大学毕业论文-光伏电站设计

I摘要近年来由于人们对能源短缺、环境污染问题的日益关注，太阳能的应用与普及越来越受到人们的重视，应用领域也越来越广泛,这也使得光伏产业在近些年发展较为迅猛。本设计针对光伏电站的现状,应用计算机技术、网络通信技术等相关技术,研究开发了一套以现场总线为骨干的太阳能光伏电站监控系统。该系统能够同时实现本地监控和远程监控功能,具有实时性好、功能全面等特点,具有很强的工程实用价值。本设计首先介绍了光伏发电技术及其监控系统的研究现状,阐述了光伏电站监控系统的组成和功能。根据实际应用的需求,选取了AVRATmega系列单片机作为该系统的控制器,进行了系统的软硬件的设计,实现了对光伏电站运行状态的实时监控,具有参数显示和设置等功能。其次,通过比较目前常用的远程通信方式,选用了GPRS无线通信方式来实现监控系统远程通信功能。并结合GPRS无线通信方式的优点,详细阐述了系统是如何利用GPRS无线通信技术构建数据通信链路与实现数据远程传输的。最后,分别给出了基于MCGS的本地监控和基于WEB的远程监控人机界面设计,并详细给出了单片机与本地上位机的通信协议——Modbus-RTU。本监控系统是通过多重窗体程序来实现人机界面的,通过不同的窗体可以实现电站的运行状态的实时显示和参数设定等功能。在实验室搭建了系统测试平台,进行了模拟调试,达到了设计的预期效果。此系统已经在实际的工程中得到应用。关键词:光伏电站;远程监控;单片机;GPRS;现场总线AbstractEnergyisthebasisforhumansurvival.Nowadays,energycrisisisincreasinglyserious.Solarenergy,asaninexhaustiblesupply,iscleanandrenewable.Ithasbeenpaidmoreandmoreattention.Therefore,usingphotovoltaiceffecttoconvertsolarpowertoelectricityisoneoftheimportantmethodstosolvethecurrentcrisis.Inthisthesis,thePVpowerplantmonitoringsystemisresearchedanddesignedbasedonfieldbusbyusingcomputertechnology,networkcommunicationtechnologyandrelatedtechnologies.Thesystemisabletoachievelocalandremotemonitoring,andisverypracticalforitsmultiplefunctionsandperformanceofreal-time.Firstly,theresearchstatusofphotovoltaictechnologyanditsmonitoringsystemwasintroducedinthethesis,andthenthecompositionandfunctionofthePVpowerplantmonitoringsystemwasdescribed.Accordingtotheneedsofpracticalapplication,AVRATmegaseriesmicrocontrollerswereselectedasthesystemcontrollerinthethesis.Thehardwaredesignandsoftwaredesignforthecontrollerweremainlystudied,theycouldachievereal-timedataacquisition,dataandstatedisplay,parametersettingetcal.Secondly,bycomparingwiththecurrentcommonlyusedremotemeansofcommunication,GPRSwirelesscommunicationwaschosentoachievetheremotecommunication,andhowtouseGPRStobuildadatacommunicationlinkandachieveremotedatatransmissionwasdescribedindetailbycombiningtheadvantagesofGPRS.Finally,thethesisgavethehuman-machineinterfacedesignbasedonMCGSandWEBrespectively,andcommunicationprincipleModbus-RTUbetweenthesingle-chipmicrocomputerandhostcomputer.Thehuman-machineinterfacewasachievedthroughmultipleformsprogram.Themonitoringsystemachievedreal-timedisplayingandparametersettingsandotherfunctionsindifferentforms.Inthelaboratory,thehardwaretestplatformwasbuilt.Andbytestinganddebuggingthesystem,itachievedtheexpectedeffect.Inaddition,thissystemhasbeenappliedinpracticalengineering.KEYWORDS:PVpowerplant;Remotemonitoring;Microcontroller;GPRS;Fieldbus目录摘要 IAbstract II1绪论 11.1课题研究的背景 11.1.1全球能源与环境问题 11.1.2太阳能光伏发电产业的发展背景 21.2选题依据 31.2.1光伏电站监控系统的发展现状及趋势 31.2.2光伏电站实现远程监控的重要意义 42光伏电站监控系统设计的内容与要求 52.1光伏电站监控系统设计的主要内容 52.2光伏电站监控系统设计的主要功能 72.3光伏电站监控系统的主要技术指标 82.4课题的主要研究内容 83光伏电站监控系统方案设计 103.1光伏电站监控系统设计方案选择 103.2系统的原理与组成 133.2.1太阳能光伏发电系统的工作原理 133.2.2系统原理框图 