基于RS485通信的光伏發(fā)電實(shí)時(shí)監測系統設計

隨著(zhù)能源危機的日益嚴峻。各種可再生能源得到了長(cháng)足的發(fā)展。在諸多的可再生能源中，光伏發(fā)電在未來(lái)有著(zhù)廣泛的應用前景，光伏產(chǎn)業(yè)是最有潛力的新能源之一。進(jìn)行光伏發(fā)電時(shí)，對光伏電站發(fā)電狀態(tài)的監測是十分必要的。因為單塊光伏組件輸出的直流電壓較低，一般在幾十伏左右，所以通常采用多塊光伏組件相互串聯(lián)。然后各個(gè)組串相互并聯(lián)從而形成光伏陣列。在發(fā)電過(guò)程中，光伏陣列的局部故障會(huì )導致整個(gè)供電系統輸出電壓或功率下降．直接影響系統性能和運行效率。為確保系統正常運行，應對光伏陣列進(jìn)行狀態(tài)監測，以便能及時(shí)地、有針對性地進(jìn)行維護。從而提高光伏發(fā)電效率。據此，本文基于RS485通信和 LabVlEW軟件平臺研發(fā)了一套光伏電站監測系統。該系統具有可視化的監測界面，可實(shí)時(shí)顯示光伏發(fā)電系統的發(fā)電狀態(tài)，并可供用戶(hù)查詢(xún)歷史數據以便進(jìn)行統計分析。

1 系統結構及原理

圖1為系統總體結構框圖。PC機主要對光伏發(fā)電系統中的溫度、光照強度等環(huán)境參數和輸出電流、輸出電壓、輸出功率等發(fā)電信息進(jìn)行監控、統計及顯示。單片機、A/D轉換和傳感器構成一個(gè)數據采集器，傳感器將環(huán)境參數和發(fā)電信息采集過(guò)來(lái)，通過(guò)A/D轉換將模擬信號變成數字信號發(fā)送至單片機，單片機將數據處理后緩存并發(fā)送。單片機與PC機之間采用RS485轉RS232通信協(xié)議進(jìn)行數據傳輸。PC機將接受到的數據處理后保存并及時(shí)顯示，實(shí)現對光伏發(fā)電系統各類(lèi)參數的實(shí)時(shí)監測。

2 硬件電路設計

本系統硬件電路主要包括2方面：數據采集模塊和通信。數據采集部分將所需數據采集處理后，通過(guò)單片機發(fā)送至上位機：通信部分在硬件上主要是電平的轉換和與上位機通信時(shí)接口處理。

系統處理器采用STC89C51芯片，該芯片具有8 K字節Flash，512字節RAM，32位I/O口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器，3個(gè)16位定時(shí)器/計數器，4個(gè)外部中斷，1個(gè)7向量4級中斷結構，全雙工串行口，是一種低功耗、高性能微控制器。

2．1 數據采集模塊

該模塊主要功能是采集電流、電壓、溫度、照度4類(lèi)數據。利用模數轉換芯片將傳感器采集回來(lái)的模擬信號轉換成數字信號，再由單片機進(jìn)行數據處理。模數轉換芯片采用ADC0809，它是8位逐次逼近式模數轉換器，包括1個(gè)8位的逼近型的ADC部分，并提供1個(gè)8通道的模擬多路開(kāi)關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯，用它可直接將8個(gè)單端模擬信號輸入，分時(shí)進(jìn)行A/D轉換。本系統中只需要應用其中的4個(gè)通道，分別對有傳感器采集回來(lái)的電流、電壓、溫度、照度4個(gè)模擬信號進(jìn)行轉換 。然后由51單片機進(jìn)行數據存儲及數據處理，完成對模擬信號的采集。

由于A(yíng)DC0809芯片內部沒(méi)有時(shí)鐘脈沖源, 可利用單片機89C51提供的地址鎖存控制輸入信號ALE經(jīng)D觸發(fā)器四分頻后，作為ADC0809的時(shí)鐘輸入。當CPU訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器時(shí)．ALE的輸出作為外部鎖存地址的低字節的控制信號：當不訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器時(shí)，ALE端以1/6的時(shí)鐘振蕩頻率固定地輸出正脈沖，可取單片機的時(shí)鐘頻率為12 MHz。則ALE端輸出的頻率為2 MHz。再經(jīng)四分頻后為500kHz，符合ADC0809對時(shí)鐘的要求。

如圖2所示。ADC0809內部設有地址鎖存器，通道地址由P2口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連，通道基本地址為0000H～0007H。模擬量由ADC0809的IN0～IN7輸入．數字量由ADC0809的DO～D7輸出并接到單片機I/O口的P0口，ADC0809其他引腳如：START、OE、ALE、A、B、C等直接接到單片機的P2口。最后ADC0809的結束信號端口直接接到單片機的P2.7口。

2．2 通信部分

PC機串行口為標準的RS232C接口，最大通信距離僅為15 m，無(wú)法適用于遠距離的監測。選用RS485串行接口標準可實(shí)現管理微機遠距離對下位機進(jìn)行通信管理。串口通信采用RS485協(xié)議進(jìn)行，其傳輸距離較長(cháng)。適用于從光伏發(fā)電設備到監控設備之間的數據傳輸。RS485采用差分信號負邏輯，邏輯“1”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為+(2～6)V表示；邏輯“0”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為-(2～6)V表示。RS485接口是采用平衡驅動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。RS485最大的通信距離約為1219 m，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸速率與傳輸距離成反比。

采用Rs485通信時(shí)，需要解決2個(gè)問(wèn)題。STC89C51本身具有全雙工串行口．但進(jìn)行RS485通信時(shí)需要電平轉換：PC機串行1：1為標準的RS232C接口，通信時(shí)需要將RS485接口的邏輯電平轉換成RS232電平。Rs485通信的電平轉換芯片有全雙工的和半雙工的，為了便于軟件開(kāi)發(fā)，本次設計采用全雙工芯片MAX488。

如圖3所示，電平轉換電路采用MAX488全雙工集成芯片，使用時(shí)將單片機的串行收發(fā)端接人RS488的發(fā)收端。為保持通信信號的穩定，一般會(huì )在MAX488加上、下拉電阻。上拉電阻把不確定的信號通過(guò)一個(gè)電阻嵌位在高電平，此電阻還起到限流的作用。同理，下拉電阻將不確定的信號嵌位在低電平。在實(shí)際工程應用中，由于存在反射信號和環(huán)境等各種干擾的影響，特別是在通訊波特率比較高的時(shí)候，在線(xiàn)路上加上、下拉偏置電阻是非常必要的。上、下拉電阻可提高總線(xiàn)的抗電磁干擾能力，管腳懸空容易受到外界的電磁干擾，同時(shí)長(cháng)線(xiàn)傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上、下拉電阻就是電阻匹配，可有效地抑制反射波干擾。