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1、12电工电气电工电气 (2010 No.9)光伏电站监控系统的设计摘 要：对光伏电站监控系统进行建模，设计了一个与之对应的监控系统。该系统通过 DSP 控制AD7656 芯片以及 MSP430 单片机控制内部 A/D 采样，并与装载有 MCGS 组态软件的 PC 通信来实现电站各项参数的采集、显示和控制等功能，经实验可知，采样工作顺利，数据显示正常，历史曲线也能从屏中读出，奇偶校验、CRC 校验及光纤传输等多重保险保证了显示数据的准确性。关键词：组态软件；光伏并网发电系统；数字信号处理器；监测中图分类号：TM615；TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2010)09-00
2、12-05张筱文，郑建勇(东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096)Abstract:A monitoring system for the photovoltaic power station was modeled and designed.The system controlled AD7656 chips by a DSP and carried out interior analog-to-digital sampling by a MSP430.The system communicated with a personal computer in-stalled a mon
3、itor and control generated system(MCGS)to realize each parameters collection,display and control in power station.The experiment shows that it is convenient for sampling,it is normal for data display and the recording curve can be read out.Parity check,cyclic redundancy checks(CRC)and optical fi ber
4、 transmission etc ensure the accuracy of data display.Key words:monitor and control generated system(MCGS);photovoltaic grid-connected inverter;DSP;MonitoringZHANG Xiao-wen,ZHENG Jian-yong（School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China）Design of Monitoring System for Phot
5、ovoltaic Power Station基金项目：国家863计划资助项目(2008AA052412)作者简介：张筱文(1985-)，女，硕士研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动；郑建勇(1966-)，男，教授，博士生导师，博士，主要研究方向为电力电子与电力传动。0 引言随着温室效应导致地球气候越来越恶劣，特别是今年入夏以来我国大部持续的高温以及南方的洪涝灾害，能源问题作为人类环境问题的一个重要组成部分越来越受关注，太阳能发电作为一种清洁能源越来越被人们看好。光伏并网发电系统一般由太阳能光伏电池板、逆变器以及交流控制器组成。为保证每部分器件能正常运行需要对不少参数进行测量，保存，分析和控
6、制。众所周知，电站的日常运行数据对于电站系统的管理，设备的维护，以及今后的科研分析具有重要的参考价值。但是太阳能电站存在占地面积较大的特点，数据采集显示过于零散，没有一个集中的平台集中观测、存储数据，导致分析和控制上的不便和困难。因此，本文采用一种工业领域已成熟的组态软件技术，通过Modbus-RTU以及Modbus-TCP/IP协议进行通信，进行各电流和电压等信号的采集显示，将多个光伏并网发电系统的各电流和电压信号在一个现场控制中心显示屏内集中显示，并且能显示实时波形，读取历史数据波形，远程控制中心也能够读取现场的实时数据便于各部门的信息共享。1 光伏电站监控系统建模电站由n个三相光伏并网逆
