光伏并网逆变器人机接口单元的设计

低压电器 （ 2011No． 11） · 分布式电源 ·李 秉 键 （ 1976— ），男 ， 硕士研究生 ， 研究方向为光伏并网逆变系统 。光伏并网逆变器人机接口单元的设计李 秉 键（ 嘉应学院 ， 广东 梅州 514015）摘 要 ： 人机接口单元的设计方案以微控制器为核心 ， 通过带光电隔离的 RS －485 总线分别与并网逆变器的控制系统和上位计算机连接 。 设计了人机接口单元的硬件电路 ； 用模块化方法设计人机接口单元的软件 ， 重点讨论人机接口单元的通信协议设计 。 在一台并网逆变器上完成人机接口单元的运行试验 。 试验结果显示 ， 所设计的人机接口单元工作可靠 ， 实现了人机接口的功能 ， 且不会对并网逆变器的并网发电运行造成影响 ， 具有一定的工程实用价值 。关键词 ： 光伏 ； 并网逆变器 ； 人机接口 ； RS － 485 总线 ； 通信协议中图分类号 ： TM 464 + ． 9 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1001-5531（ 2011） 11-0028-05Design of Human Machine Interface Module of PhotovoltaicGrid- connected InverterLI Bingjian（ Jiaying University， Meizhou 514015， China）Abstract ： A human machine interface（ HMI ） module designmethodsuitable for photovoltaic-voltage grid-con-nected inverter was studied ．Firstly ， a design schemeof HMI was established， in which the core was a microcon-troller connectedwith the grid-connectedinverter controlling systemand the remotecomputer ． The schematicof theHMI was designed ．The softwareof the HMI was designedin modular manner and the emphasiswas to discuss de-signing the communication protocol of the HMI． The running experiment of the HMI was done in a grid- connectedinverter ．The experimentalresults showedthat the designedHMI could work reliably and the HMI function was real-ized and had no negative effect on the grid-connectedinverter ．This designmethod had practical engineeringvalue ．Key words ： photovoltaic voltage ； grid- connected inverter ； human machine interface ； RS － 485 bus；communication protocol0 引 言近年来 ， 以太阳能 、 风能和燃料电池为代表的可再生能源发电受到人们的广泛关注 。 光伏并网发电是太阳能发电的主要应用形式 ［ 1-2］ ， 其核心是光伏并网逆变器 。 光伏并网逆变器除了完成功率变换 、 向电网发电等功能外 ， 还应提供人机接口功能 ［ 3］ ， 通过人机接口单元来显示当前设备运行主要参数和运行状态 ， 并提供人工操作功能 。本文设计了一种应用于光伏并网逆变器的人机接口单元 ， 该人机接口单元可显示如光伏电池电压 、 电流 、 电网电压 、 输出电流温度等光伏并网逆变器的主要运行参数 ， 以及运行状态如开机 、 关机和故障 ， 提供了人工操作的功能如实现参数显示翻页 、 强制开机 、 强制关机等功能 。1 光伏并网逆变器及人机接口光伏并网逆变器及人机接口单元示意图如图1 所示 。 图中 ， HT1、 HT2 、 HT 4 为霍尔电流传感器 ，HT3 和 HT5 为霍尔电压传感器 。 人机接口单元安装在并网逆变器中 ， 其主要部分由光电耦合电路 、RS － 485 总线接口 、 单片机 （ MCU） 、 液晶显示器（ LCD） 和按键等构成 。 人机接口单元除了与并网逆变器的控制系统通信外 ， 也可通过 RS － 485 总线与上位计算机连接通信 。 人机接口单元与控制系统连接和与上位计算机连接时 ， 均有光电耦合电路实现光电隔离 ， 强化抗干扰能力 。—82—· 分布式电源 · 低压电器 （ 2011No． 11）图 1 光伏并网逆变器及人机接口单元2 人机接口单元的硬件设计人机接口单元与并网逆变器的控制系统连接和与上位计算机连接均是通过 RS － 485 总线实现的 。 