摘  要： 針對(duì)光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)故障維護(hù)成本高問(wèn)題，提出一種基于可編程器件的遠(yuǎn)程自修復(fù)光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流、溫度、濕度、光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)采集、處理、遠(yuǎn)程傳輸以及調(diào)理電路在線故障監(jiān)測(cè)及自修復(fù)，研究了可編程模擬陣列調(diào)理電路的故障診斷及自修復(fù)方法。實(shí)驗(yàn)表明，該光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各參數(shù)準(zhǔn)確、高效采集及遠(yuǎn)程傳輸，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、功耗低等特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞： 可編程器件；可編程模擬陣列，自修復(fù)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

　　隨著能源危機(jī)的不斷加重，世界各國(guó)加大對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用，太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)隨之迅速發(fā)展。基于可再生能源的分布式微型電網(wǎng)技術(shù)能夠提高能源利用率[1]，同時(shí)保持較高的電能指標(biāo)，近年來(lái)備受關(guān)注。微網(wǎng)中含有的微電源種類繁多，光伏發(fā)電是其中潛力最大的一種可再生綠色能源，光伏發(fā)電被認(rèn)為是當(dāng)今世界最具發(fā)展前景的一種新能源技術(shù)，具有許多不同于其他可再生能源的突出優(yōu)勢(shì)：無(wú)噪音、不產(chǎn)生溫室氣體、模塊化安裝、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、發(fā)電效率不受規(guī)模影響，無(wú)論從保護(hù)環(huán)境還是能源戰(zhàn)略上都具有重要意義[2]。

　　由于光伏發(fā)電的控制采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，光伏發(fā)電的輸出功率直接決定于光照強(qiáng)度，而光照強(qiáng)度在一天里隨著時(shí)間和天氣等因素的變化不是一個(gè)穩(wěn)定值，所以光伏發(fā)電的輸出功率是隨著光照強(qiáng)度的變化而波動(dòng)的[3]。光伏發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性會(huì)引起電壓波動(dòng)、電壓閃變以及頻率波動(dòng)等一系列電能質(zhì)量問(wèn)題[4]。光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量調(diào)控有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，目前光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在現(xiàn)場(chǎng)故障維護(hù)成本高問(wèn)題，針對(duì)此問(wèn)題提出一種基于可編程器件的遠(yuǎn)程自修復(fù)光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)光伏陣列的電壓、電流、溫度、光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)終端兩大部分組成，采用分布式結(jié)構(gòu)，各級(jí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)采用金字塔結(jié)構(gòu)逐級(jí)連接，其中底層監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)終端相連，監(jiān)測(cè)終端通過(guò)GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)與底層應(yīng)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或直接與頂層應(yīng)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連。此結(jié)構(gòu)采用積木式組合實(shí)現(xiàn)靈活分級(jí)，物理上分散監(jiān)測(cè)、邏輯上數(shù)據(jù)分級(jí)集中管理。具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)測(cè)終端硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由數(shù)據(jù)采集單元、存儲(chǔ)單元、報(bào)警單元、電源單元以及控制器單元等組成，各個(gè)單元通過(guò)硬件電路相互連接，具體結(jié)構(gòu)圖如圖2。

　　2.1 數(shù)據(jù)采集單元

　　采集單元主要完成光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流、溫度、濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)的采集。首先傳感器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后電信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成控制器可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，調(diào)理電路由單端轉(zhuǎn)差分電路、放大濾波電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路組成，放大濾波電路采用具有可重構(gòu)特性的FPAA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　2.1.1傳感器選擇

　　為了降低設(shè)計(jì)難度，系統(tǒng)環(huán)境溫濕度傳感器選用單總線數(shù)字式溫濕度傳感器AM231；光伏組件溫度測(cè)量采用12位分辨率、單總線的數(shù)字溫度傳感器DS18B20；光照強(qiáng)度傳感器通過(guò)硅光電池來(lái)完成測(cè)量，測(cè)量光譜范圍為0.2～1.1 ?滋m；電流、電壓監(jiān)測(cè)采用響應(yīng)時(shí)間小于1 ms的霍爾傳感器，其中電流傳感器選用HNC-025SY，電壓傳感器選用HNV-025A。

　　2.1.2 調(diào)理電路

　　目前光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中放大濾波電路常采用運(yùn)放搭建方式，存在集成度低、調(diào)試難、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求高等問(wèn)題，F(xiàn)PAA技術(shù)的出現(xiàn)很好地克服了上述問(wèn)題。FPAA技術(shù)具有功耗低、集成度高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可重構(gòu)等特點(diǎn)[5-6]。