7、变器组成，监控系统的模型服务包括：(1)数据显示功能：根据需要实时显示参数的类型将监控系统的模型属性分成电站公共参数和单台逆变器的运行参数两大类。而需要显示的参数又可以分为采集类数据(需要数据采集电路采集才能得到的数据)和显示类数据(通过对已采集到的数据处理加工即得到的数据)。具体属性如表1所示。光伏电站监控系统的设计13电工电气电工电气 (2010 No.9)(2)对下位机逆变器控制系统的配置。由于每台三相光伏并网装置的结构主要包括光伏电池阵列、逆变主功率电路、滤波电感排、DSP控制板、数据采样电路等。数据采集板将表1中需要采集的数据送给DSP控制板，由DSP控制板完成最大功率跟踪(MPPT
8、)和计算出合适的PWM脉冲，控制主功率电路的工作，通过滤波电抗器并入电网。本监控系统可设置要用到的三相电压、三相电流、阵列电压、阵表1 数据显示服务下的模型属性模型属性采集类数据显示类数据电站公共参数室外环境温度室内环境温度光照强度风速当前发电功率、发电平均功率、日发电量、累计发电量、累计CO2减排量单台逆变器运行参数(1n台）光伏电池板阵列电压光伏电池板阵列电流交流侧三相电压交流侧三相电流频率逆变器机内温度列电流各采集点数的配置，对显示的电压电流有效值计算点数的配置。(3)监控系统所有逆变器的运行状态，当设备出现故障时立即报警提示，并存储故障信息，包括故障的时间(年月日格式)和故障原因供分析
9、人员查看。故障类型包括：电网电压过高；电网电压过低；电网频率过高；电网频率过低；直流电压过高；逆变器过载；逆变器短路；逆变器温度过高；DSP故障；MSP430故障；逆变器孤岛运行；通信失败。同时在必要时采取措施，如将故障逆变器撤离电网，呼叫修理人员修理设备、恢复通信等。2 总体方案设计光伏电站主要由前端采集模块、下位机、上位机、网络远程监控以及下位机与上位机之间的通信介质等部分组成。如图1所示，具体功能如下：(1)前端采集模块，主要由传感器和A/D组成，传感器根据不同原理选择，A/D也根据需要采集的参数个数进行数量选择。(2)下位机主要负责控制A/D采样并以从机的角色与上位机以Modbus协议
10、进行通信，同时能够接收上位机手动修改后下发的配置信息对其中的参数进行灵活配置。(3)上位机由PC和组态软件MCGS组成，以主机角色与下位机通信，主要负责定时读取下位机的数据并处理、显示，能够给用户界面配置下位机参数，同时作为从机在网络远程监控发出“需要发送”指令时，向其以Modbus-TCP/IP转发协议发送数据。(4)网络远程监控也以PC和组态软件MCGS组成，运行MCGS工程的计算机称为MCGS服务器，主要完成接收上位机中的各项数据，其他PC通过以太网与MCGS连接，通过标准IE浏览器就能查看数据，实现光伏电站无人值守或生产部门、维修部门、领导部门等在异地查看数据的要求，上位机向其发送数据
11、后实现各部分共享，实现远端控制中心的电压、电流、温度传感器组1AD7656组1dsp1电压、电流、温度传感器组2AD7656组2dsp2电压、电流、温度传感器组3AD7656组3dsp3电压、电流、温度传感器组4AD7656组4dsp4电压、电流、温度传感器组nAD7656组ndspn电光转换模块光纤光电转换模块光纤光电转换模块温度、风速等公共传感器组MSP430单片机电光转换模块电站现场监控网络远程监控以太网通信路由器生产部门维修部门领导部门网管中心图1 光伏电站监控系统原理图光伏电站监控系统的设计14电工电气电工电气 (2010 No.9)实时监控。(5)下位机与上位机之间的通信介质主要为
12、光纤，旁边加以电光转换和光电转换模块，由于太阳能电池板分布较广，电站控制中心与逆变器所处位置可能距离较远，又由于现场电磁环境较为恶劣，所以采用光纤作为传输介质较为保险。传输协议采用Modbus-RTU协议，传输波特率为256000。上位机与网络监视机之间通过以太网线连接，以Modbus-TCP/IP协议通信。3 硬件设计3.1 传感器的选择由第一节监控系统建模可知，本系统需要测量的参数种类繁多，所以需要选择不同的传感器，经过调理电路送到A/D输入端口，传感器的精度、响应速度等都对电站控制系统影响较大，需要根据要求选取传感器。电流传感器采用南京中旭电子科技有限公司的HNC-025SY霍尔电流传感