153.2.3详细说明 184光伏电站监控系统的硬件设计 194.1核心芯片的选择 194.2电源电路设计 214.3实时时钟电路设计 224.4串行接口与数据通信设计 234.4.1I/O扩展 234.4.2RS-485接口电路设计 274.4.3RS-232接口电路设计 284.5数据采集电路的设计 314.5.1温度采集电路的设计 314.5.2风速风向采集电路的设计 324.5.3辐照采集电路的设计 344.6数据存储 354.7LCD接口电路设计 374.8JTAG调试接口设计 385光伏电站控制系统的软件设计 405.1系统软件需求分析 405.2软件流程图 415.3流程图分析与说明 435.3.1数据采集程序设计 435.3.2显示子程序 445.3.3中断程序设计 456上位组态监控界面设计 486.1MCGS组态软件概述 486.2组态过程和界面设计 506.2.1组态思想 506.2.2组态界面设计 527通讯方案设计 597.1远程通信方式的的选择 597.2GPRS网络在光伏监控系统中的实现 627.2.1监控系统通信数据链路的组成 627.2.2GPRS模块的选择 637.2.3GPRS模块功能的实现 637.2.4光伏监控系统通信链路的构建 658结论 66参考文献 68外文原文和译文 71致谢 87附录1：元器件明细表 88附录2：程序清单 891绪论1.1课题研究的背景1.1.1全球能源与环境问题随着人类社会的高速发展步入到21世纪，全世界都面临着人口膨胀、环境恶化、资源枯竭三大社会压力。人类社会正在以自人类产生以来从未有过的空速度消耗着地球上有限的常规化石能源。如何在不牺牲后代生存环境、经济资源为条件的基础上继续发展我们的社会，这是一个值得我们深思的可持续发展战略问题。地球上的常规化石能源主要是煤、石油、天然气等。这些能源都是地球上数十亿年前植物和海洋生物不断生息沉淀下来的，是自地球产生以来由太阳能转化而来并存储在地下的，它们都是存储量有限、不可再生的化石能源。人类发展开发煤、石油、天然气这些化石能源的历史不过二三百年，却已将地球上已有的有限化石能源几乎消耗殆尽。太阳能作为一种可再生能源，每天能够到达地球表面的能量相当于几百万桶石油燃烧的能量，开发和利用这些丰富的太阳能，对环境产生很少的污染，使得太阳能成为近期急需的能源补充和未来能源结构的基础。此外，由于世界人口居住地大多比较集中，每个国家的电力发展水平也不一样。就我国而言，在中西部等偏远的山村和牧区等地方，仍然居住着大量的人口，而这些地方恰恰是电网还没有普及的区域，因此该地区人们的日常生活用电受到了一定的制约，然而这些地区的太阳能等自然资源却非常丰富。为解决目前能源紧张的问题以及那些远离市区或居住偏远地区人们的生活用电的需求，世界各国都在纷纷努力使用各种清洁能源。节约能源、发展清洁干净的新能源和可再生能源是势在必行的。在当今油、碳等能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。美国参议院在2008年9月16日通过了一系列减税计划，将光伏产业的减税政策延续2~6年。美国进一步提出“太阳能先导计划”，使太阳能发电以低成本的优势在2015年达到商业化竞争的水平；“太阳能发电普及行动计划”由日本政府在2008年11月发布，此次计划确定了光伏电池的价格在3~5年后降至目前的50%左右，光伏发电量在2030年达到2005年的40倍。欧洲光伏协会提出了“setfor2020”规划，规划在2020年让光伏发电做到商业化竞争。在发展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高。我国的太阳能资源十分丰富，全国有2/3以上的地区，年日照时数在2000h以上。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的能源，合理利用太阳能资源对解决无电或缺电的偏远地区的用电问题具有非常重大的意义。无论是从经济的可持续发展之路，还是从环境保护以及解决能源供应的问题出发，开发和利用太阳能均具有重大而长远的战略意义。据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。1.1.2太阳能光伏发电产业的发展背景随着人类社会的高速发展步入到21世纪，全世界都面临着人口膨胀、环境恶化、资源枯竭三大社会压力。人类社会正在以自人类产生以来从未有过的空前速度消耗着地球上有限的常规化石能源。如何在不牺牲后代生存环境、经济资源为条件的基础上继续发展我们的社会，这是一个值得我们深思的可持续发展战略问题。地球上的常规化石能源主要是煤、石油、天然气等。这些能源都是地球上数十亿年前植物和海洋生物不断生息沉淀下来的，是自地球产生以来由太阳能转化而来并储在地下的，它们都是存储量有限、不可再生的化石能源。人类发展开发煤、石油、天然气这些化石能源的历史不过二三百年，却已将地球上已有的有限化石能源几乎消耗殆尽。据联合国2001年的统计数据，目前地球上已探明的煤炭储量可以使用230年，天然气仅够使用62年左右，而石油只能够使用44年。目前全球石油储量大约130GT，年消耗约3.5GT，预计今后25中平均年消耗约5GT，加上新探发的油田,专家估计总量也不会超过200GT，石油资源在四五十年后即将枯竭。人类社会面临着严重的资源枯竭的危机。常规化石能源的燃烧会排放CO2气体，大量的CO2气体会产生温室效应，导致全球气温上升，引发一系列严重的环境问题。联合国气候变化问题小组公布的最新报告表明：目前全球的平均气温比1750年以来的标准温度升高了将近0.8℃。同时研究数据表明全球气温升高2℃后，空气中的CO2质量分数是4008×10-6，当CO2质量分数达到400×10-6水平仅需要10年时间左右。究报告同时指出我们的地球生态环境恶化相当严重，全球性的生态灾难已进入倒计时。假如我们人类再不采取有力、正确的方法措施来阻止和缓解温室气体排放，将会导致地球生命的基本生存条件继续恶化，会给人类社会的可持续发展带来不可估量的危害，如冰山溶解使海平面持续上升；异常的洋流和大气环流将会导致干旱、洪涝等自热灾害的频繁发生；耕地荒漠化现象不断加剧等。世界各国均已意识到必须采取有效措施来缓解或避免这种影响。1.2选题依据1.2.1光伏电站监控系统的发展现状及趋势近年来在国家鼓励政策的大力推动下，我国光伏产业发展迅速，各地都兴建了一大批光伏发电站。建设运行太阳能光伏发电系统，用户不仅需要选择先进的设备和技术，同时更重要的是要确保光伏电站系统的无故障运行。