RS － 485 总线具有硬件设计简单 、 成本低廉 、 传输距离远的特点 ， 广泛应用于工业控制系统 ［ 4］ 。 人机接口单元的控制核心须选用带双串口功能微控制器 ， 此处选用 Atmel 公司生产的 8位 RISC 型微控制器 ATMEGA128， 该款微控制器带 2 个串口 ， 可满足要求 。 运行参数和状态采用12864 液晶显示器显示 ， 按键 KEY 1 和 KEY 2 提供参数翻页 、 强制开关机等操作功能 。 系统运行过程中 ， 一 些 需 要 断 电 保 存 的 参 数 保 存 在 串 行E2PROM集成电路 X5045 中 ， X5045 还向微控制器 ATMEGA128 提供看门狗服务 。 由电子日历集成电路 DS1302 提供系统的运行时间和日期 ， 系统提供了备份电池使 DS1302 在断电时仍然能定时工 作 。 IB0505LS- W75 为 隔 离 型 DC-DC 变 换器 ， 为与上位计算机连接的 RS － 485 总线接口提供电源 ， 从而保证人机接口电路与上位计算机的电气隔离 。 为人机接口电路供电的电源 VCC1 与并网逆变器控制系统的电源也是隔离的 ， 其电气隔离在控制系统中实现 （ 见图 1） 。3 人机接口单元的软件设计人机接口单元需要完成与并网逆变器控制系统通信 、 与上位计算机通信 、 参数与状态显示 、 参数与故障记录 、 翻页显示和强制开关机等操作 ， 其中 ， 与控制系统和上位计算机的通信是重要内容 。3． 1 人机接口单元与控制系统的数据通信人机接口单元与控制系统采用串口通信 （ 总线为 RS－ 485 总线 ） 、 主从通信方式 ， 人机接口单元为主机 ， 控制系统为从机 ， 波特率 9 600 b /s， 8位数据位 ， 1 位停止位 ， 无奇偶校验 ， 二进制数据通信方式 。 由于是固定点对点通信 ， 通信内容不加地址信息 ， 考虑到人机接口单元与控制系统的通信为机箱内短距离通信 ， 且硬件上已加光电隔离 ， 具有较强的抗干扰能力 ， 因此通信内容也不再附加额外的校验信息 ， 以简化通信过程 。 主机每隔 1 s 向从机发送一次命令 ， 从机响应命令返回数据 。 人机接口单元的硬件电路原理如图 2 所示 。 人机接口单元与控制系统的通信协议内容如图 3 所示 。 图中 ： UACH 、 UACL 为交流电压有效值高8 位和低 8 位 ； I ACH 、 I ACL 为交流电流有效值高 8 位和低 8 位 ； UDCH 、 UDCL 为直流电压 高 8 位 和 低 8位 ； I DCH 、 IDCL 为 直 流 电 流 高 8 位 和 低 8 位 ； f gridH 、—92—低压电器 （ 2011No． 11） · 分布式电源 ·图 2 人机接口单元的硬件电路图 3 人机接口单元与控制系统的通信协议fgridL 为电网频率高 8 位 和 低 8 位 ； ERRCODEH、ERRCODEL 为故障与异常状态指示码高 8 位和低 8 位 。当从机接收到主机发来的运行命令 （ 16 进制数 AA ）， 则使并网逆变器进入运行状态或保持运行状态 ； 当接收到停止命令 （ 16 进制数 55）， 则使并网逆变器进入停机状态或保持停机状态 。 其中 ， AA 还是 55 可根据按键的开关机操作或上位计算机发送过来的命令来确定 。3． 2 上位计算机与人机接口单元的数据通信上位计算机与人机接口单元也采用串口通信（ 总线为 RS － 485 总线 ） 、 主从通信方式 ， 上位计算机为主机 ， 人机接口单元为从机 ， 1 对多通信方式 ， 即 1 台主机可带多台从机 ， 一般情况下 ， 带 32台从机 ， 加中继后最多可带 256 台从机 ［ 5］ 。 波特率 9 600 b/s， 8 位数据位 ， 1 位停止位 ， 无奇偶校验 ， 二进制数据通信方式 。 因主机要向多台从机轮询通信 ， 因此通信内容须附加地址信息 ， 且主机可通过 RS － 485 总线与从机远距离通信 ， 远距离有可能受电磁干扰造成通信误码 ， 为识别误码 ， 通信内容须附加校验信息 ， 当校验信息出错时 ， 可要求从机重发数据 。 上位计算机与人机接口单元的通信协议内容如图 4 所示 。图中 ， CRC 为 16 位循环冗余校验数据 ， 包含—03—· 分布式电源 · 低压电器 （ 2011No． 11）图 4 上位计算机与人机接口单元的通信协议16 位二进制数 ， 由发送端发送计算 。 接收端重新计算收到的通信内容的校验码 ， 并与接收到的校验码 比 较 ， 若 两 者 不 符 ， 则 表 明 通 信 出 错 ［ 6］ 。PDCH 、 P DCL 是直流功率的高 8 位和低 8 位 ； PACH 、PACL 是逆变器交流输出功率高 8 位和低 8 位 。 上位计算机作为主机向从机 （ 人机接口单元 ） 发送命令 ， 首先发送地址信息 ， 在发送从机地址信息后 ， 插入一个字符长度的空闲时间 ， 保证从机有足够时间识 别 地 址 。 之 后 发 送 控 制 命 令 （ AA （ 运行 ） /55（ 停止 ）） 和附加校验字节 。 