基于网络技术的太阳能光伏发电系统的研究

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RISC MCU/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。[page]

    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。

5 结束语

    本文的创新之处在于利用以太网的技术，构建一个以DSP为核心的并加载LWIP协议栈的能与Internet互连的小型嵌入式Web Server，实现对光伏设备进行自动化监控和对电能进行优化管理与控制等功能。通过实验表明，当输入本系统的地址http://192.168.1.36/index.htm，就会在浏览器中显示监控网页，通过点击各个功能按钮，能获得当前电压、当前电流、有功功率和无功功率的大小，以及设备工作的环境温度等参数，目前，本系统能在局域网内，实现对光伏系统的设备的远程监控。