为确保光伏电站的无故障运行，这需要对光伏电站内的相关组件进行实施监控。而光伏电站通常都是建立在荒漠、高山等偏远地区，远离人烟，同时周围环境也异常恶劣，根本不适合工作人员工作值守。伴随着计算机网络通信技术及自动化技术的快速发展，光伏电站监控系统已从最初的由工作人员定期进行电站巡检发展到光伏局域网监控。2007年，国内外开始推广光伏电站网络监控系统，这使得光伏电站监控系统往智能、远程及网络方向发展。光伏电站远程网络监控系统的发展经历了三个阶段：第一阶段的光伏网络监控系统是采用现场设立服务器的形式，是点对点的实现互联网监控，用户需要记住每个电站服务器的网络地址并设立用户名和密码。该方式的缺点在于监控成本高并且管理较为麻烦。第二阶段的光伏网络监控系统是采用网络服务器转发的C/S访问模式，该方式避免现场设立电站服务器，同时也可对多个电站进行管理。但是缺点也很明显，需要等待一定时间才能查看数据，并且要求客户端不断升级来进行功能提升。同时客户端设置也较为繁琐，数据传输方式也存在一定局限性。第三阶段的光伏网络监控系统发展成为了真正意义上的监控管理平台形式，用户完全通过B/S结构进行访问，提供给习惯于进行web访问的用户更多的便利性，也不再有电站监控数量和采集形式的限制。完全实现了互联网的互联互通精神。1.2.2光伏电站实现远程监控的重要意义光伏电站大都建在无人职守的偏远地区，也比较分散，通过远程监控技术方便技术人员分析远程采集并传输过来的电站运行参数，了解光伏电站的运行状态，保证电站平稳运行，实现了对分散站点的集中远程监控，节省了大量的人力、物力和财力；因此建立光伏电站智控监控系统，实现对太阳能光伏电站的远程监控，确保光伏电站的安全可靠运行，具有十分重要的意义。根据实际需要，光伏电站监控系统应该具备以下功能:（1）运行数据采集采集光伏电池输出电压、电流，蓄电池电压、充放电电流、蓄电池温度，环境温度、光照强度，逆变器输出电压等参数；（2）故障诊断检测系统设备的运行状态，有设备出现故障时，能够即时发出报警信号，以便维修人员及时处理；（3）蓄电池管理根据电池的工作特性选择合适的充电方式，延长电池使用寿命；电池放电到终止电压时，立即切断用电负载，保护电池避免电池过放电；（4）数据存储将电站的运行数据存储起来，当系统发生故障时，工作人员通过查看相关数据，实现对系统运行故障进行分析处理；（5）远程监控具有远程通讯接口，以保证异地监控中心对光伏电站工作状态的远程控制。2光伏电站监控系统设计的内容与要求2.1光伏电站监控系统设计的主要内容通过太阳能电池，利用光伏效应将太阳能转换为电能的发电系统都是太阳能光伏发电系统。光伏发电系统虽然有各种应用对象和使用方法，而且各种发电系统规格大小各不相同，但是太阳能光伏发电系统工作原理和内部构造都基本相同。一般来说，一个太阳能光伏系统由太阳能电池组件（或太阳能电池阵列）、光伏控制器、蓄电池（或蓄电池组）、交流逆变器以及其它他附属设备构成，若需要交流电压输出，则逆变器不可缺少。本节结合太阳能光伏发电系统的构成，简要介绍应用本监控智能系统的光伏电站中的部分组件。1.太阳能电池组件太阳能电池是太阳能发电系统的不可缺少的组件，太阳能光伏电站的光电转化效率取决于它。太阳能电池本质上是一个半导体光电二极管，其吸收光能产生光致电流。目前投入应用的硅太阳能电池种类有单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池三大类，而应用最多的是晶体硅太阳能电池。太阳能电池组件是由一块块太阳能电池片组成的，而为了达到电力系统要求的输入电压，若干个太阳能电池以串联、并联或者二者结合的方式形成较大功率的太阳能电池方阵，从而符合电力系统要求。2．蓄电池蓄电池用于存储太阳能光伏系统产生的电能并在太阳能组件输出功率小于负载消耗功率时向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求有：1)具有特殊的设计和胶体电解质保证电池寿命长。2)充电效率高，自放电率低。3)具有较好的深循环能力，深放电能力强。4)能够对不同环境具有较强的适应力，有较宽的工作温度、在高海拔地区能正常使用。5)维护要求小或者不用维护以及价格低。在太阳能光伏发电系统中，常用的储能电池及器件有铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、碱性蓄电池、锂离子蓄电池及超级电容。在小型或微型发电系统中，储能设备常用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容。由于性能和成本原因，目前应用最多、使用最广泛的为免维护铅酸电池。在太阳能光伏发电系统中应用最多的是固定式阀控密封免维护铅酸蓄电池。铅酸蓄电池每2V为一个单位，可组装成2V、6V、12V等形式。3.光伏控制器太阳能发电系统的光伏控制器用于保证光伏电站正常工作，延长蓄电池使用寿命的，防止蓄电池过充电和过放电、系统短路、系统极性反接以及夜间电流反充。由于蓄电池使用寿命主要由蓄电池的循环充放电以及放电深度决定，因此通过光伏控制器控制蓄电池充电频率、充点方法和放电深度以最大程度充点的同时延长蓄电池寿命。在温差较大的地方，控制器具有温度补偿的功能。4.交流逆变器当电力系统需要交流电时，太阳能电池组件或者蓄电池输出的直流电通过交流逆变器转换为交流电供给电力系统使用。它使转换后的交流电的电压、频率与电力系统的相一致，从而满足交流电负载以及并网发电的需要。按照光伏发电系统是否并网来分，光伏逆变器可分为离网型逆变器和并网型逆变器。离网型逆变器用于独立运行、离网的太阳能发电系统，为独立的负载供电，发电系统不接入电网，而并网型逆变器用于并网运行的太阳能光伏发电系统，给电网供电。逆变器作为光伏发电系统的电力转换的重要组成部分，为保证太阳能光伏发电系统具有较高的可靠性和安全性，逆变器应该具有如下保护功能：欠压保护、过电流保护、短路保护、极性反接保护、雷电保护。光伏发电系统附属设施光伏发电系统附属设施有配电系统，监控和状态监测系统，防雷击系统和避雷针等设备。光伏发电系统附属设施更加完善了光伏电站功能，同时保证了太阳能光伏电站的正常运行。2.2光伏电站监控系统设计的主要功能光伏并网发电系统需要监测的状态量有:电网电压幅值、电网频率、锁相、直流电压幅值、系统温度、驱动电流、直流电流、驱动电源、控制电源等。当这些状态量都正常时,才表明系统是处于正常工作状态。