光伏发电系统数据监测系统设计

陕西理工学院毕业设计光伏发电系统数据监测系统设计 摘要本文分析研究了光伏发电系统的工作原理，并对光伏发电之监测系统的设计与实现做了分析研究，并组织了设计实现。光伏发电是太阳能利用的主要途径，一个完整的太阳能光伏发电系统，是由太阳能电池板(组件)、控制逆变器上位机、监控系统、组态软件构成。监控系统软件是重要的控制软件，固化在逆变器的DSP芯片中，完成对整个光伏发电系统的运行参数的监测与实时控制，整个太阳能光伏发电系统是一个闭环的控制系统，全部给定量的输入控制信号的产生、反馈信号的处理都由监控系统自动完成，使太阳能电站真正成为无人职守的、少维护的、智能化的电站系统。关键词：光伏发电系统 DSP处理器 监控系统Data monitoring system design of photovoltaic power generation system Abstract This paper analyzes to study the working principle of the photovoltaic power generation system, and photovoltaic power generation monitoring system design and realization of the analysis, and organize the design and implementation. Photovoltaic power generation is the main way of utilization of solar energy, a complete solar photovoltaic power generation system powered by solar panels (components), the inverter control, PC, and monitoring systems, configuration software composition. Monitoring System software is an important control software, and curing in the inverter DSP chip to complete the monitoring and real-time control of the operating parameters of the photovoltaic power generation system, solar photovoltaic power generation system is a closed-loop control system, all to quantitative input, control signal generation and processing of the feedback signal by the monitoring system is done automatically, so that solar power station to truly become unattended, low maintenance, intelligent power plant systems. Key words: Key words: photovoltaic systems, DSP processor, the monitoring system目录引言11绪论21.1 课题背景及意义21.1.1太阳能光伏发电的意义21.1.2 光伏发电系统进行微机监控的意义21.2 国内外研究动态31.2.1 分布式控制系统的发展31.2.2 光伏系统监控技术的发展32太阳能光伏发电单元监控52.1 太阳能光伏发电技术52.1.1 太阳能光伏电站组成及分类52.1.2 太阳能光伏阵列的分类及工作原理52.1.3 太阳能光伏阵列特性62.2 分布式测控技术72.2.1 计算机测控技术72.2.2 分布式测控系统82.3 光伏电站监控技术102.3.1 光伏阵列跟踪控制102.3.2 光伏阵列故障检测122.3.3 光伏发电单元维护133系统的组成结构143.1 系统设计原则143.2 系统组成结构143.3 系统实现的功能143.4 采用的开发工具154光伏发电监控系统的设计与实现164.1 微控制器的选择164.2 硬件设计174.2.1 主机硬件设计174.2.2 从机1硬件设计204.2.3 从机2硬件设计244.2.4 从机3硬件设计254.2.5 从机4硬件设计264.3 软件设计264.3.1 主机软件设计264.3.2 从机1软件设计304.3.3 从机2软件设计344.3.4 从机3软件设计384.3.5 从机4软件设计394.4 通信网络及抗干扰措施404.4.1 通信网络设计404.4.2 系统抗干扰措施44结论46致谢47参考文献48外文资料49中文译文52附录A光伏监控系统的主机原理图54附录B从机1原理图55附录C 从机2原理图56附录D从机3原理图57附录E从机4原理图58第58 页 共 63 页引言目前，计算机监控技术已广泛应用在军事、航空航天等尖端领域，随后又在电力系统等方面得到广泛应用。