13、器。其中025表示可以测量的额定电流为25 A。电压传感器采用南京中旭电子科技有限公司的HNV025 A霍尔电压传感器。该传感器适用于测量电压10500 V，副边额定输出电流为25 mA。实际应用时，通过测量该传感器电阻Rmx上的电压，并乘以转换系数，便可以计算得到原边上电压的数值。霍尔电流、电压传感器模块具有的优越电性能使它同时具备了传统的互感器和分流器检测的所有优点，同时又克服了互感器和分流器各自的不足(互感器只适用于50 Hz工频量的测量，分流器无法进行隔离测量)。利用同一只霍尔电流、电压传感器模块检测元件既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是互感器和分流器的最佳替代
14、品1-2。频率测量通过同步锁相电路输入DSP的CAP采集端口捕获经过计算便可得到，使用小CT检测出电压信号，通过过零比较芯片以及DSP内部定时器共同实现。风速传感器选用LVFSC-12型光电式传感器，它采用抗紫外线的塑质材料制作的风杯，具有重量轻，起动扭矩小，惯性低，能真实反应风速信息。采用高密度截光盘，可提高脉冲输出的频率值，更适于高精度的测量。温度传感器选用铠装温度传感器热电阻WZP-Pt100，可与温度变送器配套输出420 mA或15 V DC。其具有以下优点：(1)体积小，内部无空气隙，热惯性小，测量滞后小；(2)机械性能好、耐振，抗冲击；(3)能弯曲，便于安装；(4)使用寿命长。光照
15、强度传感器选用LL-SE光照度变送器，适合室内外安装，其测量范围有多个分段，包括102 000/4 000/10 000 Lux，现场可通过开关选择，输出电压为010VDC(三线)。3.2 控制采集电路DSP的控制采样电路如图2所示。DSP选择TI公司的TMS320F2812，它具有如下特点：(1)高达150 MHz的工作主频；(2)1.8 V和3.3 V供电，具有很低的功耗；(3)128KB内部FLASH，18KB内部SARAM，可外扩1 M存储器。存储器采用统一编址，寻址空间可达4 MB；(4)中断资源丰富，可支持45个外设级中断和3个外部中断。提取中断向量和保存现场只需9个时钟周期，响应
16、迅速；(5)拥有双事件管理器EVA和EVB，控制更加灵活。这些特点使得TMS320F2812芯片能够快速地实现数据处理，特别适合功率器件的控制3。AD7656是AD公司的一款模数转换芯片，该芯片特点如下：它是高集成度、6通道、16 bit逐次逼近(SAR)型ADC，具有最大4 LSBSINL和每通道达250千次/s的采样率，片内包含一个2.5 V内部基准电压源和基准缓冲器，电压输入范围为-5+5 V，该器件仅有典型值160 mW的功耗，比最接近的同类双极性输入ADC的功耗降低了60%，它还具有高速并行AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6D0D15CONVSTBUSYCS1RDWRA
17、D7656芯片AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6RDWRCONVSTBUSYCS2D0D15AD7656芯片CONVST1BUSY1CS1RDWRCONVST2BUSY2CS2SCID0D15DSP现场总线图2 DSP控制采样电路图光伏电站监控系统的设计15电工电气电工电气 (2010 No.9)和串行接口，可以与微控制器(MCU)或数字信号处理器(DSP)连接。单片AD7656最多包含6路模拟量输入转换，所以本设计采用两片AD7656。MSP430单片机选用型号为F135，它是TI公司生产的一款超低功耗的单片机，它处理速度较快，当采用8 MHz晶振时，指令周期为125 ns，它
18、包含8路内部A/D，精度为12位。MSP430的控制采样电路如图3所示。3.3 电光和光电转换模块电光转换和光电转换模块如图4所示，前者由电容电阻和HFBR-1414组成，图中的电阻取到100时便能达到传输500 m的距离，后者由HFBR-2412和电容电阻组成，电光转换和光电转换模块之间以光纤线连接。DSP、MSP430与电站现场监控之间通过这两个模块和光纤将各自的异步串行通信口通过总线方式相连。这样的电路抗干扰能力强，可实现信号的远距离传输。4 软件设计4.1 MCGS介绍MCGS是一款比较强大实用的工控组态软件，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式