光伏并网发电系统需要采集的数据有:光伏电池瞬时输出电压、光伏电池瞬时输出电流、并网各相电压、并网各相电流、系统温度、系统的启停状态、电网频率、光伏并网系统当日发电量、光伏并网系统累计发电量、风向、风速、辐照、环境温度,这些数据有的是采集的来的原始量,有的是经过原始量计算得来的。根据实际需要,光伏电站监控系统具备以下功能:(1)数据显示实时显示光伏电池阵列的输出电压电流、并网电压电流、逆变电压电流、并网功率、总功率因数、电网频率、逆变效率、环境温度等。(2)故障监测实时监测太阳能光伏并网发电站的运行状态,当电站有故障时,监控系统立即发出报警信号,及时通知电站管理人员及时处理。(3)绘制曲线可以绘制每天的太阳辐射强度曲线、风速变化曲线、光电池发电参数曲线、逆变器的电压-电流曲线、功率-时间曲线。(4)数据管理能够将太阳能光伏发电站的运行数据存储起来,当光伏电站发生故障时,可将存储的电站运行数据传送给远程监控中心,方便管理人员进行故障分析,做出相应的处理。此外还包括历史数据存储、数据导出等。(5)本地监控为方便现场检修人员,需要在现场及时显示电站的运行状况。(6)远程监控具有远程通信端口,能够让远程监控中心及时了解太阳能光伏电站的运行状态,并能够远程控制,即具有遥测、遥控、遥信、遥调功能。(7)密码管理系统采用二级密码管理,系统管理员拥有最高管理权。2.3光伏电站监控系统的主要技术指标(1)10MW光伏电站(2)数据采集、响应时间：≤20ms(3)控制命令回答响应时间:≤10ms(4)联合控制有功功率执行周期3s～3min（可调）(5)全系统MTBF＞30000h(6)全计算机MTBF＞30000h(7)可利用率：计算机监控系统可利用率≥99.99%(8)可维护性：具备硬件的代换能力、软件可通过便携机维护。(9)安全性：操作安全性、通信安全性、硬件软件的安全性。如用户对图形、打印报表等格式，内容均可在线修改、生成，这种修改要求有一定的用户级别及权限。(10)可扩性：在功能、配置、通信接口等方面均有很强的扩展能力。(11)开放性：系统采用国际标准的开放性规约。(12)可变性：设备的参数和结构配置易于实现改变。2.4课题的主要研究内容本系统的设计结构采用的是一种分层分布式的开放型结构。该系统主要由太阳能光伏电站的监控单元和远程监控中心构成,其中太阳能光伏电站的监控单元主要是在本地完成光伏电站的监控,而远程监测控制中心主要是完成多个太阳能发电站的远程监控。该监控系统不需要较高的实时性,但是有很多的耗时较多的I/O操作,例如串行通信、数据的存储和査询等。而这些操作并不适合DSP来完成,因此用来实现系统监控功能是另外一个单片机。由于光伏电池电压、光伏电池输出电流、电网电压、并网电流^数据在DSP控制过程中也同样需要使用,所以这些数据的监测由DSP完成,该监控系统所要采集的该类数据均由DSP传送给它。不同的设备具有不同的组成结构和工作原理,与中央处理器的连接方式也是不一样的。也就是说不同处理器之间交换数据的是一项复杂的工作。对于多处理器系统之间的信息交换,系统的复杂程度有信息交换的方式决定。信息交换的方式有并行接口模式、串行接口模式、共享内存模式、共享总线模式。在这个系统中,双处理器只需要交换DSP所采集到的一些数据和一些简单的命令。这两个处理器之间交换的数据量不大、信息交换的频率也不高,所以DSP与AVR单片机之间采用串行数据通信模式,这种模式占用资源最少、实现最为简单。监控系统的结构如图2-1所示。图2-1监控系统结构框图控制器的外围需要扩展有LCD显示器接口、RS-232接口、RS-485接口、以及非易失存储器等等。LCD显示器采用占用的I/O口较多并接口连接,但是它的速度比较快;单片机至少需要有2个串行通讯口才能使用RS-232和RS-485接口。在小型的嵌入式系统中访问频率不会很大,而只有断电后内容不会丢失的存储器才能保存历史数据,所以可以按照页面或者块访问方式来保存历史数据。串行总线非易失存储器只需占用单片机2-3个I/O口(视采用2线还是3线器件)。为了简化用软件实现的位流操作,节省CPU开销,所选的单片机最好具有I2C或SPI总线接口。3光伏电站监控系统方案设计目前,远程监控设计越来越多的是以单片机为核心的监控装置。单片机自20世纪70年代问世以来,以其价格低廉、集成度高,系统结构简单、可靠性高、处理能力强、开发较为容易、速度快、低功耗、抗干扰能力强、环境要求低、扩展灵活等优点广泛应用在航空航天、家用电器、仪器仪表等领域。单片机已经在我们的生活中无处不在。嵌入式系统的设计既涉及到硬件电路设计又涉及到底层的软件设计,硬件平台设计是系统设计的基础,因此,本章对硬件平台设计进行了详细的分析及阐述。该平台的设计包括整体结构设计,核心处理器的分析以及外围电路设计。本章在此基础上对系统的硬件部分进行设计，包括控制芯片的选择及其外围电路、系统参数采集电路等的设计。3.1光伏电站监控系统设计方案选择(1)光伏电站监控系统的结构分析考虑到光伏电站用途的差异性以及光伏电站所在地的周边环境恶劣等因素，通用型光伏电站监控系统采用了站内监测结构加远程监控结构相结合的分层分布开放式结构，即单个电站内配备一个站内监测系统，多个电站可共享一个远程监控中心系统，其中单个电站监测的总体结构框图如图3-1所示。从图中可看出最底层为分布式采集模块，主要测量电站内的相关量，底层与中间层之间利用RS-485总线进行通讯；中间层为站内监控计算机，主要进行模块的参数定义设置和所采集量的画面显示以实现人机交互，中间层与上层之间通讯在正常情况下采用光纤网络，当电站处于无光纤网络覆盖的地方时则在空缺地带利用无线传输方式进行中转通讯至有光纤地带；最上层即远程监控中心，方便工作人员实时在线观测所得的光伏电站的运行情况。（2）光伏电站监控系统硬件的整体结构控制器采用性价比高、使用方便的AVR单片机,它对系统运行状态进行参数采集和监控,保证供电系统能在长期无人值守的情况下可靠的运行,配以输入输出、显示控制等外围电路,组成一个实用控制系统。控制系统使用的单片机都是ATmega系列的,这不仅使设计的硬件电路能够通用,而且缩短了整个控制系统的开发周期,体现了控制系统的统一性和通用性。图3-1通用型光伏电站监控系统构造框图在太阳能光伏发电系统中，光伏电池和蓄电池是系统的电源部件，控制器和逆变器是系统两个核心能量传递控制部件。所以各部件的工作状态直接影响了整个光伏发电系统的工作状态。整个硬件系统可以分为三个部分:监控器、数据集中器、远程传输模块。监控器的的硬件电路可分为几个模块:模拟量输入、复位电路、输入输出控制、外部数据存储器、LCD液晶显示器、时钟芯片、串行通讯接口芯片等,这几个模块组合起来实现了控制器的功能。