基于MCGS的光伏并网发电监测系统的研究_张筱文

光伏并网发电系统一般由太阳能光伏电池板 、 逆变器以及交流控制器组成 ， 这些器件每个都有不少参数需要测量 ， 需要保存 。在如今太阳能发电发展越来越好之时 ， 虽然有些设备通常具备运行数据显示功能 ， 能够通过其本身的数字仪表显示实时的太阳电池阵列电压 、 太阳电池充电电流等重要的电站运行数据 ， 但是 ， 此类设备不能对电站的运行数据进行统计 、 处理以及长时间存储 ，而且各个数据也是一边一个仪表 ， 比较分散 ， 看起来比较散 ， 对比性不强 。 因此 ， 本文采用一种工业领域已成熟的组态软件技术 ， 通过 MODBUS 协议进行通信 ， 进行各电流电压信号的采集显示 ，将多个光伏并网发电系统的各电流电压信号在一个显示屏内集中显示 ， 并且能显示实时波形 ， 读取历史数据波形 。1 太阳能并网发电平台图 1 是本课题组所做的基于 Z 源光伏并网主电路及控制电路的框图 ， 主电路由光伏电池 、 Z 源网络 、 三相电压型无中线逆变器 （ VSR） 组成 ， 由并网电感接入电网 。 左边太阳能通过光伏板转变为直流 ， 再通过 Z 源和逆变器转变为三相可以并到电网的电压相位都能达到要求的交流电 ， 其中控制算法包括最大功率点跟踪等都在 DSP 中实现 。由图 1 可以看到不少需要采集的电流电压信号 ， 如交流并网电流电压以及相位 ， z 源电容电压 ， 光伏阵列输出电压等等参数 ， 具体见图 2， 对于检测到的这些电压电流信号 ， 又要 经 过 控制算法处理 ， 经过 判 断 对 VT1－ VT6六 个 IGBT 进 行 控 制 ， 这 么多参数 ， 如果不做显示不做记录 ， 对我们对此并网系统的认识（ 特别是在如今绝大多数地方还在试验阶段 ） 将大打折扣 ， 所以引入 MCGS 显示与记录对我们更加清楚地了解并网系统的实时运行情况 ， 以及打印历史数据 ， 分析历史数据 ， 调整运行参数大有好处 。 将大大提高太阳能并网发电的发展速度 。 MCGS 本来可以将 DSP 的算法控制部分也当作控制策略在 MCGS 组态中来做 ， 但是考虑到本设计中控制的实时性要求比较 高 ， MCGS 通 过 串 口 通信控制的实时性达不到要求 ， 所以控 制 还 是 在 DSP中做 ， 显示数据和储存历史数据 ， 得到实时波形在MCGS 中做 。 而对于 DSP开始工作 ， 以及内部参数的 设 置 可 以 在 MCGS 中做人机界面对其进行配置 。2 MCGS 载体选择本 设 计 采 用 将 昆 仑 通 态 公 司 的 TPC1063 作 为 MCGS 载体 ， 并且作为主机 ， 定时读取 A ／ D 采样后存于 DSP 内部存储器的电流电压采样值 ， 并对电流电压等参数的超限作出报警反应 。与 MCGS 组态通信的大部分的产品 ， 主要是 PLC， 他们都有各自的驱动 ， 通过设置配上相应的驱动 ， 接上 PLC 就能直接使用 ， 而本设 计 采 用 的 是 主 控 芯 片 是 DSP ， 没 有 直 接 的 驱 动 可以用 ， 所以需要自己用 C＋＋ 等语言编写驱动 ， 但是 对 于 一 般 的使用者来说 ， 这是一个比较棘手的问题 ， 这也增加了不必要的难度 ， 所以很多人都还是选 PLC ， 但是 DSP 强大的计算功能在需要时是 PLC 根本无法比的 ， DSP 使用前景也非常广阔 ， 所以本设计研究了一种简便的方法 ， 让 DSP 模拟 MODBUS－ RTU 设备 ， 这 样 在 MCGS 中 直 接 选 用 MODBUS－ RTU 这 个 驱 动 ， 在基于 MCGS 的光伏并网发电监测系统的研究张筱文 郑建勇 尤 鋆 张先飞 （ 东南大学电气工程学院 ， 江苏 南京 210096 ）Monitoring System Based on MCGS for Grid － connected Photovoltaic Inverters摘 要主 要 针 对 太 阳 能 并 网 发 电 系 统 需 要 一 个 统 一 的 监 测 系 统 的 问 题 ， 结 合 课 题 所 使 用 的 DSP 控 制 采 样 ， 提 出 一 种 与MCGS 组态软件通信并能显示实时数据和历史波形的方法 ， 同时提出一种 MCGS 与 DSP 通信的简易通信规约 。