太阳能光伏电站是由一个个分散的太阳能光伏发电单元构成，为了使光伏电站稳定、可靠、高效的运行，必须对光伏发电单元进行监测和控制，获取系统的各项运行参数，如光伏阵列的电压、电流，环境温度等。大部分光伏电站都建设在边远地区，它的运行一般是无人值守，对地域上分散的光伏发电单元进行人工监控和维护十分困难。如果每个发电站附近都配备一定的维护人员，就需要大量的人力、物力，这种传统的监控方式明显已不适应现代化经济的发展需求。 因此，采用计算机监控技术对光伏电站进行监控，构成一个安全、自动化的综合监控系统十分必要，有利于设备的操作管理，降低维护费用，减少或排除设备故障。另外对光伏电站的实时监控，可以获得原始数据，为系统的改进与优化以及科学研究提供有用数据。所以研究光伏电站监控系统对光伏发电技术的进一步推广和应用具有十分重要的意义。1绪论1.1 课题背景及意义1.1.1太阳能光伏发电的意义 长期以来，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，而这些传统的燃料能源作为一次性不可再生资源，储量有限并且正在一天天减少，对环境造成的危害也日益突出，同时全球还有二十亿人得不到正常的能源供应。因此，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。目前，各国政府都已经投入了大量人力、物力、财力来研究开发新能源，在各种新能源中，太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点。太阳能是取之不尽、用之不竭、清洁、无污染的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转化率5%，则每年的发电量相当于世界上能耗的40倍。据欧洲JRC预测，到未来的2100年时，太阳能在整个能源结构中将占68%的份额。 太阳能发电分为光热发电和光伏发电。不论产销量、发展速度和发展前景，光热发电都不及光伏发电，所以通常所说的太阳能发电一般指的是太阳能光伏发电。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不仅要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中所占比例将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。 近年来国际上光伏发电技术正在快速发展，世界上已建成十多座兆瓦级光伏发电系统，六个兆瓦级的联网光伏电站。美国于1997年提出了“百万屋顶”计划，也是最早制定光伏发电发展规划的国家。日本在1992年启动了新阳光计划，2003年日本光伏组件的生产数量已经占到了世界总量的50%，世界前十大厂商有四家在日本。德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏产业的发展，使德国成为继日本之后世界上光伏发电发展最快的国家。法国、意大利、瑞士、西班牙、芬兰等国也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。 我国的太阳能资源非常丰富，大多数地区的平均日辐射量在4KWh/m2以上，西藏西部地区的太阳能资源最高达2333KWh/m2，居世界第二。西部地区年太阳辐射总量66808400MJ/m2。我国的太阳能资源理论储量达每年17000亿吨标准煤，与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。光伏发电把光能直接转变成电能，是一种零排放清洁能源。目前我国光伏产业发展迅速，光伏电池组件产量年增长率高达200%-300%。根据可再生能源中长期发展规划，到2020年我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW，到2050年将达到600GW。预计到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。国家发展和改革委员会预计，未来五年中国将投资100亿元人民币用于太阳能的推广利用，可以预测我国光伏产业将有更大的发展。 1.1.2 光伏发电系统进行微机监控的意义 目前，计算机监控技术已广泛应用在军事、航空航天等尖端领域，随后又在电力系统等方面得到广泛应用。太阳能光伏电站是由一个个分散的太阳能光伏发电单元构成，为了使光伏电站稳定、可靠、高效的运行，必须对光伏发电单元进行监测和控制，获取系统的各项运行参数，如光伏阵列的电压、电流，环境温度等。大部分光伏电站都建设在边远地区，它的运行一般是无人值守，对地域上分散的光伏发电单元进行人工监控和维护十分困难。如果每个发电站附近都配备一定的维护人员，就需要大量的人力、物力，这种传统的监控方式明显已不适应现代化经济的发展需求。 因此，采用计算机监控技术对光伏电站进行监控，构成一个安全、自动化的综合监控系统十分必要，有利于设备的操作管理，降低维护费用，减少或排除设备故障。