控制器外接配置的16MFLASH用来存储光伏电站的控制参数及故障信息、16KBEEPROM作为光伏电站系统运行申数的动态内存。监控器和数据集中器都设计了J1AG接口,通过该接口可以进行审片机的在线仿真。数据集中器主要作用是通过RS-485接口对各个子站自动轮询,记录在线设备,通过配备的液晶屏显示出轮询结果,把采集到的数据进行汇总后经远程传输给上位机。远程传输方式釆用的是GPRS传输模式,使用的是MD-109G无线传输模块,它通过RS-232与数据集中器相连。控制系统硬件的组成结构如图3-2所示。图3-2控制系统硬件结构图3.2系统的原理与组成3.2.1太阳能光伏发电系统的工作原理1光伏电站监控系统的核心（1）控制器控制器是光伏发电系统的核心部件，具备如下功能：信号检测，检测光伏发电各个装置的状况参数，对系统进行判断、控制、保护提供各项技术指标，应当包含输入电压、充电电流、输出电压、输出电流以及蓄电池温度等；对蓄电池进行最优充电控制，实现高效、快速的充电，并充分考虑电池寿命影响，同时对蓄电池放电进行管理，为自动开关机、软启动、防止负载接入扰动提供保护，也为其他设备提供过电压和过电流保护；对光伏系统故障进行诊断，并将其通过指示灯显示器等通知修理人员。在现代的中小型电站中，主要的控制器是采用ComAp公司的IGS-NT系列控制器，控制器具备STPM与MINT两种默认的工作模式，其中，STPM工作方式可以为一台发电机组进行模拟量以及数字量、开关量的实时测量和监控，对整个光伏发现系统起到保护作用，同时具备收集系统数据的能力，带有远程通信接口，具备重新编程的功能，运行稳定。最大功率点跟踪控制器通过各种控制算法，改变光伏电池板的输出电压和电流，使光伏阵列输出功率最大化，提高光伏系统的发电效率。最大功率点跟踪器在有效的降低光伏发电的成本，提高光伏发电的效率方面，起到了至关重要的作用。光伏电站现地控制单元层（LCU）中，控制器对于每个电站的组成都有控制的作用，在本文的行文中，将在论述部件的过程中叙述不同控制器的对于相应电站部件的控制作用。电站现地控制层中，控制器的主要功能是进行最大功率点跟踪以及逆变器控制；电站主控层中，主要功能是进行功率分配以及电路中电压电流的监控；同时在电网层中，进行数据的通信完成监控系统作用。控制器需要对光伏电站运行中所需监控数据进行采集，并进行与上位机的通讯以及简单的诊断功能，光伏电站主要需要采集的数据是：1）.太阳辐射值太阳辐射值是光伏电站发电的重要数据。一般来说，测得的是水平面上的太阳辐射总量H，直接辐射量Hb和散射辐射量Hd，H为后两者之和，系统一般使用H和系统发电效率系数计算太阳能光伏电站理论发电量。2).器件表面温度上文曾经提到过温度对光伏发电系统的影响，事实上，通过太阳能电池板上温度的不同，可以分析出电池板是哪一方向对着太阳。随着技术的发展，太阳能电池板已经不是古典型的摆向南方，新一代太阳能电池板都具有随着太阳变化而自动跟踪功能。一般来说，一台50KW的太阳能电池方阵大约需要550W的电机推动，全天功率占总发电功率的0.27%左右，但是，它却能提高大约10%的发电效率。3).光伏电池输出开路电压、短路电流以及输出功率由于光伏电池的输出功率并不是线性的随着开路电压的增高而变大，每个光伏系统都需要进行最大功率点跟踪控制（MPPT），开路电压是进行最大功率点跟踪的主要参考因数，结合短路电流和输出功率参数对电路进行控制，使光伏发电系统能时刻处于最大功率输出状态。同时，光伏电池输出电压电流也是逆变器的输入电压电流。4).逆变器输出电流，电压光伏发电系统逆变器输出电流、三相电压的相位和频率是光伏系统控制的最终目标，由于光伏发电系统的不稳定性，光伏发电系统产生的电流经常出现携带杂波，对市电电网产生污染。所以，保持时刻对输出电流的监测是非常必要的，在出现输出电流急降或者其他问题时，需要进行立刻切断电流动作。同时，控制器也对逆变器输出过流过压进行保护，如果出现短路或者接地情形，可以立刻切断电源。5).电流电压谐波对电流电压谐波进行测量，并进入控制器进行算法抑制是非常必要的，否则谐波会混杂在波形中对电网形成污染。6).风速由于太阳能电池板面积较大，经常出现强风破坏太阳能电池方阵支架的情况，在太阳能电池板铺设时，就必须要对风速进行测量。一般来说，太阳能电池板支架采取埋地、水泥固定、简单埋、水泥墩以及地扦固定方式。由于支架的材料应许抗风力度不同，如果风力过大，就必须考虑支架断裂的问题，如果风力较大时，还要考虑太阳能电池板的灰尘问题，这也是太阳能电池板效率变低的重要因素之一。（2）.光伏电池阵列太阳能光伏电池方阵是并网光伏系统的基础部件，通过光伏电池阵列，将吸收的太阳光能直接有效的转换为电能，目前，工程上应用的太阳能光伏电池阵列，多为一定数量的晶体硅按照要求串联、并联后，固定在支架上形成。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为2cm*2cm到15cm*15cm不等，单体工作电压约为0.45到0.5V，一般不作为单独电源使用，工作电流约为20—15mA/cm2，进行串并联并进行封装后，组成太阳能电池组件，是构成电源使用的最小单元，为满足负载所要求的输出功率，在工程上，一般是将大量太阳能电池组件进行连接组成太阳能电池方阵。一般来说太阳能电池方阵的标准数量是36片（10cm*10cm），这意味着一个太阳能光伏电池组件大约产生17V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池充电。将电池组件串联起来，输出功率就可以达到上千瓦，甚至到达兆瓦级别，理论上，光伏阵列的输出功率可以达到无限大，但是，受各种实际条件限制，光伏电池组件一般只能为较小功率的工作需求进行供电。根据发电系统是否接入电网，太阳能光伏发电系统可分为两大类：独立（离网）光伏发电系统和并网光伏发电系统。太阳能电池板是太阳能光伏发电系统的核心，太阳能电站的发电效率取决于它。太阳能电池板利用光电效应将太阳光中光能转化成电能，并将电能以直流电的形式输出。光伏控制器将电能存储入蓄电池组，并控制蓄电池的充电过程，当需要电力输出时，光伏控制器释放蓄电池中电能或者输出太阳能电池输出的电能，直接供给直流负载或者经转化为交流电后输出给交流负载。为研究光伏组件的输出特点，方便用户快速方便了解电站工作状态，太阳能光伏电站需要配备监控系统，通过监控系统记录光伏电站工作环境、发电状态等。因此本文介绍了一个远程监控式太阳能光伏电站的智能监控系统。3.2.2系统原理框图20MWP太阳能光伏并网电站采用的光伏电池板的材料是多种多样的,其安装位置也不集中在一起,关键问题是如何正确的处理多种信号传输干扰。