基于以太網(wǎng)技術(shù)的太陽能光伏系統(tǒng)監(jiān)控

1　引言

近年來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展。世界太陽能光伏產(chǎn)業(yè)以年平均超過33%的增長率發(fā)展， 2002年的增長率更是超過40%。目前，全世界的光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量己經(jīng)超過2. 0GW 到2010年將超過15GW。未來，太陽能光伏建筑一體化、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是太陽能光伏應(yīng)用的最終發(fā)展方向。然而，光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)的運(yùn)行一般都是處于無人執(zhí)守的情況下運(yùn)行，太陽能光伏電站是由一個(gè)個(gè)分散的光伏發(fā)電子系統(tǒng)構(gòu)成，要對地域上廣泛、分散的光伏系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測維護(hù)是十分困難、繁瑣的，需要大量的人力、物力。采用本地、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到將這些分散式的能源系統(tǒng)進(jìn)行集中調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)的調(diào)峰、分配、計(jì)量、有效使用等目標(biāo)，可以將地域上廣泛的、分散的太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)系起來，構(gòu)成一個(gè)安全的、智能化的、分散式綠色能源調(diào)度管理大系統(tǒng)。因此，研究光伏系統(tǒng)本地、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)具有十分重要的意義。特別是我國即將到來的能源短缺，加速并網(wǎng)太陽能光伏電站在城鄉(xiāng)的普及推廣具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文研究的主要內(nèi)容是利用以太網(wǎng)技術(shù)， 通過構(gòu)建以DSP為核心的嵌入式Web2Sever并與Internet互連，實(shí)現(xiàn)對光伏系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測、數(shù)據(jù)采集、能源調(diào)度與分配、計(jì)量等。

　　2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

圖1是光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。其中最主要的是以DSP為核心的嵌入式Web2seve r，電能計(jì)量及相關(guān)參數(shù)監(jiān)測，液晶顯示等部分。其中，電能計(jì)量部分不僅要計(jì)量由逆變器轉(zhuǎn)換后的電能量和諧波量等，而且還要通過采集各種傳感器的信息來監(jiān)測太陽輻照量、太陽電池板溫度、太陽電池陣列電壓、蓄電池電壓、太陽電池陣列電流、蓄電池電流。所以它已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的電能計(jì)量，而是一個(gè)功能完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因此采用先進(jìn)的DSP 測量技術(shù)，以保證電能計(jì)量表的高精度和高穩(wěn)定性。


　　3　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3. 1　通信方式的選擇

本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)的通信方式，其優(yōu)點(diǎn)是以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛， 成本低廉， 通信速率高， 軟硬件資源非常豐富等，由于以太網(wǎng)的這些優(yōu)點(diǎn)，利用以太網(wǎng)技術(shù)做為網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)有很多的優(yōu)勢，通過In te rne t接入系統(tǒng)，只要擁有一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦、PDA或者手機(jī)，就能隨時(shí)隨地對光伏系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，對能源進(jìn)行優(yōu)化管理與控制，有很大的應(yīng)用前景。

3. 2　基于ADSP2BF537的網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇ADSP2BF537做為主控制器，該芯片是一塊時(shí)鐘頻率高達(dá)600MHZ的高性能blackfin處理器，片內(nèi)有132KB全速SRAM， 10級R ISC MCU /DSP流水線，具有最佳代碼密度的混合16 /32位ISA，功能強(qiáng)大和靈活的高速緩存很適合軟實(shí)時(shí)控制和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，以及硬實(shí)時(shí)信號的處理，而且該芯片嵌入了IEEE802. 3兼容10 /100以太網(wǎng)MAC，有緩沖振蕩器輸出到單獨(dú)的PHY，非常適合做以太網(wǎng)控制器，簡化了電路的設(shè)計(jì)，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。物理層接口芯片選用LAN83C185，該LAN83C185芯片是低功耗高集成度模擬接口IC，包括有編碼器/譯碼器，擾碼器/解擾碼器，帶整形和輸出驅(qū)動(dòng)器的發(fā)送器，帶片內(nèi)自適應(yīng)均衡器和基線漫游（BLW）修正的雙絞線接收器，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路以及媒體單獨(dú)接口（M II）部分，集成了帶自適應(yīng)均衡器的DSP，支持自動(dòng)流通和平行檢測，工作電壓3. 3V， 完全和IEEE 802. 2 /802 /3u 標(biāo)準(zhǔn)兼容， 有全雙工10BASE2T/100BASE2TX收發(fā)器，支持10Mbp s和100Mbp s不屏蔽雙絞線，完整的功率管理特性。