另外对光伏电站的实时监控可以获得原始数据，为系统的改进与优化以及科学研究提供有用数据。所以研究光伏电站监控系统对光伏发电技术的进一步推广和应用具有十分重要的意义。 1.2 国内外研究动态1.2.1 分布式控制系统的发展 测控技术一直是计算机科学与技术研究领域的重要组成部分，无论对于科学研究还是对于工业生产，都具有举足轻重的意义。分布式控制系统是当今测控领域研究的热点，对于诸如工业过程的自动化和监控等应用，其本身就带有分布式特性。分布式控制系统的发展大致经历了以下三个时期： (1) 初创期(1975年-1980年)：首先，设计的重点是现场控制站，其重点是实现分布式控制，将危险分散，提高可靠性。其次，将人机接口与过程控制装置分离，实现集中显示、集中操作、远程组态、信息综合管理。这一时期的代表性产品有Honeywell 的 TDC(Total Distributed Control)-2000 ， Foxboro 的 SPECTRUN ，YOKOGAWA的Yawpak等。分布式控制系统一产生，就显示了其巨大的威力和特性，比原来的仪表控制系统先进了许多，而且更容易实现许多复杂的控制。DCS在可靠性、灵活性等方面也优于DDC和常规仪表控制系统。 (2) 成熟期(1980年-1985年)：这一时期分布式系统的特点体现在性能的提高和功能的扩充上。控制器为多功能控制器，在常规控制的基础上又增加了顺序控制与批量控制等近百种算法，初步具备了智能功能。大量采用大规模集成电路器件、32位微处理器、高分辨率CRT、局域网等技术。组态软件趋于标准化，提供了输入输出、选择、计算、逻辑、转换、报警、限幅、顺序、控制等模块。报表、图形、曲线、文件存储、转换以及导入导出等人机交互方式更加丰富。操作站为增强型操作站，引入了质量管理、优化管理等方法，实现了信息的综合集成管理。代表产品有Honeywell的TDC-3000，YOKOGAWA的CENTUM-A，B，C等。 (3) 扩展期(1985年-20世纪末)：成熟期的分布式控制系统在网络通信协议等技术的非标准化、非开放性等方面仍然存在许多弊端。80年代末，基于开放系统互联参考模型和制造自动化协议(Manufactory Automation Protocol)促进了“自动化孤岛”的集成。在这个时期，还增加了与管理层面集成的上层网络，实现了组态技术和软件的标准化，引入了智能变送器和现场总线技术等。其代表产品有Honeywell的TDC3000UCN，YOKOGAWA的CENTUMXL，Foxboro的I/AS等。 许多工厂在应用了分布式控制系统以后，它们的运转自动化和过程平稳化程度大力提高。在DCS的基础上，先进过程控制(Advanced Process Control)等技术的应用进一步提升了生产过程控制水平，保证了生产的安、稳、长。21世纪以来，DCS又发展到了以现场总线技术支撑的第四代产品：现场总线控制系统。 近10年以来，由于计算机测控技术和分布式技术的高速发展，我国DCS的研发和生产发展迅速，许多领域(包括温度测量、水文气象监控、电站控制、油井勘测和地震监测等)为了节省成本都开始自行研制DCS，如浙大中控的JX300X、JX500系统、和利时的MACS、FOCS等系统的测控终端都采用高端微控制器，提高了系统的性能。这些领域的DCS技术水平已经达到或接近国际先进水平，但制造工艺和在现场应用时排除故障能力上还比较差。2001年全国应用的国产DCS占应用DCS总数的1/3左右，国外DCS在我国一统天下的局面从此不再出现。国内这些研发DCS领域占据了市场的一定份额，积累了发展的资本和技术，同时使得国外引进的DCS价格也大幅度下降，为我国自动化推广事业做出了贡献。1.2.2 光伏系统监控技术的发展 由于光伏技术发展迅猛，为了研究光伏电站的运行性能、优化设计光伏电站，光伏电站系统监控技术也随着光伏技术的发展而开展起来。 国外从90年代起对监测系统进行了深入的研究，形成了比较成熟的思路，在对光伏系统的研究方面，系统控制方面研究比较多，而对系统维护和管理相对较少；对并网型研究较多，而对独立运行研究相对较少。美国电力研究所在90年代初对美国的七个光伏电站做了实验研究；美国怀俄明州大学在90年代初做了相关的工作，介绍了系统电池板的最优尺寸、PV系统的性能等。美国国家可再生能源实验室在1995年对两座6KW并网型光伏电站进行数据采集和分析。同年，国际能源机构光伏发电系统项目开展了Task2行动，建立了国际上不同方式的光伏发电系统的技术数据和运行数据的数据库。国内也已经开展了光伏电站数据采集及监控技术的研究工作。国内做过光伏电站监控系统工作的单位有中科院电工研究所、合肥工业大学能源研究所和北京计科公司等。中科院电工所和日本合作建成了16座容量总计。128KW的学校用太阳能光伏电站。合肥工业大学能源研究所使用VB编程语言和Access2.0数据库语言开发出运行在Window95、98下的光伏并网发电系统的数据采集和监控软件包。北京市计科能源新技术开发公司基于国家十五攻关课题建成的20KW并网光伏电站开发出一套光伏电站数据采集和监控系统。 光伏发电系统装置可以采用固定安装方式和跟踪太阳方式。