基于CAN總線的分布式太陽能電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉志群

（閩江學(xué)院 物理學(xué)與電子信息工程系，福建 福州350108）

隨著能源環(huán)境壓力的不斷增加，國家近期出臺(tái)了對光伏新能源新的支持政策，包括集中式并網(wǎng)電站和分布式自發(fā)自用光伏電站兩種形式，各地也紛紛出臺(tái)相關(guān)管理細(xì)則落實(shí)國家發(fā)改委有關(guān)部署。

分布式太陽能電站由于不占用土地資源，發(fā)出的電主要由用戶自行消化，對電網(wǎng)改造壓力小，越來越受到國內(nèi)外的重視。分布式光伏電站需要配合高效、靈活、高性價(jià)比和高可靠性的監(jiān)控系統(tǒng)才能夠安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。同時(shí)，由于分布式電站的特點(diǎn)決定了數(shù)據(jù)采集監(jiān)控等工作非常需要遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的支持，可以說監(jiān)控技術(shù)是分布式光伏電站的核心技術(shù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)已廣泛應(yīng)用在軍事、遠(yuǎn)洋、航空航天、工業(yè)控制、城市交通調(diào)度管制、電力系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。國內(nèi)應(yīng)用于分布式太陽能光伏電站的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用RS－485總線，而與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信的方式，這種方式適用于集中式的太陽能電站。而且在這種拓?fù)渲?，RS－485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪流查詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性較差。隨著分布式太陽能電站的發(fā)展和規(guī)模擴(kuò)大，RS－485總線已經(jīng)不能滿足實(shí)時(shí)性和遠(yuǎn)距離通信的要求，使得發(fā)電站的分布距離不能太大，電站的容量也無法擴(kuò)充，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸搽y以得到保證；而CAN總線通信可以滿足上述要求，且方便于后期節(jié)點(diǎn)的增加，方便電站擴(kuò)展容量。

目前，CAN總線技術(shù)主要用于汽車領(lǐng)域，憑借總線分配的方法，保證當(dāng)不同的站點(diǎn)申請總線存取時(shí)，明確地進(jìn)行總線分配，不會(huì)由于總線過載而崩潰，且傳輸數(shù)據(jù)可靠性高，通信距離遠(yuǎn)，傳輸速率快，效率高，非常適合于分布式太陽能光伏電站。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)包括PC機(jī)、上位單片機(jī)STC89C52和CAN總線接口電路；下位機(jī)包括CAN總線節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場傳感器組。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)太陽能光伏電站現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、傳輸和管理等功能。下位機(jī)通過CAN總線控制各節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)采集電壓、電流、溫度、濕度、光強(qiáng)、風(fēng)向和風(fēng)速等功能，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理和A／D轉(zhuǎn)換，通過一定的時(shí)間間隔后，由下位機(jī)將含有電壓、電流、溫度、濕度、光強(qiáng)、風(fēng)向和風(fēng)速等數(shù)據(jù)的報(bào)文向CAN總線發(fā)送，異地的上位機(jī)接收到報(bào)文后解讀，并對現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與監(jiān)控，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)管理與維護(hù)的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要包括兩個(gè)部分：單片機(jī)與CAN總線控制器的接口電路和單片機(jī)與傳感器的接口電路。

2.1 單片機(jī)與CAN總線控制器的接口電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用Microchip的MCP2515作為CAN總線控制器，選用兼容ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的TJA1050作為CAN總線收發(fā)器。單片機(jī)與MCP2515及TJA1050的接口電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與MCP2515及TJA1050接口電路

2.2 單片機(jī)與傳感器的接口電路設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制采集現(xiàn)場的電壓、電流、溫度、濕度、光強(qiáng)、風(fēng)向和風(fēng)速數(shù)據(jù)。其中電壓／電流數(shù)據(jù)包括前端蓄電池直流電壓和直流電流以及逆變后的交流電壓和交流電流。

2.2.1 單片機(jī)與溫濕度傳感器接口電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器選用單總線結(jié)構(gòu)的DHT11，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，利用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性，外形如圖3所示。傳感器內(nèi)部包括一個(gè)電阻式的感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。其與單片機(jī)通過P2.0引腳模擬單總線實(shí)現(xiàn)接口，接口電路如圖4所示。

圖3 DTH11實(shí)物圖片

圖4 單片機(jī)與溫濕度傳感器DHT11接口電路

2.2.2 單片機(jī)與光強(qiáng)度傳感器接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用新型單片測光芯片BH1750，它是半導(dǎo)體ROHM為適應(yīng)以移動(dòng)電話的便攜式機(jī)器和液晶電視等要求而開發(fā)的具有良好光譜靈敏度特性、16位串行輸出的單片數(shù)字光照度傳感器，通過I2C總線與單片機(jī)接口，接口電路如圖5所示。