3. 3　電能計(jì)量模塊的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，采用美國模器件公司的ADE7169作為電能計(jì)量芯片，該電能計(jì)量芯片將AD I公司成熟的電能測量內(nèi)核與微處理器、片內(nèi)閃存、LCD驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和智能電池管理電路結(jié)合在一起，不僅降低了功耗而且簡化電路的設(shè)計(jì)。電壓傳感器采集的電壓信號，經(jīng)過濾波以后，通過49腳和50腳送入電能計(jì)量芯片，同樣通過電流傳感器獲得電流信號，經(jīng)過濾波以后送入電能計(jì)量芯片7169的52腳和53腳，這樣便可以進(jìn)行有功功率、無功功率和視在功率的電能計(jì)算，以及電壓有效值（RMS）和電流有效值RMS的測量。以ADE7169為核心的電能計(jì)量模塊的電路圖見圖2。


3. 4　人機(jī)接口的設(shè)計(jì)

人機(jī)接口設(shè)計(jì)包括液晶顯示模塊。液晶顯示模塊采用TSG128128A系列模塊此系列液晶顯示模塊基于SMD技術(shù)，顯示內(nèi)容為128x128點(diǎn)圖形點(diǎn)陣式，連接模塊22插腳，引腳間距2. 54mm. 典型的操作電壓電流;可進(jìn)行對比度的調(diào)節(jié)，顯示效果清晰，屏幕穩(wěn)定性能好。該模塊與ADE7169 的7 - 33 腳連接。

4　軟件設(shè)計(jì)及其工作流程

本系統(tǒng)的RJ - 45為系統(tǒng)與局域網(wǎng)的接口。由于大部分局域網(wǎng)都采用以太網(wǎng)，這里的LAN83C185就是用于處理以太網(wǎng)協(xié)議（ IEEE 802. 3）的。數(shù)據(jù)的流向是請求信息從局域網(wǎng)中來，通過RJ - 45送到LAN83C185，處理后的數(shù)據(jù)包送入DSP系統(tǒng)的協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到原始請求信息。請求信息再經(jīng)過DSP系統(tǒng)的處理，產(chǎn)生響應(yīng)信息。響應(yīng)信息通過局域網(wǎng)傳送到用戶的瀏覽器。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。
　
本系統(tǒng)中嵌入式Web服務(wù)器的軟件主要由芯片初始化設(shè)置、lwip協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集及處理等模塊組成。在程序中加入基于lwip協(xié)議的用戶自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議。這樣就能使客戶局域網(wǎng)中的PC機(jī)與嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行自定義的通信，如：發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令、采集參數(shù)初始化命令等。網(wǎng)絡(luò)層部分加入了地址解析協(xié)議（ARP ） ，實(shí)現(xiàn)IP地址到物理地址的映射。

協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)主要分為接收數(shù)據(jù)包的解釋以及發(fā)送數(shù)據(jù)包的打包。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以幀的格式進(jìn)行傳輸，如果幀類型字段值為0x0806，則為ARP包;如果為0x0800，則為IP數(shù)據(jù)包。

接收幀時(shí)，根據(jù)不同的幀類型由不同的軟件模塊對它進(jìn)行處理。發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，也根據(jù)不同的幀類型由不同的程序進(jìn)行打包處理。幀的接收和發(fā)送都是基于物理層對PHY的操作，包括讀接收緩沖區(qū)、寫發(fā)送緩沖區(qū)。

　　5　結(jié)束語

本文的創(chuàng)新之處在于利用以太網(wǎng)的技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)以DSP為核心的并加載LW IP協(xié)議棧的能與Internet互連的小型嵌入式Web Server，實(shí)現(xiàn)對光伏設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控和對電能進(jìn)行優(yōu)化管理與控制等功能。通過實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)輸入本系統(tǒng)的地址http： / /192. 168. 1. 36 / index. htm， 就會(huì)在瀏覽器中顯示監(jiān)控網(wǎng)頁，通過點(diǎn)擊各個(gè)功能按鈕，能獲得當(dāng)前電壓、當(dāng)前電流、有功功率和無功功率的大小，以及設(shè)備工作的環(huán)境溫度等參數(shù)，目前，本系統(tǒng)能在局域網(wǎng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對光伏系統(tǒng)的設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。