19、向用户提供解决实际工程问题的方案，它有简单灵活的可视化操作界面，实时性强，有良好的并行处理性能，在自动化领域有着广泛的应用。MCGS根据所用场合不同，可分为嵌入版、通用版和网络版。嵌入版主要以触摸屏为载体，一般分散在现场使用，虽然也集成了人机交互界面，但它是专门针对实时控制而设计的，应用于实时性要求高的控制系统中，不是针对集中的数据监测。而通用版组态软件主要应用于实时性要求不高的监测系统中，它的主要作用是用来做监测和数据后台处理，比如动画显示、报表等。与通用版相比，网络版则更侧重于数据的共享，用户可以通过标准的IE浏览器浏览安装了MCGS网络版的服务器，使信息收集更集中，更多部门分享。4.2
20、通信协议设计本设计中现场控制与远程网络控制之间采用Modbus-TCP/IP转发协议打包发送数据包，设备单一，协议较简单，而现场控制中心对多个逆变器和公共数据进行监控，较为复杂，本文重点介绍。本设计中让DSP和MSP430模拟ModBus-RTU设备，采用工业领域内广泛使用的ModBus通信规约，将装有MCGS的电站现场监控PC作为主机，而n个DSP板与MSP430采集板作为从机，其通信规约信息帧由地址码(8位)、功能码(8位)、数据区(N8位)和错误校验码(16位)组成。其中，信息帧中的各字节数据定义如下：地址码：通信传送的第一个字节，这个字节表明由用户设定地址码的从机将接收由主机发送来的信
21、息。并且每个从机都具有唯一的地址码，响应回送均以各自的地址码开始，主机发送的地址码表明将发送到的从机地址，而从机发送的地址码表明回送的从机地址。本设计以电站现场监控为主机可以接多个DSP从机和一个MSP430从机，分别分配01n的地址码，就是说可以在一条总线上与多个并网发电系统通信。功能码：通信传送的第二个字节，ModBus通信图3 MSP430控制采样电路AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7AIN8MSP430单片机现场总线UART图4 电光和光电转换模块光伏电站监控系统的设计NCANCATHNC1234DOUTNCANANNCHFBR-1414芯片8765光输出CRL3
22、.3Va)电光转换模块b)光电转换模块NCVCCCOMNNC1234GNDNCCOMNDATANCHFBR-2412芯片8765光输入CR3.3V5VGNDDIN16电工电气电工电气 (2010 No.9)规约定义功能号为1127，本设计主要用到读和写指令，选用功能码03和04。作为从机响应，从机发送的功能码与主机发送来的功能码一样，并表明从机已响应主机进行操作。数据区：数据区是根据不同的功能码而不同。数据区可以是实际数值、设置点、主机发送给从机或从机发送给主机的地址。循环冗余码CRC码：2字节的错误检测码，CRC码由发送设备计算，放置于发送信息的尾部，接收信息的设备再重新计算接收到信息的CR
23、C码，比较得到的CRC码是否与接收到的相符，如两者不相符，则表明出错。本设计采用CRC-16校验方法。采用Modbus-RTU通信规约，利用通信命令，可以进行读取点(“保持寄存器”)或返回值(“输入寄存器”)的操作。保持和输入寄存器都是16位(2字节)值，并且高位在前。这样用于仪表的读取点和返回值都是2字节。一次最多可读取寄存器数是60。从机响应的命令格式是从机地址、功能码、数据区及CRC码，数据区中的寄存器数据都是每两个字节高字节在前。本设计在软件上对于地址码、命令的校验以及CRC校验，加上串口每8位数据的偶校验，多重保险足以保证采集的数据的准确性，MODBUS这个协议在干扰比较大的现场使用
24、还是比较合适的。4.3 软件流程DSP与MSP430都作为从机，软件流程区别只是DSP控制AD7656采集信息，而MSP430只是控制内部A/D完成信息采样，其它部分一样，所以可以对其统一设计。其串口任务流程图如图5所示。首先，对其串口进行初始化并开中断，当串口接收缓冲区有数据到来的时候，它首先判断数据是不是其地址码，如果不是，则继续等待中断的到来，如果是，则进而读取后面的命令是否符合要求，不符合要求则继续等待中断的到来，如果符合要求，则对收到的数据帧进行CRC校验，校验不正确，继续等待中断的到来，校验正确，则对命令进行解析，是读数据还是写配置信息，根据命令操作，写配置信息后改变执行的参数，如
25、采样点数等，读数据后启动数据缓冲区的刷新，等待主芯片将新的数据经过采样计算后写入缓冲区，等待下一次主机的读取，之后对于主机作出回应，通过串口，将MCGS所需的数据发送到主机，实现数据的传送以及传送配置成功的信息。回应完后，继续等待中断的到来。5 监控界面本设计中的一些变量参数通过两个界面来实现，图6和图7作为输入和输出界面，包括电站公共参数显示，下位机信息配置以及各逆变器运行参数显示，完全体现了本监控系统的各个参数的监控，而且作为现场监控和远程监控都共用这些界面，只是现场监控中心和远程监控中PC中的MCGS的版本不同，前者是通用版，后者是网络版。程序开始初始化串口开串口中断等待中断接收数据判断