本文采用分布式设计思想,数据采集单元利用工业传感器就近采集,数据采集模块中设有独立的中央处理模块(MCU),可以在现场对采集的信号进行数字滤波和数据处理,然后通过GPRS无线通信技术将处理后的数据传送至监测计算机,监测计算机将各现场数据汇总,进行后处理。电站数据采集监测系统的逻辑结构如图3-3所示其结构图如下:由于DSP逆变器控制板本身带有数据采集和通讯功能,将此DSP控制板与AVR控制器用RS-485串行数据总线连接起来,并通过AVR控制器存储转发。当光伏电站的并网功率较小时(30kW以下功率的电源中),本地信息通过液晶来显示汉字、字母和数字等,即使用一个128X64的LCD点阵显示器。该系统是专门用在光伏电站的,需要显示的汉字不多,所以建立了一个专用的点阵字库。包括这个专用的汉字库在内,都存放在10KB的程序寄存器内。当光伏电站的并网功率较大时(30kW及以上功率的电源图3-3系统逻辑结构示意图中),AVR控制器与本地上位机的RS-232串行接口连接,通过触摸屏来显示电站的信息。显示的内容主要包括电站的运行参数和控制参数。运行参数只能显示在触摸屏上,不能修改,而控制参数是可以通过触摸屏来修改,然后再返回给DSP。AVR控制板同时通过光纤与数据集中器通讯,将存储的数据发送给数据集中器,数据集中器通过GPRS无线通信技术发送给远程上位机。上位机服务器将GPRS接收到的数据存入ACCESS数据库,通过ADODB组件,用嵌在HTML中的PHP语言对ACCESS数据库进行调用,从而将电站参数以图表形式显示在WEB浏览器中。总的来说,在本设计中,采用嵌入式系统技术来实现监控系统的操作、显示和通信功能。具体来说就是以嵌入式处理器为核心设计了一套监控系统,主要完成对太阳能光伏并网电站的实时运行状态和定时的检测,以及能够采集和显示环境参数,并把这些信息记录显示出来,同时通过GPRS无线网络技术远程传输给上位机,也能够接收并执行远程监控中心发送过来的命令。监控系统的功能主要是提供数据的采集、记录、显示等功能。该电站监控系统不仅能够监测和存储电站运行的电力参数,保护电站安全的运行,而且还可以监控光伏电池阵列的输出电压、电流等光伏组件的参数,以及太阳直射散射、风速风向、温度等环境参数,为以后光伏并网电站的研究和科研分析提供可靠的大量数据。监测系统软件设计的总体思想是以数据的获取、传输、变换、输出为主线进行程序设计,监测系统软件的主要功能是数据采集、处理、存储和査询。采集的主要参数是光伏电池瞬时输出电压、光伏电池瞬时输出电流、并网各相电压、并网各相电流、系统温度、系统的启停状态、电网频率、光伏并网系统当日发电量、光伏并网系统累计发电量等信号。釆集的数据经过相应的处理之后,存储在存储器中,以备查询。并把采集到的数据和处理过的数据实时显示现场的触摸屏上,通过触摸屏点击功能按钮可以进入不同的监测界面,可查看电站的运行状态、数据趋势曲线、历史数据等。监测系统还设计了网络监测功能,采用上位机和下位机之间的点对多点的通讯方式,实现系统的远程监测。远程上位机的主要功能是建立服务器,将数据集中器通过GPRS网络发送的数据存入数据库,在HTML网页标签中嵌入PHP(超文本预处理器),实现数据的调用WEB浏览器的图表显示和Flash曲线实时显示。同时,WEB监控系统具备密码保护、用户权限分级、增加用户、历史数据查询等功能。远程监测系统的上位机功能示意图见图3-4。图3-4远程监控系统上位机功能示意图3.2.3详细说明人类的生存与发展，需要的主要物质之一就是能源，它是世界经济的血液，同时，也直接影响着世界局势与国家的安全，随着社会经济的发展和生活水平的提高，对于能源的需求与赖也是越来越大。但目前世界能源使用主要是利用煤炭、石油、天然气和水，都是一次性能源，它们总有一天会枯竭。所以，在人类社会发展越来越完善的今天，物质文明空前繁荣，如果需要社会可持续不断地发展，能源问题，已成为了社会发展的主要制约因素之一。与此同时，人类也面临着环境的问题，牺牲环境换取经济发展还是保护环境延缓经济发展，是摆在我们面前的巨大考验。发展可再生的清洁替代能源成为当务之急。太阳能，是当前世界上最清洁、最有开发前景的能源之一。因其本身无噪声、无污染，能量随处可得且取之不尽等优点，是其他发电方式所不能比拟的，因而，光伏发电已成为世界各国研究的重点。中国的光伏发电产业近几年来在一些地区发展迅速，然而，各个光伏电站往往进入“各自为战”的状态，缺乏统一的调度与监控，大量小型光伏电站的建立也再次把集群控制问题摆在我们面前，由于调度监控的紧缺，使得一些地方的能源过剩，而另一些地方能源缺不足，每个小型光伏电站都配备了各自的技术、运行和管理人员，各电站间缺乏协调运行管理。目前在中国大多数地区已建成的光伏电站中，多是零星开发，缺乏整体规划，在成本、安全、经济以及运行人员劳动强度等方面都存在着极大的缺陷。对流域内中小型光伏电站群进行集中调度和控制不仅可以有效降低投资成本、保证人员现场安全，还能对整个梯级电站进行经济调度，提高梯级光伏电站群的综合管理水平，发挥光伏电站群联合优化调度的优势。通过集遥控、遥测、遥信、遥调、遥视等功能于一体的流域梯级电站远程集中监控系统可以对流域内各梯级电站进行集中控制。流域内各电站将取消或简化电站内的常规中控室和各自独立的电站办公、现场生活设施、库房、机修车间等，将集控中心作为运行、管理、维护及办公基地，对流域内的各电站进行日常的运行、管理工作。4光伏电站监控系统的硬件设计4.1核心芯片的选择本系统选用了ATMAL公司的ATmega系列的控制器来实现对系统的监控,它是低功耗的8位CMOS单片机,采用先进的RISC结构,最高可用到16MHz的系统时钟,由于CPU内部的Harvadr总线和一级流水线结构,多数指令都是单时钟周期执行的,其结构方框图如图4-1所示。ATmega系列的单片机主要的区别在于通用I/O数目等的不同。以监控板使用的ATmegal28单片机为例介绍单片机的组成。64脚MLF封装的ATmegal28单片机能提供128K片内可编程FLASH(具有在写的过程中还可以读的能力,即RWW)、4KB的E2PROM和4KB的SRMA,还具有64KB的优化的外部存储器空间;它具有53个通用I/O口,32个通用工作寄存器、有2个8位定时器/计数器、2个16位定时器/计数器、2个UART串行通信口、一个SPI同歩串行口、两线式串行总线接口I2C、8通道10位ADC(都有可选的可编程增益)、定时器(具有片内振荡器)、与IEEE标准1149.1兼容的JTAG测试接口(该接口同时还支持在线调试),通过JTAG测试接口可以实现对Flash、E2PROM、熔丝位和锁定位的编程;另外,该单片机还提供了6种休眠模式,这些模式可以不同程度地降低功耗。