可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集和RS485通信的光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行電參數(shù)和環(huán)境參數(shù)并統(tǒng)計(jì)發(fā)電量信息。該系統(tǒng)由單片機(jī)和傳感器采集光伏發(fā)電系統(tǒng)的各類相關(guān)參數(shù)。并采用RS485協(xié)議與PC機(jī)通信。上位機(jī)通過LabVIEW提 供的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口VISA實(shí)時(shí)獲取單片機(jī)傳遞的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)經(jīng)上住機(jī)監(jiān)測(cè)軟件 處理后通過監(jiān)測(cè)界面圖形化顯示。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、硬件成本低廉、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定 、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有可視化的監(jiān)測(cè)界面。經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到各類參數(shù)的變化情況， 可有針對(duì)性地對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)進(jìn)而提高光伏運(yùn)行效率。

隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻。各種可再生能源得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。在諸多的可再生能源中，光伏發(fā)電在未來有著廣泛的應(yīng)用前景，光伏產(chǎn)業(yè)是最有潛力的新能源之一。進(jìn)行光伏發(fā)電時(shí)，對(duì)光伏電站發(fā)電狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是十分必要的。因?yàn)閱螇K光伏組件輸出的直流電壓較低，一般在幾十伏左右，所以通常采用多塊光伏組件相互串聯(lián)。然后各個(gè)組串相互并聯(lián)從而形成光伏陣列。在發(fā)電過程中，光伏陣列的局部故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)輸出電壓或功率下降．直接影響系統(tǒng)性能和運(yùn)行效率。為確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，應(yīng)對(duì)光伏陣列進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以便能及時(shí)地、有針對(duì)性地進(jìn)行維護(hù)。從而提高光伏發(fā)電效率。據(jù)此，本文基于RS485通信和 LabVlEW軟件平臺(tái)研發(fā)了一套光伏電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可視化的監(jiān)測(cè)界面，可實(shí)時(shí)顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)，并可供用戶查詢歷史數(shù)據(jù)以便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。PC機(jī)主要對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的溫度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)和輸出電流、輸出電壓、輸出功率等發(fā)電信息進(jìn)行監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)及顯示。單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換和傳感器構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，傳感器將環(huán)境參數(shù)和發(fā)電信息采集過來，通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理后緩存并發(fā)送。單片機(jī)與PC機(jī)之間采用RS485轉(zhuǎn)RS232通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。PC機(jī)將接受到的數(shù)據(jù)處理后保存并及時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)各類參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件電路主要包括2方面：數(shù)據(jù)采集模塊和通信。數(shù)據(jù)采集部分將所需數(shù)據(jù)采集處理后，通過單片機(jī)發(fā)送至上位機(jī)：通信部分在硬件上主要是電平的轉(zhuǎn)換和與上位機(jī)通信時(shí)接口處理。

系統(tǒng)處理器采用STC89C51芯片，該芯片具有8 K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，1個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，是一種低功耗、高性能微控制器。

2．1 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要功能是采集電流、電壓、溫度、照度4類數(shù)據(jù)。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將傳感器采集回來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809，它是8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括1個(gè)8位的逼近型的ADC部分，并提供1個(gè)8通道的模擬多路開關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯，用它可直接將8個(gè)單端模擬信號(hào)輸入，分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中只需要應(yīng)用其中的4個(gè)通道，分別對(duì)有傳感器采集回來的電流、電壓、溫度、照度4個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 。然后由51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理，完成對(duì)模擬信號(hào)的采集。

由于ADC0809芯片內(nèi)部沒有時(shí)鐘脈沖源, 可利用單片機(jī)89C51提供的地址鎖存控制輸入信號(hào)ALE經(jīng)D觸發(fā)器四分頻后，作為ADC0809的時(shí)鐘輸入。當(dāng)CPU訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)．ALE的輸出作為外部鎖存地址的低字節(jié)的控制信號(hào)：當(dāng)不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端以1/6的時(shí)鐘振蕩頻率固定地輸出正脈沖，可取單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為12 MHz。則ALE端輸出的頻率為2 MHz。再經(jīng)四分頻后為500kHz，符合ADC0809對(duì)時(shí)鐘的要求。