圖5 單片機(jī)與光強(qiáng)度傳感器BH1750的接口電路

2.2.3 單片機(jī)與電壓電流變送器和風(fēng)速風(fēng)向傳感器的接口電路設(shè)計(jì)

為了能夠測量太陽能電站的交直流參數(shù)，系統(tǒng)選用0～1 000V交流電壓變送器、0～50A的交流電流變送器、0～1 000V直流電壓變送器和0～50A的直流電流變送器；同時(shí)也需要測量現(xiàn)場的風(fēng)力和風(fēng)向，系統(tǒng)選用了風(fēng)力和風(fēng)向傳感器，他們的輸出均為4～20mA的電流信號(hào)。經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，即將4～20mA轉(zhuǎn)換為0～5V，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路后與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)接口。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括以下3個(gè)部分：

1）3個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與發(fā)送；

2）下位機(jī)接收各區(qū)數(shù)據(jù)，同時(shí)也作為發(fā)送方把數(shù)據(jù)發(fā)給PC上位機(jī)；

3）PC上位機(jī)作為接收方，通過USB轉(zhuǎn)UART與下位機(jī)通信，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

圖6 I／V轉(zhuǎn)換電路

3.1 節(jié)點(diǎn)區(qū)的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送程序設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)區(qū)共分3組，節(jié)點(diǎn)1的任務(wù)是對光伏電站現(xiàn)場環(huán)境的溫度、濕度和光照強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行采集和發(fā)送。節(jié)點(diǎn)2的任務(wù)是完成光伏電站的交流電壓、電流，直流電壓、電流的采集、處理和發(fā)送。節(jié)點(diǎn)3的任務(wù)是對現(xiàn)場風(fēng)速大小、風(fēng)向進(jìn)行采集和發(fā)送。各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送的程序流程如圖7所示。

圖7 各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送流程

3.2 下位機(jī)接收與發(fā)送程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)兩方面的功能：

1）循環(huán)選擇各個(gè)節(jié)點(diǎn)，并接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)并顯示；

2）當(dāng)接收到PC上位機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，就開始把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。

本系統(tǒng)使用簡單的一發(fā)一應(yīng)式通信機(jī)制，即當(dāng)下位機(jī)收到PC上位機(jī)發(fā)出的“發(fā)送命令”時(shí)，下位機(jī)啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送，每次發(fā)送完成后，下一次的發(fā)送都要收到上位機(jī)的回饋信號(hào)之后才可進(jìn)行，這樣既可以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，也對軟件設(shè)計(jì)帶來一定的便利。根據(jù)上面的程序思路，畫出下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

3.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)是在Visual C＋＋6.0集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)的，運(yùn)用MSComm控件進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)串口通信，同時(shí)還使用了TeeChar控件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線的繪制。

上位機(jī)采用事件驅(qū)動(dòng)的方式運(yùn)行，當(dāng)發(fā)現(xiàn)接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí)，就運(yùn)行接收處理函數(shù)，接收到的數(shù)據(jù)還不能進(jìn)行直接顯示，還需要經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換和處理，才能進(jìn)行相關(guān)的顯示工作。此外，該上位機(jī)還增加了用曲線顯示接收到的參數(shù)這一項(xiàng)功能，旨在用曲線顯示，能更清晰地模擬現(xiàn)場的實(shí)際情況。上位機(jī)程序設(shè)計(jì)的流程如圖9所示。

圖8 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程

圖9 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程

4 結(jié)束語

太陽能供電站的大量應(yīng)用，其分散的地理位置和龐大的站點(diǎn)數(shù)量，使得監(jiān)控和維護(hù)的成本增加，困難凸顯，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取電站內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)，保障太陽能光伏電站的安全運(yùn)行成為電力行業(yè)管理部門的首要任務(wù)。開展太陽能供電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究工作，有利于隨時(shí)隨地且準(zhǔn)確地獲取電站運(yùn)行參數(shù)，為電站安全狀況評(píng)估和制定科學(xué)決策以及異常狀況控制和預(yù)警提供了科學(xué)依據(jù)，達(dá)到預(yù)防故障、化解風(fēng)險(xiǎn)、減少損失的效果。

該系統(tǒng)適應(yīng)太陽能光伏電站自動(dòng)化信息處理的要求，提高了太陽能光伏供電站監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)代化監(jiān)控水平，切實(shí)保障了太陽能光伏電站的安全運(yùn)行，相信該監(jiān)控系統(tǒng)在光伏能源領(lǐng)域必將會(huì)有廣泛的應(yīng)用空間。

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