通用光伏系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

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

光伏系統(tǒng)是利用太陽(yáng)電池組件和其他輔助設(shè)備將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能并進(jìn)行一定應(yīng)用的系統(tǒng)。近來(lái)，各種新型的光伏系統(tǒng)被不斷設(shè)計(jì)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(jì)這些系統(tǒng)的過(guò)程中需要額外設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試方案對(duì)其性能和實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行測(cè)試，如采集和記錄充放電效率、運(yùn)行功率、實(shí)時(shí)太陽(yáng)能電池板功率等數(shù)據(jù)。不同的工程師在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)若采用不同的數(shù)據(jù)測(cè)試方案，這將可能會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目管理混亂和引起不必要的重復(fù)設(shè)計(jì)，而實(shí)際上光伏應(yīng)用系統(tǒng)有著許多的共性，測(cè)試過(guò)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(jì)一種具有一定擴(kuò)展能力的通用光伏系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試常用光伏系統(tǒng)參數(shù)并兼容一些額外的參數(shù)和計(jì)算，以簡(jiǎn)化和統(tǒng)一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)試平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)模型，光伏應(yīng)用系統(tǒng)將通過(guò)一定的通信機(jī)制將測(cè)試參量發(fā)送給PC監(jiān)控端。PC監(jiān)控端通過(guò)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?fù)浣Y(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(yáng)能電池板，儲(chǔ)能組件為蓄電池、鋰電池等儲(chǔ)能設(shè)備；主控制器為單片機(jī)、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(jī)等，它是整個(gè)系統(tǒng)中主要的耗電部分。
在光伏系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程中，工程師通過(guò)了解各個(gè)部件的運(yùn)行參數(shù)來(lái)獲取系統(tǒng)運(yùn)行狀況。按照光伏應(yīng)用系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，需要從各個(gè)組件中獲取的基本測(cè)試參數(shù)有：光伏陣列端電壓Vp和輸出電流Ip，儲(chǔ)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(jì)實(shí)例需要添加額外的測(cè)試參量，如在有些系統(tǒng)中需要使用Buck和Boost等電路對(duì)光伏陣列的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，需要額外測(cè)試變壓之后的輸出電壓和輸出電流。同時(shí)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(jì)算結(jié)果，這些參數(shù)會(huì)由于系統(tǒng)的差異性不同而變化，因此，所設(shè)計(jì)的通用系統(tǒng)還需要有能力進(jìn)行擴(kuò)張并獲取類似的測(cè)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(wú)需修改就可以查看各個(gè)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(cè)試平臺(tái)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行交互。一個(gè)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(yàn)單元、結(jié)束標(biāo)志單元四部分組成。

交互包中各單元詳細(xì)說(shuō)明如下：
起始標(biāo)志單元：1 B長(zhǎng)度，表示一個(gè)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(hào)、總包數(shù)、包序號(hào)、命令編號(hào)、設(shè)備編號(hào)、命令體長(zhǎng)度8個(gè)字段組成，共11 B長(zhǎng)度。命令體的解析方法和實(shí)際長(zhǎng)度由控制部分的“命令編號(hào)”字段和“命令體長(zhǎng)度”確定。命令單元的組成格式見(jiàn)圖4。

校驗(yàn)單元：針對(duì)協(xié)議中的“命令單元”進(jìn)行校驗(yàn)(從“命令單元”的第一個(gè)字節(jié)計(jì)算到最后一個(gè)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(yàn)和(低字節(jié)在前，高字節(jié)在后)。
結(jié)束標(biāo)志單元：1 B長(zhǎng)度，表示一個(gè)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(hào)：命令的惟一標(biāo)識(shí)詳見(jiàn)表1。編號(hào)0x10～0x15表示的是基本的測(cè)試參數(shù)，0x20～0xFF作為擴(kuò)展的命令編號(hào)，用來(lái)進(jìn)行編號(hào)額外的測(cè)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(kuò)展命令的使用。