关键词 MCGS ， 光伏并网发电系统 ， DSP ， 监测AbstractThis paper combines with the data sample controlled by DSP and emphasizes the application of MCGS EmbeddedConfiguration Software in Grid － connected Photovoltaic Inverters,it can display real － timedata and waveform of historical data ．This paper brings forward a simple and convenient protocol for the communication with MCGS and DSP,it can meet theneeds of Grid － connected Photovoltaic Inverters to build an Unified Monitoring System ．Keywords MCGS,grid － connected photovoltaic inverters,DSP,monitoring图 1 光伏并网主电路及控制电路的框图图 2 所需测量参数示意图基于 MCGS 的光伏并网发电监测系统的研究8 工业控制计算机 2009 年 22 卷第 12 期DSP 中只要编写 不 是 很 复 杂 的 串 口 程 序 就 能 完 成 ， 对 于 使 用DSP 的人来说 ， 这样难度不大 。3 通信规约本设计中让 DSP 模拟 ModBus－ RTU 设备 ， 采用工业领域内广泛使用的 ModBus 通信规约 ， 将装有 MCGS 的 TPC1063液晶显示屏作为主机 ， 而 DSP 板作为从机 ， 其通信规约信息帧结构如表 1 所示 。表 1 信息帧结构采用 ModBus RTU 通讯规约 ， 利用通讯命令 ， 可以进行读取点 （“ 保持寄存器 ”） 或返回值 （“ 输入寄存器 ”） 的操作 。 保持和输入寄存器都是 16 位 （ 2 字节 ） 值 ， 并且高位在前 。 这样用于仪表的读取点和返回值都是 2 字节 。 一次最多可读取寄存器数是60。 由于一些可编程控制器不用功能码 03， 所以功能码 03 被用作读取点和返回值 ， 从机响应的命令格式是从机地址 、 功能码 、数据区及 CRC 码 ， 数据区中 的寄 存 器 数 据 都 是 每 两 个 字 节 高字节在前 。串 口 发 送 数 据 的 帧 格 式 则采用一般格式加偶校验如表 2。4 组态软件的设置MCGS 设 备 组 态 是 ModBus－ RTU 设 备 通 过 串 口 与 DSP进行通信的 ， 首先 ， 必须对设备组态进行设置 ， 打开 MCGS 组态环境后 ， 切换到设备窗口添加通用串口父设备以及其下面的标准 ModBus－ RTU 设备 ， 对标准 ModBus－ RTU 设备属性进行设置 ， 包括设备地址 ， 最小采样周期以及通道连接 ， 数据处理等等 。其中初始工作状态设置 1－ 启动 ， 串口端口号 ， 波特率等基本属性要设置正确 。在用户窗口搭好所要显示的界面 ， 同时在界面内部链接一些变量 ， 对于这些变量的开方等等计算都在 ModBus－ RTU 设备属性设置下的数据处理的地方进行 。 这样通过串口收到的每个数据就跟用户窗口内的各个参数联系在了一起 ， 收到什么就显示什么 。 