另夕卜,它还提供多种复位方式,可以用内部的RESET功能省去外部的复位电路;提供多种时钟方式,为了降低功耗,可以通过使用不同的睡眠模式来禁止无需工作的模块的时钟。ATmega系列的单片机支持C语言和汇编语言编程,为本系统提供了灵活而低成本的方案。图4-1AVR内核结构示意图4.2电源电路设计在进行电源电路设计时,考虑到本系统需要三种电压,分别为光稱隔离电压5V、AVR供电电压、FLASH供电电压。AVR单片机可以与光伏逆变器控制板共用5V电源,当并网功率较小时,AVR通过J7口供电,当并网功率较大时,AVR通过J8口供电,故只需设计其他两种供电电压:光稱隔离电压5V和FLASH供电电压3.3V。通过LM1117将5V电压转为3.3V,两种电压为电路板各类芯片供电。电源电路原理图如图3-5所示,采用的是三极管无稳态多谐振荡电路,先把5V电压变换成两个5V的方波,再输送到变比为1:2变压器进行电气隔齊。变压器副边采用推挽结构输出,二极管D2、D3轮流导通,将变压器副边输出^±10V方波整流成10V直流电压,输送给线性稳压芯片78L05。78L05是一种固定电压(5V;)三端集成稳压器,输出电流可达100mA。由于器内部电流的限制,以及过热保护和安全工作区的保护,使它基本不会损坏。该芯片很好的解决了抗噪声千扰的问题。78L05的典型应用电路如图4-2所示。图4-278L05典型应用电路LM1117是叶个低压差电压调节器。其压差在1.2V输出,负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本,通过2个外部电阻可实现1.25—13.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出(1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V)的型号。图4-3为LM1117的典型应用电路。(a)典型固定输出电压(b)典型可调输出电压图4-3LM1117典型应用电路图4-4电源电路4.3实时时钟电路设计时钟用来为系统提供时间,以便进行各种操作,它可以利用单片机内部的定时器编程实现,但定时精度不高、占用CPU时间长且掉电即失效,无法为系统提供可靠的时间,而硬时钟具有掉电不停止的优点,因此本系统主机采用专用高精度时钟芯片DS1337为系统提供时间。DS1337是一款串行实时的低功耗的时钟芯片,同时是一种全部采用BCD码的时钟日历芯片,它带有两个可编程的定时闹钟和一个可编程的方波输出。其数据信息和地址可通过I2C总线串行传输,能提供秒、分、时、日、星期、月和年等时间信息。当月天数小于31天时,它能够自动校正月份,还能过对闰年进行校正。时钟可以工作在24小时模式下,也可以工作在12小时模式下[25—26]。芯片的工作的温度区间是-40-+85摄氏度,提供齊8引脚的DIP和SOIC封装。该芯片与单片机接口简单,并且独立于单片机运行,不占用CPU时间。时钟芯片采用CR1220纽扣电池供电,电池寿命为3年。它与微控制器的连接方式如图4-5所示:图4-5时钟电路4.4串行接口与数据通信设计4.4.1I/O扩展ATmegal28只有两个独立的全双工同歩/异步串行端口,而系统需要2个RS-485接口和1个RS-232接口,因此需要扩展ATmegal28的硬件资源,形成了一个点对多点的通信方式。本系统采用GM8123芯片对其进行扩展,GM8123能够将一个标准的串口扩展成3个标准的串口,并可以通过外部引脚控制串口工作在单通道模式还是多通道模式,也就是可以指定扩展出的其中一个子串口以母串口的波特率单一工作,也可以让扩展出的所有的串口分频同时工作,波特率为母串口的四分之一。此外,串口的工作波特率通过外部电路和晶振频率的修改来实现,可以通过软件来设置母串口和子串口的工作波特率。GM8123串口扩展芯片没有上电复位功能,所以本系统采用单片机的PC5管脚来产生一个低电平使GM8123复位,复位信号在外部电平拉高后内部还将延时200mso复位后的芯片清除了内部所有的BUFFER和寄存器内的数据,此时芯片的默认波特率1200b/s,数据格式是每一帧数据11位。JH是由于上述原因,在使用芯片时,必须对芯片初始化。初始化就是设置芯片的工作方式,包括设置帧格式和波特率等。芯片的这些工作设置只有在多通道工作模式下才有效,当工作在单通道方式时,并不需要设置工作方式,即使已经设置了也不会起作用。多通道模式下的工作方式设置如下-(1)将地址线STADD1~0置为00(2)将MS置0,选择写入控制命令字(3)通过母串口写入控制命令字,该命令字的值为命令字寄存器相应为的设置值,但高4位必须全为'1',这样能够与无效的数据区分开来。命令字寄存器的结构如下:MSBLSB****FLBR2BR1BR0寄存器中的FL用来设置帧长得位,为'0'表示lObit,'r’表示llbit。BR2-0是用来波特率设置的位,波特率设置命令字如表4.1所示。表4.1多通道方式下波特率设置(12MHz晶体)BR2-0000001010011波特率子串口：1200b/s母串口：4800b/s子串口：1200b/s母串口：4800b/s子串口：1200b/s母串口：4800b/s子串口：1200b/s母串口：4800b/s在多通道方式下工作时,各个子串口有相同的工作波特率,设置的值就是各个对应子串口的工作波特率,而子串口的波特率仅为母串口的波特率的四分之一。本文中GM8123芯片的母串口与AVRATmegal28的串口连接,因此,该串口的波特率是与GM8123芯片的母串口相同的。在设置完工作方式后,STADD1-0必须置为非全0,否则设置不会生效。设置芯片GM8123的模式控制引脚MS可以使GM8123工作在单通道模式或者多通道模式下。当模式控制引脚MS=1时,芯片工作在单通道工作模式下,在此工作模式下,在同一时间只能有一个子串口与母串口进行通讯。通过芯片的地址线来指定子串口与母串口的通信,外部的MCU通过输入/输出地址线来控制母串口与子串口的通信。输入地址线和输出地址线可以不是同一个子串口的,则不同只串口的RXD和TXD可以连接到母串口上。需要注意的是在通讯时STADD不能置为'00'。单通道工作模式各地址线定义如表4.2:当MS=0时,芯片GM8123在多通道方式下工作,即在此方式下允许所有的子串口都工作在全双工模式下。