建设相同功率的光伏发电系统，跟踪式需要的太阳能光伏电池数量少，且与固定式相比，跟踪式系统的发电效率提高了35%，成本下降了25%。因此在光伏发电系统的建设中，采用跟踪方式很有必要。对太阳的跟踪方法可以分为被动式和主动式。被动式是将光敏元件安装在电池板上，根据其输出不同控制信号对电池板向太阳的角度进行调整；主动式是指提前预设太阳能电池板的角度，随着时间来调整。1997年，美国的Blackace研制了太阳能接收器的单轴跟踪器，完成了东西方向的跟踪。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器。2002年2月美国亚利桑那大学推出新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪。2005年美国APS建立了Prescott荒漠电站,其中包括峰值功率1MW的单轴自动跟踪系统和的1.5MW的双轴跟踪系统。2004年，陆利生在单轴太阳自动跟踪器液压传动系统的设计一文中介绍了单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。 电池故障检测技术是近几年才发展起来的新技术，目前世界上对电池故障检测系统的研究尚未取得显著的成果。美国的蓄电池监测设备专业生产厂商ALBER公司、MIDTRONICS公司对电池故障检测的研究集中在利用电池的内阻或电导进行电池容量估计和诊断。国内对电池故障检测也有一定研究，但大部分还处于起步阶段，2005年刘文杰在电池组故障诊断专家系统的研究与实现一文中详细介绍了通过实时监测、比较同一电池组的不同单体电池间的参数变化并考虑一些其它因素来进行电池故障检测的方法。2003年的第三届国际光伏能源大会上，来自日本产业技术综合研究所的专家提出了太阳能光伏阵列故障检测的主要技术，包括电测法、热测法和可视测量法。电测法包括I-V暗处测量法、旁路二极管发光法和高频反射测量法；热测法有额外加热法和旁路二极管加热；可视测量法是根据光伏阵列的需要俯视光伏阵列并且观察它的热特性，如阵列的亮点及颜色改变等状况，所以需要在阵列前方安装热感照相机及其它相关设备。2太阳能光伏发电单元监控2.1 太阳能光伏发电技术 2.1.1 太阳能光伏电站组成及分类 太阳能光伏电站按照运行方式可分为独立太阳能光伏电站和并网太阳能光伏电站。未与公共电网相联接，独立供电的太阳能光伏电站称为独立光伏电站，主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、沙漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本的生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象电站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源；与公共电网相联接且共同承担供电任务的太阳能光伏电站称为并网光伏电站。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分的重要发展方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。 太阳能光伏电站包含多个太阳能光伏发电单元，将发出的电能集中逆变供用户使用。每个太阳能光伏发电单元主要由太阳能光伏阵列、蓄电池组和控制器组成，如图2.1所示：蓄电池组太阳能光伏阵列控制器逆变器负载图2.1 太阳能光伏发电单元主要结构示意图太阳能光伏阵列由M*N个太阳能电池组件组成，用支架固定支撑，支架起到固定太阳能电池组件的作用。 蓄电池组是太阳能光伏电站的贮能装置。太阳能光伏电站中的蓄电池作为储能装置，是监控系统的后备电源，也为照明、通信和设备维护提供了必要的电源保障。正确的选用蓄电非常关键，其基本要求是：低自放电，长寿命，少维护，高充电效率，价格低，便于运输。 2.1.2 太阳能光伏阵列的分类及工作原理 太阳能光伏电池是利用半导体光伏效应制成的一种能将太阳辐射能直接转换为电能的转换器件。1954年贝尔实验室用单晶硅材料制成了第一只具有实用价值的太阳能光伏电池经过发展，太阳能光伏电池在材料、结构、性能及应用等方面得到了长足的进步。目前太阳能电池主要分为硅太阳能电池和化合物太阳能电池。 (1) 硅太阳能电池：硅是地球上第二位最丰富的元素且无毒性，用它制作的太阳能光伏电池效率也很高，因此是最适于制作太阳能光伏电池的半导体材料。硅太阳能电池又可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池三类。由于单晶硅太阳能电池效率高、寿命长、性能优良，是目前应用最广的一种太阳能电池。但是成本高，而且限于单晶的尺寸，单片太阳电池面积难以做得很大。多晶硅电池成本比单晶硅低，单片电池也可以做得比较大，但效率只能达到14%，比单晶硅电池低。非晶硅太阳能电池对太阳光的吸收系数大，因而非晶硅太阳电池可以做得很薄，通常是单晶硅或多晶硅电池的五百分之一，但是效率只有6%左右。 (2) 化合物太阳能电池：目前因材料、工艺等一系列问题，实际生产和应用的化合物太阳能光伏电池主要有砷化镓太阳能光伏电池、硫化镉太阳能光伏电池。考虑到环境污染等原因，化合物太阳能光伏电池使用较少，常使用在一些特殊的场合。砷化镓的光吸收系数很大，是制造薄膜太阳电池的理想材料。砷化镓太阳能光伏电池的抗辐射能力很强，使用于宇航和通讯卫星等空间领域。硫化镉太阳电池有两种结构，一种是将硫化镉粉末压制成片状电池；另一种是通过蒸发或喷涂制成薄膜电池。薄膜电池携带包装方便、能量重量比大，而且工艺简单、成本低。但是，这种电池稳定性差、寿命短、最高效率只有9%，同时对环境有污染，发展较慢。 太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应，即当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。硅的外层电子受到太阳光辐射时成为自由电子，同时在它原来的地方留出一个空位即半导体中的“空穴”。由于电子和空穴的扩散，在结合的P、N半导体的交界面处即PN结的两边形成内建电场，又称势垒电场当太阳光照射PN结时，在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N型区有过剩的电子，P型区有过剩的空穴，形成了光生电场。在N型区与P型区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势，接通外电路时便有电能输出。 如图2.2所示，当具有适当能量的光子入射于半导体时，那么电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。空穴P型+-+PN结N型V太阳光电子图2.2 太阳能电池工作原理示意图太阳能电池组件由若干片能独立作为电源最小单元的太阳能电池单体组合而成，太阳能光伏阵列由若干个太阳能电池组件经过串联、并联构成，按照所需的电压、电流，把太阳能电池组件按一定的方式联接，可以是串联、并联或者串并相间的混联。2.1.3 太阳能光伏阵列特性 光伏阵列I-V特性随日照强度及温度的变化而变化，其等效电路如图2.3所示：光伏阵列的I-V方程为： 公式2.1IVRRCI图2.3 光伏阵列等效电路公式（2.1）中：It：光电流；q:电子电荷（1.610-19J/K）；T:绝对温度；K:波尔兹曼常数（1.3810-23J/K）；Io:反向饱和电流；A：二极管因子：Rs：串联电阻；Rsh：并联电阻光伏阵列的I-V特性曲线如图2.4所示：OU(V)I(A)IIvV电压源区电流源区图2.4 太阳能电池的I-V特性曲线图2.4中，Isc：短路电流（光伏阵列最大输出电流）；Voc：开路电压（光伏阵列最大输出电压）；Im:光伏阵列最大功率点电流；Vm：光伏阵列最大功率点电压特性曲线表明太阳能电池是一种非线性直流电源，输出电流在大部分工作电压范围内相当恒定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。2.2 分布式测控技术 2.2.1 计算机测控技术 计算机测控技术在生产实践中有着广泛的应用，是计算机技术、通信技术、网络技术和自动化技术的综合。计算机测控系统的实现方案一般分为两种：集中式和分布式。集中式采用单台计算机，实现系统的全部测控功能；分布式通过多台计算机组成网络，实现系统的测控功能。 一般的测控系统利用传感器将被测对象的物理参量，如温度、压力、流量等转换为电信号，再将这些电信号经输入装置转换为计算机可识别的数字量，并且在显示装置中以数字、曲线或图形的方式显示出来。计算机还能将采集的数据信息存储起来，进行分析、处理和显示，可以根据需要把数据传给监控中心。如果需要对被监控的对象进行控制，则由监控中心根据测控单元采集到的物理参量的大小和变化情况按照工艺要求的设定值进行判断，给测控单元发送控制命令。测控单元根据一定的控制算法在输出装置中输出相应的电信号，并驱动执行装置动作完成相应的控制任务。 计算机测控系统的一般结构如图2.5所示：被测对象总线微控制器数字量输出通道数字量输入通道检测元件采样保持A/D转换执行机构功放D/A转换打印机显示器输入设备存储设备监控中心计算机图2.5 计算机测控系统一般结构随着工业生产规模的不断扩大和对生产过程自动化要求的不断提高，计算机技术和通讯技术相结合的分布式计算机测控系统已成为控制系统的发展的趋势。2.2.2 分布式测控系统 分布式测控系统是采用分布计算模型的测控系统，分布计算指在独立的计算机集合系统中通过网络通信来开发、部署、管理和维护以资源共享和协同工作为主要应用目标的分布式应用系统，具有很强的时间和空间约束的特点。分布式测控系统综合了计算机、通信、显示和控制等技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。 分布式测控系统采用微处理机分别控制各个节点，各节点间和系统各级之间通过数据通道交换信息，具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。分布式测控系统中,分布不仅指各个设备的地理位置分散,还包括整个系统的数据采集、过程控制、监控管理、运行显示等功能上的相互分散、独立。