对于开启 DSP 并网发电 ， 以及参数配置等在运行策略中按需要添加 。5 具体设计5．1 硬件设计图 3 监测系统硬件硬件连接图如图 3， 一个带 MCGS 的触摸屏能够接收控制多路并网发电系统 ， 只要分配各自的地址码就行 ， 各并网发电系统能在一个显 示 屏 内 分 界 面 集 中 显 示 ， 中 间 通 过 能 够 相 对 传 较 远 距 离 的485 串口线相连 。 从 A 相电流传感器 、 Z 源电容电压传感器出来的模拟信号经过滤波 、 电流电压转换 、 量程转换等信号调理工序后 ， 进入 AD7656 进行采样 ， 采样后送入 DSP 内存中存储在MCGS 中 定 义 的 固 定 位 置 并 且 实 时 刷 新 ， MCGS 和 DSP 则 通过串口用 MODBUS 协议进行通信 ， 同时通过 MCGS 触摸屏也通过串口线对 DSP参数进行配置 。5．2 软件设计DSP 一 边 采 集 各 电 流 电 压 信 号 ， 存于内存中 ， 同时另一边开串 口 中 断 ， 随 时等待 MCGS 主机通过串口通信对其采样各个参数 ， DSP 串口任务流程图如图 4。首 先 ， DSP 对 其 串 口 进 行 初 始 化 并开中断 ， 当串口接收缓冲区有数据到来的时 候 ， DSP 首 先 判 断 数 据 是 不 是 其 地 址码 ， 如果不是 ， 则继续等待中断的到来 ， 如果是 ， 则进而读取后面的命令是否符合要求 ， 不符合要求则继续等待中断的到来 ，如果符合要求 ， 则 对 收 到 的 数 据 帧 进 行CRC 校验 ， 校验不正确 ， 继续等待中断的到来 ， 校验正确 ， 则对命令进行回应 ， 通过串口 ， 将 MCGS 所需的数据发送到主机 ， 或者实现对 DSP 自身的配置 。 回应完后 ， 继续等待中断的到来 。这个设计对于地址码 、 命令的校验以及 CRC 校验 ， 加上串口每 8 位数据的偶校验 ， 多重保险足以保证采集的数据的准确性 ，MODBUS 这个协议在干扰比较大的现场使用还是比较合适的 。5 结论与展望通过在 MCGS 中组态以及通过以太网下载到液晶屏中 ， 通过 485 串口使其与 DSP 相连 ， 通过 ModBus 协议 ， 控制 DSP开始工作 ， 能够采集到所需的数据 ， 并将采集到的数据显示在液晶屏上 ， 如图 5， 经此实验可知 ， DSP 顺利开始工作 ， 并 且 数 据 显 示 正常 ， 历史 曲 线 也 能 从 屏中读出 ， 这 说 明 此 方 法方便可行 。 奇 偶 校 验 、CRC 校 验 等 多 重 保 险保 证 显 示 数 据 的 准 确性 。 由于 条 件 原 因 ， 本实 验 只 连 接 一 个 并 网系 统 在 MCGS 中 显示 ， 但是 其 实 连 多 个 设备是完全没有问题的 ，只要分配地址码对即可 。由于串口速度的限制 ， 本系统只能通过 DSP 做算法 ， 而不是由 MCGS 计算控制 ， 在此实验中 ， MCGS 只对 DSP 的算法开始作了控制 ， 如果采用网口进行通信 ， 通信规约也在 ModBus基础上做 ， 那样就可以让 MCGS 分担 DSP 的部分算法了 ， 或者如果算法简单的话 ， 就可以考虑撤换 DSP 而用逻辑功能强大的FPGA， 将一些硬件功能以 VHDL 语言在到 FPGA 中完成 ， 这样使用可以更灵活 。参考文献［ 1 ］ 李凌锐 ． 基于 MCGS 的光伏电站数据监测系统的设计与实现 ［ J ］ ． 太阳能 ， 2008 （ 6）［ 2 ］ 蒋立 ． 直接电流单周控制 Z 源并网逆变策略研究 ［ J］ ． 电源技术应用 ，2008 （ 9 ）［ 3 ］ MCGS 嵌入版说明书 ［ K］ ． 北京 昆仑通态公司 ， 2007［ 收稿日期 2009 ． 8． 27］表 2 串口数据帧格式图 4 DSP 程序流程图图 5 实验结果9