摘要：本項目的研究目標(biāo)是設(shè)計一個用于監(jiān)測戶用新能源發(fā)電系統(tǒng)電力電子裝置的遠(yuǎn)程用戶終端，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通訊、實時顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)、存儲及查看歷史信息等功能。

關(guān)鍵詞：小型逆變器；遠(yuǎn)程用戶終端；無線通訊人機交互

引言

系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾方面內(nèi)容：

1.無線通訊設(shè)計

本項目所設(shè)計的遠(yuǎn)程終端的重要功能之一就是能與戶用新能源發(fā)電系統(tǒng)電力電子設(shè)備實現(xiàn)無線通訊、傳輸數(shù)據(jù)，因此，恰當(dāng)?shù)刂贫ㄍㄓ嵎桨敢源_保穩(wěn)定、準(zhǔn)確地監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)是非常重要的。

項目中解決的關(guān)鍵問題主要包括：

1.1能夠與戶用新能源發(fā)電系統(tǒng)逆變器進(jìn)行無線通訊；

1.2數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、安全、準(zhǔn)確；

1.3傳輸距離足夠遠(yuǎn)，滿足用戶需要。

2.人機交互設(shè)計

良好的用戶操作體驗是終端設(shè)備設(shè)計的重要指標(biāo)之一，采用合適的輸入、輸出設(shè)備，設(shè)計友好、簡潔的人機交互操作界面，可以讓用戶能夠方便快速的查詢到想知道的信息是本設(shè)計的基本目標(biāo)。

解決的關(guān)鍵問題主要包括：

（1）選用合適的輸入輸出設(shè)備；

（2）設(shè)計友好、簡潔的用戶圖形界面。

2.1無線通訊設(shè)計

目前，常用的無線通訊模塊包括藍(lán)牙模塊、2.4GHz無線模塊、Wi-Fi等。2.4G無線技術(shù)使用的是頻率為2.4-2.485GHz 的ISM無線頻段，這個頻段是國際規(guī)定的免費頻段，是不需要向國際相關(guān)組織繳納任何費用的，這就為2.4G無線技術(shù)可發(fā)展性提供了必要的有利條件。而藍(lán)牙技術(shù)是由2.4-2.485GHz ISM頻段增加特定協(xié)議而來，因此它能夠使任何藍(lán)牙設(shè)備在一定范圍內(nèi)互相配對并連接、傳輸數(shù)據(jù)。該技術(shù)不但降低甚至杜絕了無線設(shè)備互相干擾的現(xiàn)象，而且使藍(lán)牙設(shè)備適應(yīng)性更廣，成本更低廉。

Wi-Fi是近年來興起的無線技術(shù)，隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的井噴，特別是視頻業(yè)務(wù)，需要耗費大量帶寬，Wi-Fi技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用發(fā)展迅速。Wi-Fi也在2.4Ghz頻段工作，它相較于藍(lán)牙和2.4G無線技術(shù)，傳輸速度更快，信號更強，傳輸距離更廣，但通常需要路由器搭建無線網(wǎng)絡(luò)，一定要組網(wǎng)工作，且協(xié)議復(fù)雜，開發(fā)成本較高。

綜合比較以上方案的優(yōu)缺點，藍(lán)牙模塊技術(shù)成熟，適用范圍廣，通訊距離與傳輸速率均能滿足系統(tǒng)要求，設(shè)備配對工作有利于保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃矫苄裕杀疽蚕鄬侠?，因此，選擇藍(lán)牙模塊用于本項目的無線通訊方案。

2.1.1通訊系統(tǒng)整體方案架構(gòu)

目前市場上部分逆變設(shè)備，已經(jīng)開發(fā)相關(guān)管理接口，但是其相應(yīng)的管理體系僅僅是?？吭谥飨到y(tǒng)上運行的，通常由逆變器機身上的點控或觸控設(shè)備以及顯示屏等作為人機交互接口。用戶管理這些設(shè)備會受限于設(shè)備的安裝位置。因此一個全面而便捷的逆變器監(jiān)測管理體系應(yīng)具有如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以方便用戶多渠道、隨時隨地的掌握逆變器的當(dāng)前工作狀態(tài)、歷史發(fā)電量信息等數(shù)據(jù)。

本項目為構(gòu)建戶用小型逆變設(shè)備實時監(jiān)測管理系統(tǒng)，開發(fā)了STM32F103ZET6為通訊主控、AT45DB161為硬件數(shù)據(jù)存儲芯片的無線藍(lán)牙監(jiān)測系統(tǒng)，使Microsoft Visual Studio 中的WPF環(huán)境開發(fā)了用戶端監(jiān)測軟件，構(gòu)建了基于藍(lán)牙的戶用小型逆變設(shè)備Internet監(jiān)測管理系統(tǒng)。工業(yè)應(yīng)用表明該系統(tǒng)簡單有效，運行穩(wěn)定，操作設(shè)置及界面UI合理。