設(shè)備編號(hào)：所測(cè)試光伏應(yīng)用系統(tǒng)的惟一標(biāo)識(shí)。低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。例如編號(hào)為0x12345678的系統(tǒng)，4 B移動(dòng)電源編號(hào)排列順序?yàn)椋?x78，0x56，0x34，0x12。設(shè)備未使用前，設(shè)備編號(hào)統(tǒng)一默認(rèn)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(duì)應(yīng)命令需要發(fā)送的總包數(shù)，取值范圍為：1～255；
包序號(hào)：當(dāng)前包的序號(hào)，取值范圍由1至總包數(shù)；
命令體長(zhǎng)度：命令體字段的實(shí)際長(zhǎng)度(以字節(jié)為單位)。規(guī)定0x10到0x15的基本測(cè)試參數(shù)的命令體長(zhǎng)度為4 B，其他的擴(kuò)展參數(shù)的命令體長(zhǎng)度視具體情況而定；
命令數(shù)據(jù)：長(zhǎng)度、解析方式由命令控制頭的“命令體長(zhǎng)度”和“命令編號(hào)”確定。

3 PC監(jiān)控端軟件的設(shè)計(jì)
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(chǔ)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(guò)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(lái)的數(shù)據(jù)流，通過(guò)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(lái)，并以隊(duì)列形式放入內(nèi)存緩沖區(qū)中。
內(nèi)存緩沖區(qū)中維護(hù)著兩個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列，這兩個(gè)隊(duì)列輪流負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和被讀取分析的工作。當(dāng)程序剛開(kāi)始執(zhí)行的時(shí)候，兩隊(duì)列為空，數(shù)據(jù)接收模塊先往其中的一個(gè)隊(duì)列存入數(shù)據(jù)包。當(dāng)達(dá)到隊(duì)列所能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包最大個(gè)數(shù)值時(shí)，認(rèn)定該隊(duì)列已滿，并將該隊(duì)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(duì)列數(shù)據(jù)包。同時(shí)數(shù)據(jù)接收模塊獲取另一個(gè)隊(duì)列地址，并將數(shù)據(jù)包存入該隊(duì)列中，當(dāng)該隊(duì)列存滿時(shí)，無(wú)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(duì)列中的數(shù)據(jù)包，并將空隊(duì)列提供給接收模塊，而將新的滿隊(duì)列提供給分析模塊進(jìn)行分析，這樣可以讓數(shù)據(jù)得到及時(shí)更新，使主程序可以盡快地獲取光伏系統(tǒng)的測(cè)試參數(shù)。

這些操作由三個(gè)獨(dú)立的線程完成，其中兩個(gè)線程分別進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析操作，其運(yùn)行流程圖分別如圖6和圖7，還有個(gè)線程專門負(fù)責(zé)隊(duì)列的切換和隊(duì)列中數(shù)據(jù)包的釋放操作。其運(yùn)行流程圖如圖8所示。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)在用戶發(fā)送存儲(chǔ)指令之后，存儲(chǔ)用戶需要保存的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。用戶顯示界面如圖9所示，其通過(guò)界面下方的顯示窗口直接向用戶顯示這些參數(shù)的實(shí)時(shí)信息，同時(shí)用戶還可以通過(guò)添加參數(shù)和計(jì)算顯示中的自定義公式來(lái)定義新的測(cè)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(guò)在顯示數(shù)據(jù)菜單中選擇需要以圖像進(jìn)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(shí)圖像。工程師可通過(guò)它了解數(shù)據(jù)不同時(shí)段的相關(guān)性，如太陽(yáng)能電池板輸出功率及電路轉(zhuǎn)換效率等在不同時(shí)間的轉(zhuǎn)變過(guò)程，這對(duì)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(shí)例
該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于一些光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，圖9所示的即是一種太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)在早上9時(shí)43分時(shí)的運(yùn)行狀況，工程師可以通過(guò)其直接觀察系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀況，并發(fā)現(xiàn)是否存在問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)
由以上的分析和實(shí)踐可知，本文通過(guò)編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)的PC端測(cè)試終端和規(guī)定光伏系統(tǒng)測(cè)試參量數(shù)據(jù)上傳的格式，所設(shè)計(jì)的一套通用光伏系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)可以直觀地觀測(cè)光伏系統(tǒng)測(cè)試參量，避免工程師的重復(fù)設(shè)計(jì)和進(jìn)行繁雜的測(cè)試工作，提高工作效率，縮短設(shè)計(jì)周期。該系統(tǒng)具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。