基于网络技术构建的太阳能光伏发电系统

1、引言 近年来，太阳能光伏发电技术在国内外得到了广泛应用和飞速发展。世界太阳能光伏产业以年平均超过33%的增长率发展，2002年的增长率更是超过40%。目前，全世界的光伏系统装机容量己经超过2.0GW到2010年将超过15GW。未来，太阳能光伏建筑一体化、光伏并网系统是太阳能光伏应用的最终发展方向。然而，光伏并网电站系统的运行一般都是处于无人执守的情况下运行，太阳能光伏电站是由一个个分散的光伏发电子系统构成，要对地域上广泛、分散的光伏系统进行监测维护是十分困难、繁琐的，需要大量的人力、物力。采用本地、远程监控技术对光伏发电系统进行实时监控，达到将这些分散式的能源系统进行集中调度管理，实现大电网的调峰、分配、计量、有效使用等目标，可以将地域上广泛的、分散的太阳能光伏并网系统联系起来，构成一个安全的、智能化的、分散式绿色能源调度管理大系统。因此，研究光伏系统本地、远程监控技术具有十分重要的意义。特别是我国即将到来的能源短缺，加速并网太阳能光伏电站在城乡的普及推广具有重要现实意义。 本文研究的主要内容是利用以太网技术，通过构建以DSP为核心的嵌入式Web2Sever并与Internet互连，实现对光伏系统进行状态监控、故障检测、数据采集、能源调度与分配、计量等。 2、系统实现原理 图1是光伏发电监控系统的系统框图。其中最主要的是以DSP为核心的嵌入式Web2sever，电能计量及相关参数监测，液晶显示等部分。其中，电能计量部分不仅要计量由逆变器转换后的电能量和谐波量等，而且还要通过采集各种传感器的信息来监测太阳辐照量、太阳电池板温度、太阳电池阵列电压、蓄电池电压、太阳电池阵列电流、蓄电池电流。所以它已经不是传统意义上的电能计量，而是一个功能完善的数据采集系统。因此采用先进的DSP测量技术，以保证电能计量表的高精度和高稳定性。 3、系统方案设计 3.1通信方式的选择 本系统采用以太网的通信方式，其优点是以太网应用广泛，成本低廉，通信速率高，软硬件资源非常丰富等，由于以太网的这些优点，利用以太网技术做为网络通信平台有很多的优势，通过Internet接入系统，只要拥有一台能上网的电脑、PDA或者手机，就能随时随地对光伏系统中的设备进行自动化监控，对能源进行优化管理与控制，有很大的应用前景。 3.2基于ADSP2BF537的网络通信模块的设计 本系统选择ADSP2BF537做为主控制器，该芯片是一块时钟频率高达600MHZ的高性能blackfin处理器，片内有132KB全速SRAM，10级RISCMCU/DSP流水线，具有最佳代码密度的混合16/32位ISA，功能强大和灵活的高速缓存很适合软实时控制和工业标准系统，以及硬实时信号的处理，而且该芯片嵌入了IEEE802.3兼容10/100以太网MAC，有缓冲振荡器输出到单独的PHY，非常适合做以太网控制器，简化了电路的设计，节约了设计成本。物理层接口芯片选用LAN83C185，该LAN83C185芯片是低功耗高集成度模拟接口IC，包括有编码器/译码器，扰码器/解扰码器，带整形和输出驱动器的发送器，带片内自适应均衡器和基线漫游(BLW)修正的双绞线接收器，时钟和数据恢复电路以及媒体单独接口(MII)部分，集成了带自适应均衡器的DSP，支持自动流通和平行检测，工作电压3.3V，完全和IEEE802.2/802/3u标准兼容，有全双工10base2T/100base2TX收发器，支持10Mbps和100Mbps不屏蔽双绞线，完整的功率管理特性。 3.3电能计量模块的设计 在设计中，采用美国模器件公司的ADE7169作为电能计量芯片，该电能计量芯片将ADI公司成熟的电能测量内核与微处理器、片内闪存、LCD驱动、实时时钟和智能电池管理电路结合在一起，不仅降低了功耗而且简化电路的设计。电压传感器采集的电压信号，经过滤波以后，通过49脚和50脚送入电能计量芯片，同样通过电流传感器获得电流信号，经过滤波以后送入电能计量芯片7169的52脚和53脚，这样便可以进行有功功率、无功功率和视在功率的电能计算，以及电压有效值(RMS)和电流有效值RMS的测量。以ADE7169为核心的电能计量模块的电路图见图2。 3.4人机接口的设计 人机接口设计包括液晶显示模块。液晶显示模块采用TSG128128A系列模块此系列液晶显示模块基于SMD技术，显示内容为128x128点图形点阵式，连接模块22插脚，引脚间距2.54mm.典型的操作电压电流；可进行对比度的调节，显示效果清晰，屏幕稳定性能好。该模块与ADE7169的7-33脚连接。 4、软件设计及其工作流程 本系统的RJ-45为系统与局域网的接口。由于大部分局域网都采用以太网，这里的LAN83C185就是用于处理以太网协议(IEEE802.3)的。数据的流向是请求信息从局域网中来，通过RJ-45送到LAN83C185，处理后的数据包送入DSP系统的协议栈，由协议栈对数据包进行解析，得到原始请求信息。请求信息再经过DSP系统的处理，产生响应信息。响应信息通过局域网传送到用户的浏览器。整个系统的软件流程如图3所示。 本系统中嵌入式Web服务器的软件主要由芯片初始化设置、lwip协议栈的实现、数据采集及处理等模块组成。在程序中加入基于lwip协议的用户自定义数据通信协议。这样就能使客户局域网中的PC机与嵌入式Web服务器进行自定义的通信，如：发送数据采集命令、采集参数初始化命令等。网络层部分加入了地址解析协议(ARP)，实现IP地址到物理地址的映射。 协议栈的实现主要分为接收数据包的解释以及发送数据包的打包。以太网数据以帧的格式进行传输，如果帧类型字段值为0x0806，则为ARP包；如果为0x0800，则为IP数据包。 接收帧时，根据不同的帧类型由不同的软件模块对它进行处理。发送数据帧时，也根据不同的帧类型由不同的程序进行打包处理。帧的接收和发送都是基于物理层对PHY的操作，包括读接收缓冲区、写发送缓冲区。