分布式测控系统包含多级结构，现以三级为例，结构如图2.6所示：总控设备集控箱N测控终端1测控终端N被控对象被控对象被控对象集控箱1图2.6分布式测控系统三级结构 第一级为测控终端,直接面向被测控设备,完成对象数据采集、对象控制、现场状态检测等；第二级为集中控制检测端，以数据的集中、处理、异常情况的检测控制为主要功能；第三级为总控设备，通常是检测微机，具有人机交互功能，实现总体数据的集中管理，数据库的写入更新，控制命令的发送，异常情况的自动或人为处理等。根据运用场合的不同，以上的三级模型也可适当地精简成二级，即将第一级和第二级、或第二级和第三级的部分功能合并,具体方法视具体应用场合而定。 (1) 分布式控制系统的结构 1) 环状结构 在环形分布式控制系统结构中，各节点计算机通过有源接口连接在一条闭合的环形通信线路中。环形网中每个节点对占用环路传送数据都有相同权力，它发送的信息流按环路设计的流向流动。 为了提高可靠性，可采用双环或多环等冗余措施来解决。目前的环形结构中采用了一种多路访问部件MAU，当某个节点发生故障时，可以自动旁路，隔离故障点，这也使可靠性得到了提高。环形结构的优点是实时性好，信息吞吐量大，网的周长可达200km，节点可达几百个。缺点是因环路是封闭的，所以系统扩充不方便。环形结构示意图如图2.7所示：节点1节点2节点3节点4节点5节点N图2.7 环形结构示意图2) 星形结构 在采用星形结构的系统中，对系统起控制作用的计算机位于网络中央，作为主机，用独立的通信线与其它计算机连接起来。系统中的主机只有一台，称为中心节点，其余从机为卫星节点。卫星节点分别与中心节点相连接，互相不连接，整个网络呈星状结构。结构图如图2.8所示：节点N节点5节点3节点2节点1节点4中心节点图2.8 星形结构示意图 3) 总线式结构 总线式结构的优点是组网的成本低，网上每台处理机独立工作，当某一台损坏时，不会影响其它处理机，易于扩充，是用来实现分布式控制系统的最通用的拓扑结构。但缺点是当多个处理机同时发送信息，会由于冲突而频繁重发，造成系统效率降低，而且一旦主干线路发生故障，整个网络将瘫痪，所以适合通信信道可靠性高的情况。其结构图如图2.9所示：总线节点1节点3节点5节点2节点4图2.9 总线式结构示意图4) 树状结构 在这种结构中，各处理机间存在着明显的层次关系，通常最下级的处理机执行数据的采集功能，中间级处理机执行数据的加工和控制功能；而高层计算机则根据下级计算机所提供的信息，执行综合处理功能，进行管理决策。如图2.10所示是一种典型的树状结构三级分布式系统。第3级第2级节点节点1节点N节点11节点1M节点N1节点NM第1级图2.10 三级树状结构示意图(2) 分布式控制系统的特点与集中式控制系统相比，分布式控制系统具有以下特点： 1) 性能价格比高。可以采用低价的微机构成高性能的系统，与同样功能的单台计算机相比，分布式多微机系统的价格仅为1/31/40。 2) 可靠性高。子系统故障一般不会影响全局，可由其它子系统以“容错”方带故障运行。各子系统间还可互相诊断、检测和保护，从而提高了整个系统的可靠性。系统对故障的处理能力或带故障运行的能力也称为坚定性或坚强性，即系统的容错运行能力，它是可靠性指标的重要组成部分。分布式多机系统的坚定性大大优于集中式的单机系统。 3) 位置分布合理。可以根据实际情况组建测控单元，使其实现功能、位置的合理分布，满足不同的性能和可靠性设计，具有很好的交互性、通用性和经济性。降低了电缆的费用和维护工作难度。 4) 响应速度快。可通过并行处理或各子系统分别处理来实现快速响应。集中式控制则采用分时处理方式对多个对象的申请，按优先级排队响应，往往滞后与等待时间较长。 5) 采用模块化结构。系统容易实现通用化与系列化，系统功能分散容易扩充，还可以对系统进行重构，实时地动态分配与管理系统，以适应不同环境和用户的要求。 6) 资源共享。系统中的数据、程序、外设等资源都可由各子系统共享。 2.3 光伏电站监控技术 2.3.1 光伏阵列跟踪控制 由于太阳光照的方向和强度随时间不断变化，要使光伏阵列的效率最高，就要始终保持太阳能光伏阵列的采光面与光照垂直，最大限度接收太阳能量，因此太阳能光伏阵列的支架应采取跟踪太阳的工作方式。光伏阵列跟踪控制方法分为被动式跟踪技术和主动式跟踪技术。 （1） 被动式跟踪技术 被动跟踪方法有坐标法、太阳能电池板光强比较法、光敏电阻光强比较法等。1）坐标法：将3个光敏管安装在太阳能电池板上，放置成不同的朝向。一个竖直朝向天空，一个朝向正东方，另一个朝向正西方，太阳从不同角度照射到3个光敏管的光强不同，产生的光电流强度不同。太阳光方向与正东方的夹角与光电流的关系会发生变化，依据值调整太阳能电池板的角度,使得太阳能电池板一直朝向太阳的方向。 2） 太阳能电池板光强比较法：把两块完全相同的太阳能电池板按照一定角度连成“人”字型，它们既用作光电转化的电池，也起光敏器件的作用。太阳光垂直照射地面时，两块电池板上产生的光电流相等，此时控制电池板不转动。当太阳光与地面夹角改变时，两块电池板会产生电流强度差，利用这一信号驱动电池板转动，使得电池板与太阳光的夹角同光垂直于地面时完全相同。 