基于ZigBee的光伏電池檢測監(jiān)控系統(tǒng)設計

褚 昊，張恩迪

(湖南大學微納光電器件及應用教育部重點實驗室，湖南長沙410082)

基于ZigBee的光伏電池檢測監(jiān)控系統(tǒng)設計

褚 昊，張恩迪

(湖南大學微納光電器件及應用教育部重點實驗室，湖南長沙410082)

針對在光伏電池運行過程中出現(xiàn)的檢測監(jiān)控問題，設計了一種以CC2530為核心基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的檢測監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過設計的硬件電路以及傳感器，對光伏電池的各種運行數(shù)據(jù)進行實時采集，并通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)接嬎銠C終端，由計算機軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，運用了信號處理相關理論判斷發(fā)生熱斑現(xiàn)象或類似的品質(zhì)變差(如內(nèi)阻變大)的，在成組串聯(lián)使用的電池組中的電池板，提高了品質(zhì)變差的電池板實時在線檢測準確性和可靠性，提高了電池組的整體綜合效率，降低了成本，為光伏電池檢測監(jiān)控提供了一種比較可靠的解決方案。

太陽電池；CC2530；ZigBee；無線傳感網(wǎng)絡

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，近年來，全球能源消費不斷增長，石油價格持續(xù)攀升，人們越來越擔心世界能源供應的可持續(xù)性。目前，太陽能發(fā)電已成為人類尋求新能源的熱點。

基于此背景，本文研究的意義在于：傳統(tǒng)意義上對太陽能電站的監(jiān)控是通過現(xiàn)場人工職守，不斷查看各種運行和環(huán)境參數(shù)，而太陽能電站大多建立在自然環(huán)境特別艱苦的邊遠地區(qū)，這樣就會耗費大量的人力、物力、財力，嚴重阻礙了太陽能電站的普及推廣，也明顯不適應現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的要求。因此，設計的系統(tǒng)應當能無需職守，通過無線網(wǎng)絡對電站進行實時監(jiān)控。

通過對國內(nèi)外眾多太陽能電站故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計和對湖南大學30 kW光伏建筑一體化并網(wǎng)電站的實地運行故障分析來看，電站故障發(fā)生概率最大，危害最大的因素是“熱斑效應”。所謂“熱斑效應”[1]，是指在一定條件下，串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當作負載消耗其他有光照的太陽電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的太陽電池組件會發(fā)熱，這就是“熱斑效應”。產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象后，串聯(lián)電阻減小，使得串聯(lián)之后的并聯(lián)電阻突然變大，整個系統(tǒng)的效率會隨之大幅下降。而這些現(xiàn)象，僅僅通過檢測逆變器的工作情況是無法檢測出來的。因此，設計的系統(tǒng)需要能檢測出發(fā)生故障的太陽電池板，以便通知人員維修。

目前，使用較為廣泛的避免熱斑現(xiàn)象的方法是為每塊光伏電池并聯(lián)反向旁路二極管，在單體電池發(fā)生熱斑效應帶負壓時導通，短路單體電池，保護電池不被損壞。但是這種方法也會帶來其他問題：當電池板發(fā)生熱斑效應被短路之后，就會降低其所在的串聯(lián)電路電壓，通過實驗觀測表明，當一個串聯(lián)電路中被短路電池板數(shù)量較多時，這個支路的電壓會攀升不上去，整個系統(tǒng)的輸出功率也會隨之下降。紅外圖像分析法也是常用的檢測方法，這個方法同樣存在一定的缺陷：對于溫差不明顯的情況不能很好區(qū)分，精度不高，實時性差，另外對于紅外攝像頭的要求較高，大大增加了整個系統(tǒng)的成本[2]。目前，國內(nèi)外普遍采用的檢測監(jiān)控方法中，存在著包括無法實時監(jiān)控各種環(huán)境參數(shù)，無法無線傳輸，無法遠程控制，精度不高等各種問題[3]。為了解決相關問題，本文采用無線傳感網(wǎng)絡對各種參數(shù)進行實時監(jiān)控，通過遠程計算機終端對數(shù)據(jù)進行實時處理，并且根據(jù)信號處理的相關理論，用計算機軟件通過小波變換對電池伏安信號進行分析，找出光伏陣列中發(fā)生故障的電池，從而達到對整個光伏陣列組件的檢測監(jiān)控目的。