如圖2所示。ADC0809內(nèi)部設(shè)有地址鎖存器，通道地址由P2口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連，通道基本地址為0000H～0007H。模擬量由ADC0809的IN0～I(xiàn)N7輸入．?dāng)?shù)字量由ADC0809的DO～D7輸出并接到單片機(jī)I/O口的P0口，ADC0809其他引腳如：START、OE、ALE、A、B、C等直接接到單片機(jī)的P2口。最后ADC0809的結(jié)束信號(hào)端口直接接到單片機(jī)的P2.7口。

2．2 通信部分

PC機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn)的RS232C接口，最大通信距離僅為15 m，無法適用于遠(yuǎn)距離的監(jiān)測(cè)。選用RS485串行接口標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)管理微機(jī)遠(yuǎn)距離對(duì)下位機(jī)進(jìn)行通信管理。串口通信采用RS485協(xié)議進(jìn)行，其傳輸距離較長(zhǎng)。適用于從光伏發(fā)電設(shè)備到監(jiān)控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。RS485采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2～6)V表示。RS485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。RS485最大的通信距離約為1219 m，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸速率與傳輸距離成反比。

采用Rs485通信時(shí)，需要解決2個(gè)問題。STC89C51本身具有全雙工串行口．但進(jìn)行RS485通信時(shí)需要電平轉(zhuǎn)換：PC機(jī)串行1：1為標(biāo)準(zhǔn)的RS232C接口，通信時(shí)需要將RS485接口的邏輯電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。Rs485通信的電平轉(zhuǎn)換芯片有全雙工的和半雙工的，為了便于軟件開發(fā)，本次設(shè)計(jì)采用全雙工芯片MAX488。

如圖3所示，電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX488全雙工集成芯片，使用時(shí)將單片機(jī)的串行收發(fā)端接人RS488的發(fā)收端。為保持通信信號(hào)的穩(wěn)定，一般會(huì)在MAX488加上、下拉電阻。上拉電阻把不確定的信號(hào)通過一個(gè)電阻嵌位在高電平，此電阻還起到限流的作用。同理，下拉電阻將不確定的信號(hào)嵌位在低電平。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于存在反射信號(hào)和環(huán)境等各種干擾的影響，特別是在通訊波特率比較高的時(shí)候，在線路上加上、下拉偏置電阻是非常必要的。上、下拉電阻可提高總線的抗電磁干擾能力，管腳懸空容易受到外界的電磁干擾，同時(shí)長(zhǎng)線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上、下拉電阻就是電阻匹配，可有效地抑制反射波干擾。

RS485轉(zhuǎn) RS232接口電路主要包括了電源、RS232電平轉(zhuǎn)換、Rs485電路3部分。本電路的RS232電平轉(zhuǎn)換電路采用了MAX232集成電路，RS485電路采用了MAX488集成電路。為使用方便，電源部分設(shè)計(jì)成無源方式，整個(gè)電路的供電直接從PC機(jī)的RS232接口中的DTR(4腳)和RTS(7腳)獲取。PC串口每根線可以提供大約9 mA的電流，因此2根線提供的電流足夠滿足這個(gè)電路的使用要求。使用本電路需注意PC程序必須使串口的DTR和RTS輸出高電平，經(jīng)過D3穩(wěn)壓后得到VCC，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，VCC電壓大約在4．7 V左右。其電路圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序完成A/D轉(zhuǎn)換和通信收發(fā)的功能，串口接收采用中斷方式．為方便上位機(jī)識(shí)別數(shù)據(jù)以及減少錯(cuò)誤率，發(fā)送時(shí)加上前后校驗(yàn)碼。照度、溫度、電壓、電流4類數(shù)據(jù)分別采用不同的前后校驗(yàn)碼。在主程序中，A/D轉(zhuǎn)換完成后，將數(shù)據(jù)處理后并儲(chǔ)存，緊接著查看上位機(jī)發(fā)送回來的信息，將指定類型數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

