基于網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的光伏發(fā)電系統

1　引言

近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在國內外得到了廣泛應用和飛速發(fā)展。世界太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)以年平均超過(guò)33%的增長(cháng)率發(fā)展， 2002年的增長(cháng)率更是超過(guò)40%。目前，全世界的光伏系統裝機容量己經(jīng)超過(guò)2. 0GW 到2010年將超過(guò)15GW。未來(lái)，太陽(yáng)能光伏建筑一體化、光伏并網(wǎng)系統是太陽(yáng)能光伏應用的最終發(fā)展方向。然而，光伏并網(wǎng)電站系統的運行一般都是處于無(wú)人執守的情況下運行，太陽(yáng)能光伏電站是由一個(gè)個(gè)分散的光伏發(fā)電子系統構成，要對地域上廣泛、分散的光伏系統進(jìn)行監測維護是十分困難、繁瑣的，需要大量的人力、物力。采用本地、遠程監控技術(shù)對光伏發(fā)電系統進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，達到將這些分散式的能源系統進(jìn)行集中調度管理，實(shí)現大電網(wǎng)的調峰、分配、計量、有效使用等目標，可以將地域上廣泛的、分散的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統聯(lián)系起來(lái)，構成一個(gè)安全的、智能化的、分散式綠色能源調度管理大系統。因此，研究光伏系統本地、遠程監控技術(shù)具有十分重要的意義。特別是我國即將到來(lái)的能源短缺，加速并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏電站在城鄉的普及推廣具有重要現實(shí)意義。

本文研究的主要內容是利用以太網(wǎng)技術(shù)， 通過(guò)構建以DSP為核心的嵌入式Web2Se ve r并與In te rne t互連，實(shí)現對光伏系統進(jìn)行狀態(tài)監控、故障檢測、數據采集、能源調度與分配、計量等。

2　系統實(shí)現原理

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

3　系統方案設計

3. 1　通信方式的選擇

本系統采用以太網(wǎng)的通信方式，其優(yōu)點(diǎn)是以太網(wǎng)應用廣泛， 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 )通信平臺有很多的優(yōu)勢，通過(guò)In te rne t接入系統，只要擁有一臺能上網(wǎng)的電腦、PDA或者手機，就能隨時(shí)隨地對光伏系統中的設備進(jìn)行自動(dòng)化監控，對能源進(jìn)行優(yōu)化管理與控制，有很大的應用前景。

3. 2　基于A(yíng)DSP2BF537的網(wǎng)絡(luò )通信模塊的設計

本系統選擇ADSP2BF537做為主控制器，該芯片是一塊時(shí)鐘頻率高達600MHZ的高性能blackfin處理器，片內有132KB全速SRAM， 10級R ISC MCU /DSP流水線(xiàn)，具有最佳代碼密度的混合16 /32位ISA，功能強大和靈活的高速緩存很適合軟實(shí)時(shí)控制和工業(yè)標準系統，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的PHY，非常適合做以太網(wǎng)控制器，簡(jiǎn)化了電路的設計，節約了設計成本。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，帶整形和輸出驅動(dòng)器的發(fā)送器，帶片內自適應均衡器和基線(xiàn)漫游（BLW）修正的雙絞線(xiàn)接收器，時(shí)鐘和數據恢復電路以及媒體單獨接口（M II）部分，集成了帶自適應均衡器的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 標準兼容， 有全雙工10BASE2T/100BASE2TX收發(fā)器，支持10Mbp s和100Mbp s不屏蔽雙絞線(xiàn)，完整的功率管理特性。

3. 3　電能計量模塊的設計

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

3. 4　人機接口的設計

人機接口設計包括液晶顯示模塊。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)行對比度的調節，顯示效果清晰，屏幕穩定性能好。該模塊與ADE7169 的7 - 33 腳連接。

4　軟件設計及其工作流程

本系統的RJ - 45為系統與局域網(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。數據的流向是請求信息從局域網(wǎng)中來(lái)，通過(guò)RJ - 45送到LAN83C185，處理后的數據包送入DSP系統的協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數據包進(jìn)行解析，得到原始請求信息。請求信息再經(jīng)過(guò)DSP系統的處理，產(chǎn)生響應信息。響應信息通過(guò)局域網(wǎng)傳送到用戶(hù)的瀏覽器。整個(gè)系統的軟件流程如圖3所示。

本系統中嵌入式Web服務(wù)器的軟件主要由芯片初始化設置、lwip協(xié)議棧的實(shí)現、數據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(hù)自定義數據通信協(xié)議。這樣就能使客戶(hù)局域網(wǎng)中的PC機與嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行自定義的通信，如：發(fā)送數據采集命令、采集參數初始化命令等。網(wǎng)絡(luò )層部分加入了地址解析協(xié)議（ARP ） ，實(shí)現IP地址到物理地址的映射。

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

接收幀時(shí)，根據不同的幀類(lèi)型由不同的軟件模塊對它進(jìn)行處理。發(fā)送數據幀時(shí)，也根據不同的幀類(lèi)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、寫(xiě)發(fā)送緩沖區。

5　結束語(yǔ)

本文的創(chuàng )新之處在于利用以太網(wǎng)的技術(shù)，構建一個(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)現對光伏設備進(jìn)行自動(dòng)化監控和對電能進(jìn)行優(yōu)化管理與控制等功能。通過(guò)實(shí)驗表明，當輸入本系統的地址http： / /192. 168. 1. 36 / index. htm， 就會(huì )在瀏覽器中顯示監控網(wǎng)頁(yè)，通過(guò)點(diǎn)擊各個(gè)功能按鈕，能獲得當前電壓、當前電流、有功功率和無(wú)功功率的大小，以及設備工作的環(huán)境溫度等參數，目前，本系統能在局域網(wǎng)內，實(shí)現對光伏系統的設備的遠程監控。