通用光伏系統(tǒng)測試平臺的設(shè)計

摘要：為了統(tǒng)一光伏系統(tǒng)測試方案，避免項目管理混亂和不必要的重復(fù)設(shè)計等問題，提出了一種通用光伏系統(tǒng)測試平臺，制定了光伏系統(tǒng)與PC軟件端數(shù)據(jù)交互協(xié)議，實現(xiàn)了用來獲取常用光伏系統(tǒng)測試參數(shù)及具有良好擴張性的通用用戶監(jiān)控界面。測試結(jié)果表明，該測試平臺很好地解決了上述問題，從而縮短了系統(tǒng)設(shè)計周期。
關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；通用測試平臺；通信協(xié)議；用戶監(jiān)控界面

光伏系統(tǒng)是利用太陽電池組件和其他輔助設(shè)備將太陽能轉(zhuǎn)換成電能并進行一定應(yīng)用的系統(tǒng)。近來，各種新型的光伏系統(tǒng)被不斷設(shè)計投產(chǎn)。為優(yōu)化和提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性，工程師在設(shè)計這些系統(tǒng)的過程中需要額外設(shè)計系統(tǒng)測試方案對其性能和實際運行效果進行測試，如采集和記錄充放電效率、運行功率、實時太陽能電池板功率等數(shù)據(jù)。不同的工程師在設(shè)計系統(tǒng)時若采用不同的數(shù)據(jù)測試方案，這將可能會導(dǎo)致項目管理混亂和引起不必要的重復(fù)設(shè)計，而實際上光伏應(yīng)用系統(tǒng)有著許多的共性，測試過程中所需要的參數(shù)具有一定的重復(fù)性，因此可以設(shè)計一種具有一定擴展能力的通用光伏系統(tǒng)測試平臺，測試常用光伏系統(tǒng)參數(shù)并兼容一些額外的參數(shù)和計算，以簡化和統(tǒng)一測試標(biāo)準(zhǔn)，縮短系統(tǒng)設(shè)計周期。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和功能
圖1是通用光伏系統(tǒng)測試平臺的基本結(jié)構(gòu)模型，光伏應(yīng)用系統(tǒng)將通過一定的通信機制將測試參量發(fā)送給PC監(jiān)控端。PC監(jiān)控端通過良好的交互界面將所接收到的數(shù)據(jù)反饋給工程師。

一般光伏系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由四部分組成。一般光伏組件為太陽能電池板，儲能組件為蓄電池、鋰電池等儲能設(shè)備；主控制器為單片機、DSP等控制芯片電路；功能組件根據(jù)不同的應(yīng)用可以是LED照明燈、電機等，它是整個系統(tǒng)中主要的耗電部分。
在光伏系統(tǒng)的測試過程中，工程師通過了解各個部件的運行參數(shù)來獲取系統(tǒng)運行狀況。按照光伏應(yīng)用系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖，需要從各個組件中獲取的基本測試參數(shù)有：光伏陣列端電壓Vp和輸出電流Ip，儲能組件的端電壓Vb和輸入輸出電流Ib，功能組件的輸入電壓Vf和輸入電流If。
由于系統(tǒng)應(yīng)用的不同，一些具體的設(shè)計實例需要添加額外的測試參量，如在有些系統(tǒng)中需要使用Buck和Boost等電路對光伏陣列的輸出電壓進行調(diào)節(jié)，需要額外測試變壓之后的輸出電壓和輸出電流。同時系統(tǒng)還需要能直接顯示例如光伏陣列輸入功率等參數(shù)計算結(jié)果，這些參數(shù)會由于系統(tǒng)的差異性不同而變化，因此，所設(shè)計的通用系統(tǒng)還需要有能力進行擴張并獲取類似的測試參量。
使系統(tǒng)具有通用性的根本手段是使其有一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交互協(xié)議和無需修改就可以查看各個系統(tǒng)以上所有參數(shù)信息的PC端用戶交互界面。

2 數(shù)據(jù)交互協(xié)議
為了讓通用測試平臺能夠應(yīng)用于不同的光伏系統(tǒng)，需要制定一套通信傳輸協(xié)議規(guī)范上傳的數(shù)據(jù)包格式，使監(jiān)控界面程序能夠正常讀取和解析所有光伏系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)。
PC端監(jiān)控程序和光伏應(yīng)用系統(tǒng)需通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包進行交互。一個完整的交互數(shù)據(jù)包如圖3所示，由起始標(biāo)志單元、命令單元、CRC校驗單元、結(jié)束標(biāo)志單元四部分組成。

交互包中各單元詳細說明如下：
起始標(biāo)志單元：1 B長度，表示一個完整數(shù)據(jù)包起始標(biāo)志，固定ASCII字符‘X’(0x58)。
命令單元：由命令控制頭和命令體兩部分組成。命令控制頭由協(xié)議版本號、總包數(shù)、包序號、命令編號、設(shè)備編號、命令體長度8個字段組成，共11 B長度。命令體的解析方法和實際長度由控制部分的“命令編號”字段和“命令體長度”確定。命令單元的組成格式見圖4。