3） 光敏电阻光强比较法：将两个完全相同的光敏电阻分别放置于电池板东西方向边沿处的下方。若太阳光垂直照射太阳能电池板，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，光敏电阻的阻值会发生变化。接收光强多的光敏电阻阻值减小，从而产生一个信号，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻的阻值相同。以上被动跟踪系统是由单片机、传感器及机械传动装置组成。它们的基本原理相同，即当太阳光照射到传感器上时，由传感器给出太阳能电池板和太阳位置的偏差信号，经过输入通道进入单片机内，单片机根据所接到的信号进行相应处理，由输出通道发信号给机械传动装置，控制它转动，以使电池板跟踪太阳。其跟踪结构如图2.11所示： 机械传动装置单片机变送器驱动电路传感器太阳光图2.11 被动跟踪系统结构图（2）主动式跟踪技术 主动式跟踪是指根据地球绕太阳的运行规律，事先计算好电池板跟踪运动的轨迹，按时间控制电池板转动。常用的主动式跟踪方法有压差式跟踪、控放式跟踪等 。1)压差式跟踪：在太阳能电池板的下方设置一个密闭容器，由于太阳在天空中方位的变化，入射阳光的角度跟着偏斜，引起密闭容器的两侧受光面积不同，从而产生了压力差。在这个压力差的作用下，控制电池板转动，重新对准太阳。根据密闭容器内所装的介质不同，可分为重力差式、气压差式和液压式。液压式跟踪器原理如图2.12所示：2) 控放式跟踪：控放式跟踪对太阳的方位角进行单向跟踪。其原理为：在太阳能电池板的西侧放置一偏重，作为太阳能电池板转动的动力。利用控放装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳能电池板跟随太阳轨迹自东向西偏转运动。这种方式的优点是可以实现实时跟踪太阳，成本低，并且纯机械控制，无需电子控制部分及外接电源。但是该跟踪器容易产生过跟踪的情况，只能用于单轴跟踪，精度低，且不能自动复位。原理图如图2.13所示：传感器遮光板遮光板液压缸太阳能电池板传感器胶管图2.12 液压式跟踪器原理图杠杆太阳能电池板支承轴入射光偏重轴弹簧图2.13 控放式跟踪原理图2.3.2 光伏阵列故障检测 对光伏阵列的故障检测法，目前主要有直接法和间接法两类。直接法是直接测量每块电池板的电压和电流，用总线技术将数据送入计算机判断；间接法是通过测量电池的温差来判断电池的工作状态。太阳能电池直接将太阳能转化为电能,在不同的工作状态(正常、遮挡、故障、老化)和不同的负载状态下,其能量的吸收、转换和能量输出都有所不同,因而其温度和发射的红外特性也不相同，可以用基于红外图像的方法来进行故障诊断。 太阳能光伏阵列的温度取决于多个参数，通常假定其温度取决于日照强度S和环境温度T。太阳能电池温度的计算公式为：Tsun=T0+a1Ta+a2S+T 公式（2.2）始终：Tsun：太阳能；S:日照强度，W/m2电池温度；T0：S=0，Ta=0时电池阵列的温度；a1,a2:天气系数；T:电池板电阻损耗产生的温升根据电池板处于正常工作状态下内阻损耗产生的温升，与待测电池板内阻损耗产生的温升之差，可以判断出故障的太阳能电池板。测试系统的硬件结构图如图2.14所示：数据处理C红外摄像头红外辐射太阳能光伏阵列图像采集卡检测微机图2.14 硬件结构图红外辐射是物质分子在其振动状态发生改变时辐射出的电磁波，波长在0.761000m之间。凡是温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。物体所发的红外辐射能量的强度与其温度直接相关。物体的温度越高, 所发出的红外辐射能量越强。 太阳能光伏阵列发出红外辐射，由红外摄像头把辐射信号进行转换，经过图像采集卡后送到检测微机里。检测微机上的图像处理软件平台将采集到的电池板红外图像进行处理。首先进行数字滤波，将信号中的噪声去掉，然后利用数学方法对每块电池板的图像进行处理，最后用图像来显示分析后的结果。2.3.3 光伏发电单元维护 光伏发电单元的维护目前主要依靠人工维护的方式。工作人员的日常维护工作是每日测量并记录不同时间内系统的工作参数，测量记录内容有：日期、记录时间、天气状况、环境温度、子方阵电流、电压、记录人等。电站巡检工作由专业技术人员定期进行，在巡检过程中要全面检查电站各设备的运行情况和运行现状，并测量相关参数。并仔细查看电站操作人员对日维护、月维护记录情况对记录数据进行分析，及时指导操作人员对电站进行必要的维护工作。 由电站的工作人员定期清理太阳能光伏阵列采光面上的灰尘和积雪，在少雨且风沙较大的地区，清洗时先用清水冲洗，然后用干净的柔软布将水迹擦干，保持光伏阵列采光面的清洁。这种维护方式的工作量大、成本高，并且不能及时准确的发现太阳能光伏阵列的故障。3系统的组成结构3.1 系统设计原则 太阳能光伏发电单元综合监控系统综合应用分布式技术、测控技术、通信技术等相关技术，设计综合监控系统，通过对太阳能光伏阵列的电参数进行实时的采集和处理，结合微机在线监控技术等有关信息，实现对太阳能光伏发电单元的监控，提高太阳能光伏电站的可靠性、经济性。