在此工作方式下,芯片GM8123的地址线STADD1-0是输入口,由MCU指定哪一个子串口来发送数据,地址线SRADD1-0是输出口,用于向MCU发送子串口的地址。表4.2单通道工作模式下地址线定义STADD1STADD0SRADD1SRADD1定义011号子串口的接收端01-11102号子串口的接收端113号子串口的接收端011号子串口的发送端1001-112号子串口的发送端113号子串口的发送端在该模式下,3个子串口的工作波特率相同,母串口的波特率为子串口的4倍。各地址线的定义如表4.3和表4.4所示表4.3子串口TXD地址线的定义 STADD1STADD0说明01选择1号子串口发送10选择2号子串口发送11选择3号子串口发送表4.4子串口RXD地址线的定义SRADD1SRADD1说明011号子串口接收到数据102号子串口接收到数据113号子串口接收到数据当单片机需要实现点对多点的通信时,使用GM8123来扩展单片机的串行接口,在占用较少硬件资源的情况下,具有以下特点:可以通过对芯片写控制字来实施控制、可以设置每个子串口的波特率以及可以选择串行通信的数据格式。本系统采用单通道工作模式,硬件电路如图4-6所示。图4-6接口扩展电路4.4.2RS-485接口电路设计考虑到电站的环境,抑制干扰,本文在设计DSP控制板和AVR监控板通信时,采用RS-485电路。工业应用场合的通信节点多,位置分散,通信的距离比较远,RS-485不但能够满足上述要求,还能够抑制共模干扰,最高传输速率可达10Mbps。采用图4-7的平衡驱动器和差分接收器的组合电路是RS-485的最大特点,RS-485采用的是差分信号负逻辑,并不需要相对于某个参照点来检测信号,系统只需检测两线之间的电位差就可以了。逻辑"1"以两线间的电压差为2V~6V表示;逻辑"0"以两线间的电压差为-2V到-6V表示。RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性和不受节点间接地电平差异的影响。RS-485多用于长传输距离和多站点数据通信。图4-7平衡差分电路图4-8RS-485接口电路主控制系统通过采用串行通信方式与监控系统通信,其物理层采用RS-485,而RS-485是通过MAX485驱动器在DSP与ATmegal28的通用串行接口之间转换而来的。ATmegal28与数据集中器的通信方式也可以采用RS-485方式。其硬件电路如图4-8所示。4.4.3RS-232接口电路设计ATmegal28芯片内部的通用同步/异步收发器单元提供2个独立的全双工同歩/异步串行端口,ATmegal28的两个串行端口的输入输出都是TTL电平,而TTL电平不能够长距离传输,抗干扰性差,衰减大。为了能够远距离通讯'一般把TTL电平转换成标准串行接口的电平,如常用的标准串行接口RS-232、RS-485等。其中应用最为广泛的是RS-232,它规定了连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。适用于数据终端设备(DTE)和数据传输设备(DCE)之间的接口,其中DTE主要包括计算机和各种终端机,而DCE的典型代表是调制解调器。RS-232标准采用的接口是9芯D型插头,考虑到单片机和上位机的通信量并不大,所以在连接时采用简单的"三线制",即只通过TXD、RXD和地线GND进行连接。但是RS-232所定义的高电平和低电平与AVR单片机所定义的高电平和低电平信号标准不同,RS-232采用的是负逻辑的方式,-5V?-15V电平表示的是逻辑"1",+5V-+15V电平表示的是逻辑"0",需要对两者的电平进行转换。本系统使用的电平转换芯片为SP3223E,RS-232接口电路如图4-9所示。图4-9RS-232接口电路SP3223E是SIPEX公司生产的RS-232收发器,是一个双驱动器/双接收器芯片。SP3223E内有一个高效电荷泵,可在单+3.0V到+5.5V电源下产生±5.5V的RS-232电平,该技术已申请了美国专利(专利号为U.S.--5,306,954)。满负载时,SP3223E器件可工作于235kbps的数据传输率。在RS-232接口电路设计中,COM1用于与触摸屏通信的RS-232接口,COM2口则为备用的RS-232通信接口。4.4.4光纤通信电路设计监控板与数据集中器的距离较远,电站地处的环境恶劣,为了抑制电磁干扰、噪声干扰等,提高信息传输的的可靠性,本文选用光纤传输的方式,经过在现场的验证,选用的传输方式是准确可靠的。HFBR-0400系列的变送器和接受器是低成本的高速光纤通信器件,在工业领域和通信领域都有比较广泛的应用,其通信距离可以达到4000米,工作温度范围宽。该系列光纤收发器与流行的工业光纤接口直接兼容,如ST、SMA、SC和FC接口。并与多种光纤尺寸兼容,包括50/125微米,62.5/125微M,100/140微米和200微米。光纤通信模块采用820nm光纤模块,主要由与门驱动器SN75451BD、与非门施密特触发器HEF4093B、光发送器HFBR1412、光接收器HFBR2412构成。SN75451是一个两通道的与门驱动器,其可以保证光纤中有足够的光功率耦合,确保能够实现信号的可靠传送。其与光发送器连接的硬件原理图如图4-10所示。图4-10SN75451与光发送器连接的原理图光发送器的内部是一个发光二级管,当流过的电流达到一定的值时,二级管发光,光接收器接收到光纤发送过来的光信号。光接收器的内部集成了一个集电极开路的三极管。当光纤中光信号达到一定程度时,三极管导通,输出电平DATA为低;当光纤没有光信号时,三级管截止,输出电平DATA被外接电源上拉为高电平。4.5数据采集电路的设计4.5.1温度采集电路的设计温度对光伏发电系统有比较大的影响,首先温度与太阳能的转化效率有关,再则它还影响着太阳能光伏电池板的工作效率以及使用寿命等问题,因此在光伏电站监控系统中加强对温度的监测是非常有必要的。在本监控系统中,系统要检测的温度值有两个,一为电站的环境温度,二为电池板的温度。在传统检测电路中,对温度的检测,常用热电偶或变送器来实现,这两种方法都比较麻烦,且干扰大,不易于系统的多点使用,尤其是对精度要求高的采集系统,很难满足要求,所以在此系统中,使用了数字温度传感器DS18B20。本文采用的是一款PR-35封装的DS18B20芯片,有3个管脚。其管脚功能如下表4.5所示表4.5DS18B20管脚功能管脚名称功能1GND电源地2I/O总线接口，实现微处理器与DS18B20的双向通讯3