　　本系統(tǒng)中放大濾波電路選用Andigm公司生產(chǎn)的3.3 V供電FPAA芯片AN231E04，ANE231E04輸入輸出為差分信號(hào)，所以在傳感器電路與放大濾波電路之前增加AD8138單端轉(zhuǎn)差分電路，具體連接電路如圖3所示。調(diào)理后的信號(hào)傳輸?shù)?通道同步采樣的16位高性能轉(zhuǎn)換芯片ADS8364，經(jīng)過(guò)同步A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)娇刂破鳌?/p>

　　2.2 通信單元

　　控制器將采集單元采集到的相關(guān)參數(shù)存入存儲(chǔ)器，以防系統(tǒng)故障時(shí)造成數(shù)據(jù)丟失，同時(shí)通信單元傳輸給監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)。本系統(tǒng)通信單元采用GPRS無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)完成。GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)）是一種移動(dòng)電話用戶使用的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)，以封包（Packet）式來(lái)傳輸，以傳輸資料多少進(jìn)行計(jì)費(fèi)，費(fèi)用更加的合理，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方面應(yīng)用較為廣泛[7]。

　　系統(tǒng)采用串口方式與GPRS模塊相連接，設(shè)置UART波特率115 200 b/s、數(shù)據(jù)位8位、1位停止位、奇偶校驗(yàn)位為None，具體GPRS硬件電路如圖4所示。

　　2.3 電源單元

　　為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)電源部分增加監(jiān)控復(fù)位電路，采用三端監(jiān)控芯片TPS3307-18對(duì)監(jiān)測(cè)板中5 V電源、1.5 V電源和3.3 V電源進(jìn)行監(jiān)控，確保系統(tǒng)供電正常。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 故障診斷與自修復(fù)方法

　　模擬電路故障診斷主要分為故障監(jiān)測(cè)、故障識(shí)別、故障預(yù)報(bào)三方面，根據(jù)實(shí)際測(cè)試在電路仿真前或后分為測(cè)前診斷和測(cè)后診斷兩種[8]。測(cè)前診斷的典型算法就是字典法，測(cè)后診斷的典型算法主要是參數(shù)識(shí)別法和驗(yàn)證法，本系統(tǒng)采用字典法。

　　字典法基本思想：首先對(duì)電路可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行模擬得到故障集，接著對(duì)故障集中的故障求響應(yīng)，提取故障特征并編寫故障字典；故障診斷時(shí)依據(jù)故障特征查找故障字典進(jìn)行故障定位。系統(tǒng)對(duì)放大濾波電路分放大壞濾波好、放大好濾波壞、放大壞濾波壞三類進(jìn)行故障特征收集。

　　參考文獻(xiàn)[9]提出單故障占總故障的70%～80%，多故障情況比例較小。系統(tǒng)主要對(duì)單故障進(jìn)行診斷、修復(fù)。FPAA技術(shù)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，所以選用冗余法進(jìn)行重構(gòu)，具體故障診斷、修復(fù)流程如圖5所示。

　　3.2 GPRS通信

　　本系統(tǒng)采用GPRS模塊SIM900A實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，GPRS模塊SIM900A與控制器之間通過(guò)發(fā)送AT命令[10]實(shí)現(xiàn)通信，通過(guò)串口通信完成兩者之間命令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)終端與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。在數(shù)據(jù)的收發(fā)過(guò)程中，通過(guò)定時(shí)控制維持鏈路連接，時(shí)間設(shè)置為應(yīng)答時(shí)間的1.5倍。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到應(yīng)答數(shù)據(jù)，就認(rèn)為連接斷開(kāi)，此時(shí)發(fā)送指令要求系統(tǒng)進(jìn)行重連接處理。具體工作流程圖如圖6所示。

4 結(jié)論

　　遠(yuǎn)程自修復(fù)光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且能夠滿足監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸實(shí)時(shí)性；采用FPAA技術(shù)的放大濾波電路具有在線可重構(gòu)性，可以高效完成故障診斷、修復(fù)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；具有功耗低、通用性強(qiáng)、易升級(jí)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。試運(yùn)營(yíng)期間系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的要求。隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶寬和數(shù)據(jù)速率大福提高，遠(yuǎn)程光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自修復(fù)系統(tǒng)等技術(shù)將有廣闊的市場(chǎng)前景。

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