1，按 s 3(向下键)在初始 值上减 1，s 4为取 消键。按照上述监控系统所要求 实现的功能(如图5 所示)，将整个应用程序划分为 以下几个任务：(1)数据采集任务(D a t a G e t T a s k)采集监控系统 的检测参数并 在 L C D上实 时显 示，判断蓄 电池 电压是否超限，在数据存储时刻保存 采集数据。任务优先级设为 8。(2)主任务(Ma i n T a s k)创建系统功能菜单、状态文本框和时钟显示文 本框；初始化界面的设置，并等待其他任务发送系统 消息，根据接收到的消息类型进行相
19、应操作，完成大 部分系统功能。任务优先级设为 1 0。(3)时钟显示更新任务(R t c D i s p T a s k)记录当前时刻，每秒更新一次。任务优先级设 为 1 2。(4)蓄电池开关控制任务(C o n t r o l e r T a s k)根据蓄电池电压是否超限的判断，通过开关的闭 合和断开控制蓄电池的充放电。任务优先级设为1 4。(5)报警任务(A l a r m T a s k)若蓄电池电压超限，令蜂鸣器发出报警信息并 在 L C D上显示报警提示。任务优先级设为 1 6。(6)键盘任务(K e y T a s k)分为向上键、向下键、确定键及取 消键，根据用 户按键输入，判
20、断相应按键功能，可帮助用户完成蓄 电池充放 电电压阈值及时间 日期 的设置。任务优先 级设为 2 0。(7)L C D显示任务(L c d D i s p T a s k)初始化系统画面，显示按键操作的效果和采样 数据。任务优先级设 为 2 2。图4 数据采集显示用户界面图(开始)工 皇 嵌入式处理器及 外围设备初始化 二二二 t tC l O S I I 及 p C G UI 初始化 二二 二 创建信号量 及消息邮箱 二二 二 创建系统任务、分配任务优先级 二二二 启动系统硬件 二二 二 启动多任务 操作系统 主 函 数 系 统 各 任 务 IJ I一I 图5 监控系统应用程序流程图 主函数
21、部分程序如下：i n t Ma i n(i n t a r g c，c h a r术术a r g v)A R MT a r g e t l n i t()；N标板初始化(下转第4 4页)盈 维普资讯 http:/ 4 4 工业仪表与自动化装置 2 0 0 8年第4期 系统总带宽为：1 0 0 Mb p s3 2 0 0 0数据 4 1 4 8 8 0 9包=2 1 5 Mb p s 该系统只需 2 2 Mb p s带宽。极 限网络负荷为：3 2 0 00 1 4 8 8 0 9=21 5。考虑工控通讯 的 回送确认，即基本上是对称 网 络，则 1 0 0 M全双工通讯方式下的极限网络负荷为：3
22、 2 0 00 1 48 8 0 9 2=1 0 7 5。辅控网投入运行后，各子 网和辅助 网络 的网络 负荷均小于 2 0 ，满足 了设计规范的要求和实际运 行 的需要。3 结束语 火力发电厂辅助车间集 中监控 网，作为工业 以 太网在 电力行业 的具体应用，改变 了电厂辅助车间“+“+“+-+-+”+”+“+“+”+-+“+(上接第 2 5页)GUII n i t()；初始化 G U I O S I n i t()；C O S一初始化 O S T a s k C r e a t e(D a t a G e t T a s k，(v o i d$)0，(O S S TK$)&D a t a
23、Ge t T a s k T A S K S T A C K S I Z E一 1 ，8)；仓 0 建 各任务 O S T a s k C r e a t e(Ma i n T a s k，(v o i d$)0，(O S S T K$)&M a in T a s k T A S K S T A C K S I Z E一 1 ，1 0)；A R MT a r g e t S t a r t()；运行 目标板 O S S t a r t()；进入 C OS一 Re t urn 0；3 结束语 该文设计的光伏电站监控系统，核心控制器采用 S 3 C 4 4 B O X微处理器，对光伏电站的运行状态
24、进行实 时高效数据采集和监测，控制蓄电池的充放电，不断 控制系统 的传统设计思路和应用状况，提高 了 自动 化水平，节省 了建设 费用，减少 了维护难度。通过 实际运 行 的检 验，潍 坊 发 电厂 二 期 工程 26 7 0 MW 超 临界机组辅控 网能够安全稳定地运行，说 明 网络 的设 计 是 合理 的，也进 一 步证 明组 建辅 控 网是 实现火 电厂辅助车间统一协调控制和管理 的有效 途径。参考 文献：1 黄 胜 新建电厂辅助系统集中监控方案探讨系统介绍 J 热力发电，2 0 0 4，(8)：4 6 2 佚名 S e l e c t i n g a C o n t r o l l o
25、 g i x S y s t e m M R o c k w e l l A u t o ma t i o n，2 00 4 3 夏 锋，孙优贤 工业以太网应用性能分析 J 电气传 动，2 0 0 4，(2)：4 0 4 3 4 陈 磊，冯冬芹 以太 网在工业 应用 中 的实 时特 性研究 J 浙江大学学报(工学版)，2 0 0 4，3 8(6)：6 7 06 7 5 ”+“+”+”+”+-+-+调整光伏电站的运行状态，使之工作状态处于最佳；由于移植了 C O S lI 操作系统，使系统具有较好的 实时陛和可靠性，且易于软硬件升级；嵌入式 图形软 件 p C G U I 的移植使系统用户界面更
26、加友好，便于用 户的操作和实时数据的观察处理。通过在实验室的 模拟调试和试运行，达到 了预期效果。此外，该监控 系统还可根据需要，更改少量外围设备和程序中相应 任务，便可用于其他的监控系统，具有良好的可移植 性。该系统的研制成功，为太阳能系统计算机控制技 术提供了一条新途径，为智能系统理论在光伏发电系 统 中的实际应用提供了软硬件基础。参考文献：1 赵建东，李晓武，雷 霆，等 太阳能综合供电系统放 电 控制器的设计 J 太阳能学报，2 0 0 5，2 6(5)：6 0 9 61 2 2 刘福才，郑德忠，刘立伟，等 3 k W 全 自动跟踪太阳发 电设备 计算机 监控系统 的设 计 J 自动化 仪表，2 0 0 0，(9)：2 3 1 2 3 3 3 杭州立泰字电子有限公司$3 C 4 4 B O X中文数据手册(V O 1)E B O L h t t p：w w w h z l i t a i c o n c n 2 0 0 3 4 J e a n J L a b r o s s e 嵌入式实时操作系统 I z C O S一(第 二版)M 邵贝贝等，译 北京：北京航空航天大学出 版社，2 0 0 3 动化装置 (双月刊)c o n 电话：0 2 98 8 6 4 6 0 7 5 维普资讯 http:/