校驗單元：針對協(xié)議中的“命令單元”進行校驗(從“命令單元”的第一個字節(jié)計算到最后一個字節(jié))，采用CCITT推薦的16位的X16+X12+X5+1(0x1021)，生成2 B的CRC校驗和(低字節(jié)在前，高字節(jié)在后)。
結(jié)束標(biāo)志單元：1 B長度，表示一個完整數(shù)據(jù)包(分組)起始標(biāo)志，固定為ASCII字符‘X’(0x58)。
命令編號：命令的惟一標(biāo)識詳見表1。編號0x10～0x15表示的是基本的測試參數(shù)，0x20～0xFF作為擴展的命令編號，用來進行編號額外的測試參數(shù)，其中0x58已用作起始和結(jié)束標(biāo)志，所以0x58不參與作為擴展命令的使用。

設(shè)備編號：所測試光伏應(yīng)用系統(tǒng)的惟一標(biāo)識。低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。例如編號為0x12345678的系統(tǒng)，4 B移動電源編號排列順序為：0x78，0x56，0x34，0x12。設(shè)備未使用前，設(shè)備編號統(tǒng)一默認為0。
總包數(shù)：如果一條命令需要分多包發(fā)送，該字段表示對應(yīng)命令需要發(fā)送的總包數(shù)，取值范圍為：1～255；
包序號：當(dāng)前包的序號，取值范圍由1至總包數(shù)；
命令體長度：命令體字段的實際長度(以字節(jié)為單位)。規(guī)定0x10到0x15的基本測試參數(shù)的命令體長度為4 B，其他的擴展參數(shù)的命令體長度視具體情況而定；
命令數(shù)據(jù)：長度、解析方式由命令控制頭的“命令體長度”和“命令編號”確定。

3 PC監(jiān)控端軟件的設(shè)計
PC監(jiān)控端軟件主要由數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示模塊組成。它的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖中，數(shù)據(jù)接收模塊通過串口、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等通信組件接收光伏系統(tǒng)傳送上來的數(shù)據(jù)流，通過分析是否存在數(shù)據(jù)包起始和結(jié)束標(biāo)志，將數(shù)據(jù)包從中分離出來，并以隊列形式放入內(nèi)存緩沖區(qū)中。
內(nèi)存緩沖區(qū)中維護著兩個數(shù)據(jù)隊列，這兩個隊列輪流負責(zé)存儲數(shù)據(jù)和被讀取分析的工作。當(dāng)程序剛開始執(zhí)行的時候，兩隊列為空，數(shù)據(jù)接收模塊先往其中的一個隊列存入數(shù)據(jù)包。當(dāng)達到隊列所能存儲的數(shù)據(jù)包最大個數(shù)值時，認定該隊列已滿，并將該隊列送入數(shù)據(jù)分析模塊，由數(shù)據(jù)分析模塊讀取和分析隊列數(shù)據(jù)包。同時數(shù)據(jù)接收模塊獲取另一個隊列地址，并將數(shù)據(jù)包存入該隊列中，當(dāng)該隊列存滿時，無論數(shù)據(jù)分析模塊是否已經(jīng)分析完，程序應(yīng)釋放分析模塊占用隊列中的數(shù)據(jù)包，并將空隊列提供給接收模塊，而將新的滿隊列提供給分析模塊進行分析，這樣可以讓數(shù)據(jù)得到及時更新，使主程序可以盡快地獲取光伏系統(tǒng)的測試參數(shù)。

這些操作由三個獨立的線程完成，其中兩個線程分別進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析操作，其運行流程圖分別如圖6和圖7，還有個線程專門負責(zé)隊列的切換和隊列中數(shù)據(jù)包的釋放操作。其運行流程圖如圖8所示。

數(shù)據(jù)存儲模塊負責(zé)在用戶發(fā)送存儲指令之后，存儲用戶需要保存的相關(guān)測試數(shù)據(jù)。用戶顯示界面如圖9所示，其通過界面下方的顯示窗口直接向用戶顯示這些參數(shù)的實時信息，同時用戶還可以通過添加參數(shù)和計算顯示中的自定義公式來定義新的測試參數(shù)和公式形式，并將其直接顯示在界面的右下角。用戶通過在顯示數(shù)據(jù)菜單中選擇需要以圖像進行顯示的參數(shù)使程序可以在其上方的窗口中繪制相關(guān)參數(shù)的分時圖像。工程師可通過它了解數(shù)據(jù)不同時段的相關(guān)性，如太陽能電池板輸出功率及電路轉(zhuǎn)換效率等在不同時間的轉(zhuǎn)變過程，這對工程師分析系統(tǒng)性能有很大的幫助。

4 結(jié)果和應(yīng)用實例
該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于一些光伏系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，圖9所示的即是一種太陽能路燈系統(tǒng)在早上9時43分時的運行狀況，工程師可以通過其直接觀察系統(tǒng)當(dāng)前運行狀況，并發(fā)現(xiàn)是否存在問題。

5 結(jié)語
由以上的分析和實踐可知，本文通過編寫標(biāo)準(zhǔn)的PC端測試終端和規(guī)定光伏系統(tǒng)測試參量數(shù)據(jù)上傳的格式，所設(shè)計的一套通用光伏系統(tǒng)測試平臺可以直觀地觀測光伏系統(tǒng)測試參量，避免工程師的重復(fù)設(shè)計和進行繁雜的測試工作，提高工作效率，縮短設(shè)計周期。該系統(tǒng)具有很高的實際應(yīng)用價值。