基于網絡技術的太陽能光伏發電系統

1引言

近年來，太陽能光伏發電技術在國內外得到了廣泛應用和飛速發展。世界太陽能光伏產業以年平均超過33%的增長率發展， 2002年的增長率更是超過40%。目前，全世界的光伏系統裝機容量己經超過2. 0GW 到2010年將超過15GW。未來，太陽能光伏建筑一體化、光伏并網系統是太陽能光伏應用的最終發展方向。然而，光伏并網電站系統的運行一般都是處于無人執守的情況下運行，太陽能光伏電站是由一個個分散的光伏發電子系統構成，要對地域上廣泛、分散的光伏系統進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、遠程監控技術對光伏發電系統進行實時監控，達到將這些分散式的能源系統進行集中調度管理，實現大電網的調峰、分配、計量、有效使用等目標，可以將地域上廣泛的、分散的太陽能光伏并網系統聯系起來，構成一個安全的、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，加速并網太陽能光伏電站在城鄉的普及推廣具有重要現實意義。

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

2系統實現原理

圖1是光伏發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，而且還要通過采集各種傳感器的信息來監測太陽輻照量、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。所以它已經不是傳統意義上的電能計量，而是一個功能完善的數據采集系統。因此采用先進的DSP 測量技術，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

本系統采用以太網的通信方式，其優點是以太網應用廣泛， 成本低廉， 通信速率高， 軟硬件資源非常豐富等，由于以太網的這些優點，利用以太網技術做為網絡通信平臺有很多的優勢，通過In te rne t接入系統，只要擁有一臺能上網的電腦、PDA或者手機，就能隨時隨地對光伏系統中的設備進行自動化監控，對能源進行優化管理與控制，有很大的應用前景。

3. 2基于ADSP2BF537的網絡通信模塊的設計

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，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時控制和工業標準系統，以及硬實時信號的處理，而且該芯片嵌入了IEEE802. 3兼容10 /100以太網MAC，有緩沖振蕩器輸出到單獨的PHY，非常適合做以太網控制器，簡化了電路的設計，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，帶整形和輸出驅動器的發送器，帶片內自適應均衡器和基線漫游(BLW)修正的雙絞線接收器，時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內核與微處理器、片內閃存、LCD驅動、實時時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化電路的設計。電壓傳感器采集的電壓信號，經過濾波以后，通過49腳和50腳送入電能計量芯片，同樣通過電流傳感器獲得電流信號，經過濾波以后送入電能計量芯片7169的52腳和53腳，這樣便可以進行有功功率、無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，顯示內容為128×128點圖形點陣式，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為系統與局域網的接口。由于大部分局域網都采用以太網，這里的LAN83C185就是用于處理以太網協議( IEEE 802. 3)的。數據的流向是請求信息從局域網中來，通過RJ – 45送到LAN83C185，處理后的數據包送入DSP系統的協議棧，由協議棧對數據包進行解析，得到原始請求信息。請求信息再經過DSP系統的處理，產生響應信息。響應信息通過局域網傳送到用戶的瀏覽器。整個系統的軟件流程如圖3所示。

本系統中嵌入式Web服務器的軟件主要由芯片初始化設置、lwip協議棧的實現、數據采集及處理等模塊組成。在程序中加入基于lwip協議的用戶自定義數據通信協議。這樣就能使客戶局域網中的PC機與嵌入式Web服務器進行自定義的通信，如：發送數據采集命令、采集參數初始化命令等。網絡層部分加入了地址解析協議(ARP ) ，實現IP地址到物理地址的映射。

協議棧的實現主要分為接收數據包的解釋以及發送數據包的打包。以太網數據以幀的格式進行傳輸，如果幀類型字段值為0x0806，則為ARP包;如果為0x0800，則為IP數據包。

接收幀時，根據不同的幀類型由不同的軟件模塊對它進行處理。發送數據幀時，也根據不同的幀類型由不同的程序進行打包處理。幀的接收和發送都是基于物理層對PHY的操作，包括讀接收緩沖區、寫發送緩沖區。