1 系統(tǒng)總體設計

圖1所示的是基于無線傳感器網(wǎng)絡 (wireless sensor networks)ZigBee的光伏電池檢測監(jiān)控系統(tǒng)，主要由光伏電池陣列、伏安參數(shù)采集系統(tǒng)、溫濕度和光強信號采集系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡和以及終端設備等幾部分組成。

圖1 系統(tǒng)整體設計

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)芯片的選用

理想的芯片可以減少開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場，根據(jù)本文系統(tǒng)的設計要求，選擇無線收發(fā)芯片主要考慮以下三個方面因素：收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量；收發(fā)功率；收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)[4]。綜上各因素，本文選用了CC2530芯片。

CC2530是一個真正用于IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE應用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530集成了業(yè)界領先的RF收發(fā)器，增強工業(yè)標準的8051 MCU等許多其他強大的功能。CC2530有多種運行模式，各模式之間轉(zhuǎn)換時間十分短，使得功耗很低，這對于室外靠電池供電的本系統(tǒng)來說意義重大。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

本文中分別用PMA1114日照幅度計、DS18B20溫度傳感器、HS1101濕度傳感器采集光強、溫度和濕度數(shù)據(jù)，而伏安數(shù)據(jù)的采集則是通過電路來完成的。

圖2 IV數(shù)據(jù)采集電路圖

圖中采用LM385微功率運算放大器放大待測的電壓電流信號，根據(jù)公司所給電池板的數(shù)據(jù)參數(shù)表，電池板輸出短路電流為1 A左右，這里預留余量取1.2 A，將其與阻值相乘得其輸出測試電壓范圍為0～60 mV，而ADC數(shù)字電壓范圍為0～2.97 V，為使待測數(shù)據(jù)不超出其轉(zhuǎn)換范圍取2.8 V，2.8 V除以60 mV得46.666，這里取46，也即電阻取1 kΩ時電阻取45 kΩ，得到所采集到的電壓信號與所控制支路電流信號的關系為：

電腦輸入的數(shù)字控制信號通過電壓比較器OP07確定電池板在MOS支路電流也即能確定其輸出電流而能得到使用范圍內(nèi)的特性曲線，將電阻兩端電壓通過電阻、與功率放大器LM385(2)將其值放大100倍后與單片機輸入的數(shù)字電壓控制信號一起輸入到電壓比較器OP07輸入端，從而實現(xiàn)電腦給電路一定的電壓就能得到我們計算所需的電路電流，實現(xiàn)系統(tǒng)范圍內(nèi)對光伏電池板I-V曲線的測量。

2.3 無線傳感網(wǎng)絡的組建

圖3所示的是太陽電池無線傳感網(wǎng)絡的組成。無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集模塊與上位機的通信[5]。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡是基于IEEE 802.15.4設計技術標準和ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議為基礎的。ZigBee無線通信協(xié)議包括物理層(PHY)、媒體接入控制(MAC)、網(wǎng)絡(NWK)和應用層，生產(chǎn)商可以共享其應用程序框架[6]。

ZigBee的網(wǎng)絡拓撲結構分為3種：星型、樹型和網(wǎng)狀型。星型結構組建簡單，這種簡單帶來的好處是較低的設備成本，較少的上層路由信息，管理便捷。因此，本設計采用了星型結構組建ZigBee網(wǎng)絡[7]。

圖3 無線傳感網(wǎng)絡組成示意圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 總體架構

根據(jù)系統(tǒng)對測量節(jié)點設計要求，軟件需要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制主機這兩大功能。圖4是無線傳感節(jié)點的設計流程圖，當正常啟動系統(tǒng)電源以后，將對傳感器、單片機、無線模塊等進行初始化。

圖4 系統(tǒng)整體軟件架構

3.2 ZigBee協(xié)議棧

本文采用的協(xié)議棧為TI公司的Z-Stack-2.4.0-1.4.0。該協(xié)議棧是TI公司推出的符合ZigBee2007規(guī)范的協(xié)議棧，它可兼容IEEE802.15.4/ZigBee的CC2530片上系統(tǒng)解決方案，不僅方便對無線網(wǎng)絡節(jié)點的設計，還具有一定的開發(fā)性及通用性[8]。