当从机接收到主机命令后首先根据 CRC 检错 ， 若无错误 ， 则返回从机数据 ； 若检出错误 ， 则不做任何响应 ； 主机发送命令后 ， 若 1 s 内无从机响应 ， 则主机重发命令 ， 若连续重发 5 次从机都无响应 ， 即可判定为通信故障 ， 给出报警提示 。 主机接收到从机发送过来的数据 ， 首先根据 CRC 检错 ， 若有错误 ， 则主机向从机重发命令使从机发送数据 ， 若连续 5 次重发都检测出错 ， 即可判定为通信故障 ， 给出报警提示 。3． 3 人机接口单元的主要软件模块人机接口单元的软件采用模块化设计 ， 其主要软件模块如图 5 所示 。图 5 主要软件模块软件采用模块化方式组织 ， 由主程序调用相应的软件模块或进入中断来实现各种功能 。 采用模块化方式组织软件 ， 有利于将较复杂的软件分解为较简单软件模块 ， 当软件模块编写完后 ， 再通过主程序恰当组织起来完成所有功能 。 这种软件编写方式有利于简化问题 ， 提高软件编写效率 ， 减小出错机会也有利于排除错误 ［ 7］ 。4 试 验将设计的人机接口单元安装在一台并网逆变器上 ， 分别与并网逆变器的控制系统和上位计算机连接通信做运行试验 。 图 6 为安装在逆变器上的人机接口单元 。 图 7 为正在通信中的人机接口单元和并网逆变器输出电流波形 。（ a） 人机接口单元与光伏并网逆变器连接（ b） 人机接口界面图 6 安装在逆变器上的人机接口单元—13—低压电器 （ 2011No． 11） · 分布式电源 ·（ a） 运行中的人机接口显示界面（ b ） 并网逆变器输出电流和电网电压图 7 通信中的人机接口单元和并网逆变器输出电流波形由图 7 可知 ， 并网逆变器的输出电流波形具有良好的正弦度 ， 未见明显畸变 。 可见人机接口单元可与并网逆变器的控制系统及上位计算机正常通信 ， 同时未对并网逆变器的并网发电运行造成影响 。5 结 语本文给出了一种光伏并网逆变器人机接口单元的设计方法 ， 包括硬件设计和软件设计 。人机 接 口 单 元 硬 件 设 计 以 微 控 制 器 AT-MEGA128 为核心 ， 通过 2 个串口以 RS － 485 总线为传输媒介分别与并网逆变器的控制系统和上位计算机通信 ， 两路 RS－ 485 总线均加入光电隔离以强化抗电磁干扰能力 。人机接口单元软件设计采用模块化软件设计方法 ， 文中给出了实现人机接口功能所需的主要模块 。 分别分析了人机接口单元与并网逆变器控制系统 、 人机接口单元与上位计算机的握手通信过程 ， 设计了相应的通信协议 。将人机接口单元安装在一台光伏并网逆变器上做并网发电及通信试验 。 本文设计的人机接口单元可实现同时与并网逆变器控制系统和上位计算机通信 ， 完成人机接口功能 ， 同时不会干扰并网逆变器的并网发电运行 ， 具有一定的工程实用价值 。【 参 考 文 献 】［ 1］ 崔容强 ， 汪建强 ， 孟凡英 ， 等 ． 太阳能光伏发电之未来 ［ J］ ． 可再生能源 ， 2008， 26（ 3）： 96-101．［ 2］ 李彦 ， 张庆范 ， 刘畅 ， 等 ． 家用数字光伏并网逆变器电源的 研 究 与 设 计 ［ J］ ． 电 力 电 子 技 术 ， 2009， 43（ 6）： 53-55．［ 3］ CNCA/CTS 0004— 2009 400 V 以下低压并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法 ［ S］ ． 2009．［ 4］ 李成 ， 王鹏 ， 丁天怀 ， 等 ． RS － 485 总线的高速串行远距离数据传输方法 ［ J］ ． 清华大学学报自然科学版 ， 2009， 49（ 5）： 68-71．［ 5］ 王文华 ， 王志新 ． 基于 RS－ 485总线的能源计量系统设计研究 ［ J］ ． 自动化仪表 ， 2008， 29（ 2）： 41-43， 48．［ 6］ 刘 生 辉 ， 王 克 英 ， 廖 颜 深 ． 智 能 开 关 柜 操 控 装 置Modbus-RTU 通 信 协 议 的 设 计 ［ J］ ． 电 测 与 仪 表 ，2010， 47（ 7）： 77-80．［ 7］ 鲍慧 ， 齐焱焱 ， 李树军 ． 电力通信网中蓄电池组集中监控系统设计与实现 ［ J］ ． 电力自动化设备 ， 2010，30（ 1）： 115-118．收稿日期 ：檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿2011 － 01 － 13《 低压电器 》 2011 增刊即将推出为了感谢新老读者及广告客户多年来的支持与厚爱 ， 也应众多低压电器行业生产企业的要求 ，本刊定于 2011 年 10 月增发一期关于 “ 新产品 、 新技术与解决方案 ” 的特刊 ， 内容包括各种与低压电器相关的测试设备 、 仪器仪表和与低压电器制造相关的工艺装备 、 电器智能化及自动控制技术或智能电器控制新技术等 ， 其中新技术应用 、 新产品研发 、 新材料研制 、 新工艺介绍等将成为增刊展开的重点 ， 与此同时我们也会对相关厂商某个具体产品的概况 、 主要技术性能与技术指标 ， 以及该产品推广应用前景进行介绍 。 为满足配套市场需求 ， 本增刊 2011 中国国际工业博览会及各类展会 、 会议 、 行业重大活动免费派送 ， 敬请关注 。—23—