3．2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要是完成3項(xiàng)任務(wù)：與下位機(jī)的通信；將下位機(jī)發(fā)送回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及存儲(chǔ)：設(shè)計(jì)一個(gè)顯示界面。把數(shù)據(jù)變化情況以圖表形式顯示出來。

程序采用LabVIEW軟件平臺(tái)進(jìn)行編寫，LabVIEW是當(dāng)下最流行的圖形化編程開發(fā)軟件，利用它可以大量使用圖表、菜單、圖形等可視化工具，使系統(tǒng)具有豐富、靈活的畫面和圖表顯示功能。

LabVIEW通過VISA與串行接口儀器通信。VISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口(API)，它本身并不具有儀器編程能力，而是為用戶提供了一套獨(dú)立的可方便調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)I/O底層函數(shù)。利用hbVIEW中的VISA函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信。通過LabVIEW平臺(tái)內(nèi)豐富的底層函數(shù)，可進(jìn)行高速精確的數(shù)據(jù)處理。其設(shè)計(jì)分為前面板和后面板，前面板為可視化的用戶界面，而后面板就是支撐系統(tǒng)運(yùn)行的程序，并且采用圖形化的編程，數(shù)據(jù)的傳輸通過各函數(shù)之間的連線實(shí)現(xiàn)。

在前面板設(shè)立5個(gè)波形圖表控件，分別用于顯示照度、溫度、電流、電壓、功率5類數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)變化情況，若干數(shù)值顯示控件用于顯示各數(shù)據(jù)的平均值及發(fā)電量總值。

后面板串口通信利用LabVIEW中的VISA配置串口函數(shù)、VISA寫入函數(shù)、VISA讀取函數(shù)可完成對(duì)串口的配置及串口收發(fā)。VISA關(guān)閉函數(shù)用于關(guān)閉VISA資源名稱指定的串口會(huì)話句柄或事件對(duì)象。是一個(gè)串口接收和發(fā)送的子VI，上位機(jī)可以向單片機(jī)發(fā)送命令及接受單片機(jī)發(fā)送回來的 數(shù)據(jù)。

主程序采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，先利用子VI生成5個(gè)電子表格文件以保存當(dāng)天的數(shù)據(jù)，然后在循環(huán)結(jié)構(gòu)下，調(diào)用串口收發(fā)子VI為每類數(shù)據(jù)分別發(fā)送獲取指令，讓下位機(jī)把相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送過來。接收數(shù)據(jù)后，比對(duì)前后校驗(yàn)碼，若有誤則重新發(fā)送，若正確則獲取數(shù)據(jù)碼進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理包括將數(shù)據(jù)還原、存人相應(yīng)表格文件以及送人波形圖表控件進(jìn)行顯示。

此外。設(shè)計(jì)子VI從各電子表格文件中獲取儲(chǔ)存的累計(jì)數(shù)據(jù)．則可計(jì)算各類數(shù)據(jù)的平均值以及總發(fā)電量，便可得到光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電信息。在LabVIEW中可自行設(shè)立用戶菜單，程序運(yùn)行時(shí)操作用戶菜單，可方便用戶設(shè)置串VI參數(shù)及查看歷史數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

經(jīng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試。系統(tǒng)可穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)到各類參數(shù)的變化情況。各類參數(shù)的平均值和總發(fā)電量通過儲(chǔ)存的累計(jì)數(shù)據(jù)得到，并通過控件顯示。整個(gè)系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)的采集、處理、儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)、顯示等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)目的。將系統(tǒng)運(yùn)用到光伏發(fā)電領(lǐng)域中，能夠供電站工作人員實(shí)時(shí)了解電站的環(huán)境情況及發(fā)電信息，還可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過監(jiān)測(cè)界面能夠及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)電站運(yùn)行故障。以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)檢修及有針對(duì)性地進(jìn)行維護(hù)，提高光伏運(yùn)行效率。