TI的Z-Stack協(xié)議?；谝粋€操作系統(tǒng)而存在，類似μCOS的操作系統(tǒng)。Z-Stack的main函數(shù)在Zmain中，總體上看，main函數(shù)一共做了兩項工作：一個是系統(tǒng)的初始化，就是啟動代碼對硬件系統(tǒng)和軟件架構所需的各個模塊進行初始化；另一個是開始執(zhí)行OS實體，即進入OSAL任務的主循環(huán)，比較任務的優(yōu)先級，調(diào)用本任務的事件處理函數(shù)，完成相應的操作[9]。

3.3 伏安數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理程序應當具有符合用戶需求、用戶界面良好、數(shù)據(jù)分析處理能力強大等特點，因此，本文將VC++6.0的高執(zhí)行效率和Matlab優(yōu)秀的編程特性相結合，采用聯(lián)合編程的方式對采集的伏安數(shù)據(jù)進行分析處理[10]。使用Matcom工具，可以將Matlab的源代碼編譯成同等功能的C++源代碼。Matcom可以通過插件的形式潛入到VC++6.0，實現(xiàn)可視化編程。

3.4 檢測故障電池板

如果太陽電池發(fā)生故障，其電壓信號會發(fā)生突變，表現(xiàn)為信號的奇異性，而小波變換是檢測信號奇異性最常用的方法之一[11]。

小波變換的一個重要特點是它能確定函數(shù)奇異點的位置和奇異性指數(shù)。函數(shù)在某點具有奇異性是指信號在該點間斷或它的某階導數(shù)不連續(xù)。根據(jù)模極大值原理，如果小波變換在更小的尺度上不存在局部極大值，那么在該鄰域內(nèi)不可能有奇異點。定理表明奇異點的存在與每一尺度都具有模極大值有關[12]。

根據(jù)以上原理，可以從采集到的離散序列中檢測出電壓信號的奇異點，這就是信號發(fā)生突變的起始時刻和結束時刻，進而得到持續(xù)時間，再根據(jù)此持續(xù)時間內(nèi)信號的電壓幅值，就可以判斷出光伏陣列中發(fā)生故障的電池板，算法如圖5。

圖5 故障檢測算法流程圖

4 系統(tǒng)測試結果及分析

在4月中旬長沙晴天的中午十二點時，測試某太陽電池板伏安特性，再將所得到的部分數(shù)據(jù)與相應實際定點測得的數(shù)據(jù)的對照如表1所示，通過對比可以發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)所收到的數(shù)據(jù)電壓最大相差亦只有0.03 V，相對誤差，其中為理論計算值，為我們實際測得值，得最大誤差不超過0.04%，在精度范圍內(nèi)，比現(xiàn)今市場上所用伏安特性測試儀的0.1%高很多。

5 結論

基于無線傳感網(wǎng)絡的太陽電池實時監(jiān)控系統(tǒng)結構簡單，成本較低，并能有效檢測監(jiān)控太陽電池的發(fā)電情況，適用于各種光伏系統(tǒng)。同時系統(tǒng)裝置器件壽命較長，耐用可靠，有利于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的普及，在光伏系統(tǒng)中有廣闊應用前景。

表1 系統(tǒng)所接到的部分數(shù)據(jù)與實際測得數(shù)據(jù)對比表

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Solar cell inspection and monitoring system based on ZigBee

In order to resolve the in-situ monitoring the individual solar panel performance in the serially connected system,a new online monitoring system based upon ZigBee wireless network with CC2530 SOC was designed.Through the hardware circuit and sensors,various running data of photovoltaic cells were acquired,then the data transfer to the computer terminal through the wireless network,and processed by computer software.The new system utilized relevant principles of signal processing theory to identify the degraded solar panels,e.g.internal resistant increase due to hot spots on the specific solar panel during operating.In comparison to the current available solutions,not only the accuracy and reliability but also less expensive were improved.Thus,a new solution was provided to this critical problem in solar industry.

solar cell;CC2530;ZigBee;wireless sensor networks

TM 914

A

1002-087 X(2016)03-0621-04

2015-08-09

國家重點基礎研究發(fā)展“973”計劃項目(2007CB310500)；國家自然科學基金項目(21003041)

褚昊(1986—)，男，湖北省人，碩士生，主要研究方向為電路與系統(tǒng)；導師：張恩迪(1966—)，男，湖南省人，教授，主要研究方向為電路與系統(tǒng)。