太阳能光伏发电单元综合监控系统的建设应遵守以下的系统设计要求： (1) 经济性要求：由于测控单元是为实际工程需要所设计的，所以必须考虑经济性指标。为了获得较高的性价比，设计时在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，从而节省工程的开支。 (2) 可靠性要求：应该保证测控单元能长时间稳定的运行，在遇到一些问题时仍然能够正常工作。从硬件上来说，选取的元器件应可以在各种特定的工作环境下均能正常稳定的工作。在必要的地方采用冗余结构以保证长时间可靠工作。系统采用分布式结构，某个子系统故障不会影响系统全局，可由其它子系统以“保守”方式运行，从而提高了整个系统的可靠性。 (3) 可维护性和可扩充性：系统采用集成化、模块化结构。系统软件可根据需要修改某个模块和增加新的模块功能，使其具有良好的可维护性；需留有功能扩充的接口，使其具有较好的可扩充性。系统硬件使用分布式模块化结构，各单元设备可在一定范围内根据需要添加和减少，使其有较好的应用灵活性。 3.2 系统组成结构 本系统采用硬件与软件综合设计，实现对光伏电站的监控。根据系统的应用要求，采用分布式双总线拓扑结构。主机接收上位机命令，控制从机执行相应动作；从机采集现场数据传送给主机，并接收主机控制命令。系统结构如图3.1所示：IC总线IC总线RS-485总线上位机主机1主机N从机11从机12从机13从机14从机N1主机1从机11从机12从机13从机14从1从机N2从机N3图3.1 分布式双总线拓扑结构图系统由上位机、多个主机和多个从机组成，上位机通过RS-485总线连接主机，主机通过I2C总线连接各从机。主机包括微控制器、键盘输入电路、LCD显示、硬时钟电路以及外围电路等。从机主要包括微控制器、信号采集电路、开关信号输入输出电路以及外围电路等。信号采集电路采集外部设备模拟信号，经A/D转换器转换，送入微控制器的I/O口，微控制器对这些信号进行相应的处理，将必要的信息存到相应的数据发送缓冲区，等待发送给主机；主机通过I2C总线定时的访问从机，对从机采集到的数据进行分析，并把数据传到上位机；上位机对外设进行控制时，先把控制命令传给主机，主机再把控制命令传给相应的从机，从机通过相应的I/O口输出控制信号，经信号驱动电路传给外部设备。3.3 系统实现的功能 在本系统中，主要完成以下几方面的功能： (1) 信号采集功能：实时采集现场光伏阵列的电压、电流信号，并将这些信号传送给检测微机，根据具体情况进行数据处理与操作。 (2) 主机与上位机、主机和从机之间的通讯功能：主机与上位机通过RS-485总线进行通信，接收来自上位机的控制命令并执行，同时主机将现场电压、电流和发现的故障电池信息等上报；从机将当前光伏阵列的状态通过I2C总线传送给主机，同时接收主机的命令并执行。 (3) 控制光伏阵列跟踪太阳功能：用四柱支撑太阳能光伏阵列，采用定时跟踪太阳的方法，由主机根据当前时间发送跟踪控制命令，控制四柱升降使太阳能光伏阵列支架改变方向，保持光伏阵列采光面与光照垂直，提高发电效率。 (4) 故障电池检测功能：对光伏阵列进行故障监测，一旦发现有故障的支路，可以及时将故障定位，同时将现状报告给相关人员，管理人员也可以随时随地主动查询光伏阵列的运行信息。 (5) 自动冲水清理功能：在时间和温度都适宜的条件下，开启冲水电磁阀门，对光伏阵列表面进行冲水清理，以便提高光伏阵列的发电效率。 (6) 卸负荷功能：当太阳光强度过大，会造成光伏阵列逆变器重载甚至被损坏的危险。因此需要进行卸负荷工作，将多余的能量释放或存储在蓄电池中，以保证逆变器的安全。 3.4 采用的开发工具 本系统程序设计语言使用汇编语言，编译和开发工具使用Keil vision2集成开发环境，采用PROTEL DXP 2004设计原理图和布线图。KeilC51是51系列单片机的汇编开发工具，它支持汇编语言、C语言以及混合编程，同时具备功能强大的软件仿真和硬件仿真。Vision2是一个基于Windows的开发平台，包含一个高效的编辑器，一个项目管理器和一个MAKE工具。Keil Vision2是单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持所有的Keil 8051工具，包括C编译器、宏汇编器、连接/定位器、目标代码到HEX的转换器并且界面友好，易学易用，其强大的集成功能如下：(1) 文件寻找功能：在特定文件中执行全局文件搜索。 (2) 集成源代码浏览器利用符号数据库使用户可以快速浏览源文件，用详细的符号信息来优化用户变数存储器。 (3) 可配置SVCS接口：提供对版本控制系统的入口。 (4) 工具菜单：允许在Vision2集成开发环境下启动用户功能。 (5) PC-LINT接口：对应用程序代码进行深层语法分析。 (6) Infineon的DAVE功能：协助用户的CPU和外部程序。DAVE工程可被直接输入Vision2。 (7) Infineon的EasyCase接口：集成块集代码产生。 TKS-764B仿真器是一款实时在线仿真器，它完全支持PHILIPS公司LPC700系列微控制器的仿真。在仿真性能上进行了全面的优化设计，能保证用户更加方便的操作和真实的仿真效果。