26、命令正确？YN判断命令正确？YNCRC校验正确？YN启动命令任务判断命令类型？写读写入配置信息读取所需数据调整内部参数启动缓冲区数据刷新通过串口响应命令发出回应图5 串口任务软件流程图(下转第20页)光伏电站监控系统的设计20电工电气电工电气 (2010 No.9)态，稳态运行时无静差，与MATLAB中自带的异步电动机模型比较，波形一致。仿真波形证明了绕线式异步电动机模型的准确性和有效性。4 结语本文在分析异步电动机的数学模型的基础上，建立了一种基于MATLAB的交流异步电机电气流仿真建模的方法。该电机模型由Simulink基本模块和电力系统模型库中的线性变压器和受控电流源等模块搭建，实现了信
27、号流和电气流的转化，可作为电力系统模型库中的一个元件，直接与电力电子器件、交流电源连接。采用这种方法可以更好地实现新型电机的仿真建模，也为电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。参考文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2005.2 余名俊，李岚，王秀丽.异步电动机的MATLAB建模与仿真J.微电机，2006，39(6)：35-37.3 顾德英，季正东，张平.基于 SIMULINK 的异步电机的建模与仿真 J.电力系统及其自动化学报，2003，15(2)：71-73.4 刘艳，绍诚.感应电机广义模型的建立及仿真研究J.系统仿真学报，2004，16(9)：2052-205
28、5.5 夏扬.基于SIMULINK感应电机建模及仿真研究J.电气传动自动化，2002，24(1)：3-6.6 王峰，姜建国，颜天佑.基于 MATLAB 的异步电动机建模方法的研究 J.系统仿真学报，2006，18(7)：1733-1735.收稿日期：2010-06-13发送电站公共参数显示室外温度 33.4当前发电功率9765.5W室内温度 28.3发电平均功率6854.7W光照强度 753.8 W/m2日 发 电 量82.7kWh风 速2.1m/s累计发电总量45327.9kWh累计二氧化碳减排量45.7t下位机信息配置配置的逆变器机器号3(请输入0n之间的一个数)有效值计算算法点数24点/
29、周波电压电流采样值点数256点/周波显示数据刷新周期1s图6 公共参数显示和配置界面逆变器运行参数显示显示参数逆变器1逆变器2逆变器3逆变器4阵列电压/V120.3120.5120.2120.4阵列电流/A20.320.420.320.5并网电压/V220.1220.3220.3220.2Ia/A3.693.703.653.69Ib/A3.683.693.683.70Ic/A3.663.663.673.70频率/Hz50.150.149.949.8机内温度/63.465.264.364.6当前发电功率/W2140.32142.32139.72143.2平均发电功率/W1714.61715.11
30、710.51714.5日发电量/kWh20.720.620.421.0累计发电量/kWh11305.511349.211327.111346.1累计二氧化碳减排/t11.411.511.411.6图7 各逆变器运行参数显示界面6 结语对光伏电站监控系统进行建模，选用测量模型属性中各参量所要求的各种传感器，通过DSP控制AD7656以及MSP430控制内部A/D采样，并与装载有MCGS组态软件的PC通过RS485串口经光纤相连，通过Modbus协议通信，MCGS间接控制A/D采样，并且收到采集的数据，并将采集到的数据显示在液晶屏上，同时将数据打包通过以太网发到远端控制中心，经实验可知，采样工作顺利进行，并且数据显示正常，历史曲线也能从屏中读出，这说明本设计方便可行。奇偶校验、CRC校验及光纤传输等多重保险保证显示数据的准确性。参考文献1 蒋立.基于Z源的单相光伏并网系统的研究D.南京：东南大学，2009.2 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，袁立强.太阳能光伏发电及其应用M.北京：科学出版社，2006.3 苏奎峰，吕强，常天庆，张永秀.TMS320X281XDSP原理及C程序开发M.北京：北京航空航天大学出版社，2008.收稿日期：2010-07-07(上接第16页)基于MATLAB软件的异步电机电气流建模研究