2.1.2通訊監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)

（1）逆變系統(tǒng)主要監(jiān)測參數(shù)

目前國內(nèi)外大部分的光伏逆變設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)一般會采用如圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采集表1中所示的主要電氣參數(shù)（以小功率戶用光伏逆變器為例），其中權(quán)重值用于計算系統(tǒng)運行狀態(tài)及故障診斷。

（2）通訊主控硬件架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)通訊模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中STM32作為通訊主控主要負(fù)責(zé)處理由逆變主控采集到的逆變系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)由STM32計算編碼后輸出到相應(yīng)數(shù)據(jù)接口（遠(yuǎn)程監(jiān)控端、逆變器狀態(tài)顯示端以及數(shù)據(jù)存儲端）。于此同時，STM32接收用戶反饋數(shù)據(jù)，通過其內(nèi)部設(shè)定的中斷優(yōu)先級來處理用戶的數(shù)據(jù)請求操作以及逆變系統(tǒng)的保護(hù)操作，具體中斷處理優(yōu)先級見表2。

2.2信息采集處理方案

在數(shù)據(jù)通訊方面，需要保持各個參數(shù)時效的統(tǒng)一性，在數(shù)據(jù)傳送時將各個傳感器參數(shù)按通訊協(xié)議的規(guī)范整合后進(jìn)行發(fā)送。通訊主控將從系統(tǒng)MCU得到的電壓、電流及溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。

數(shù)據(jù)合并完成后，將整合后的數(shù)據(jù)存儲至FLASH芯片，并放置到通訊主控預(yù)留的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中等待上位機讀取。

2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊接口構(gòu)建

由于用戶可能同時擁有數(shù)臺逆變設(shè)備，在上位機系統(tǒng)的配置參數(shù)設(shè)置中加入了逆變箱地址設(shè)置選項，以方便用戶使用上位機監(jiān)測不同的逆變器，該操作將會直接影響訪問應(yīng)答動作，即發(fā)送的查詢指令隨地址的不同而不同。

本系統(tǒng)的逆變設(shè)備數(shù)據(jù)庫建立在逆變器端，方便構(gòu)建全方位的監(jiān)測體系，使得多種外設(shè)直接和逆變設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互成為可能。系統(tǒng)以AT45DB161FLASH芯片為數(shù)據(jù)存儲單元，使用日期作為數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽， FLASH數(shù)據(jù)存儲的偏移地址作為時間數(shù)據(jù)的索引項。在上位機軟件中，該芯片端口與主頁面Calendar模塊進(jìn)行銜接，使用Calendar的點擊動作觸發(fā)歷史數(shù)據(jù)查詢操作，Calendar的日期值作為數(shù)據(jù)庫的標(biāo)簽值進(jìn)行索引操作，將獲得的數(shù)據(jù)顯示于歷史數(shù)據(jù)圖表中，圖表繪制依舊調(diào)用DynamicDataDisplay動態(tài)庫的繪圖模塊。

3.人機交互設(shè)計

3.1監(jiān)測系統(tǒng)UI及相關(guān)功能設(shè)計

本系統(tǒng)監(jiān)測軟件在界面設(shè)計上以技術(shù)指標(biāo)監(jiān)控為核心UI內(nèi)容，配合XAML語言平臺做到可擴展性及可移植性的最大化，后臺.NET開發(fā)做到代碼邏輯的最優(yōu)化。

系統(tǒng)監(jiān)測軟件UI界面如圖4所示，其中：

1.系統(tǒng)電氣參數(shù)監(jiān)測窗，使用圖表窗體內(nèi)嵌來到達(dá)視覺上層次遞進(jìn)的效果，在頂層的中加入與來完成不同技術(shù)參數(shù)的顯示。

2.發(fā)電功率曲線實時顯示窗利用控件完成以當(dāng)前時間為X軸坐標(biāo)，發(fā)電功率為Y軸坐標(biāo)的圖形繪制。

3.歷史數(shù)據(jù)接口調(diào)用控件配合SelectedDatesChanged動作處理函數(shù)對硬件數(shù)據(jù)庫的訪問操作。

4.系統(tǒng)時間實時顯示，UI界面依舊使用進(jìn)行顯示，執(zhí)行代碼使用T=DateTime.Now.ToString（"HHmmss"）來獲取當(dāng)前系統(tǒng)時間。

5.利用模塊與.NET中開發(fā)的逆變器狀態(tài)進(jìn)行銜接，實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)。

6.系統(tǒng)運行及參數(shù)設(shè)置，使用圖標(biāo)按鈕配以.NET邏輯執(zhí)行語言來管理該系統(tǒng)的運行、停止，以及逆變箱地址的設(shè)置。在該系統(tǒng)事件處理函數(shù)中，為了防止系統(tǒng)的通訊故障，該部分.NET邏輯語言中設(shè)計了錯誤信息處理函數(shù)。

4.結(jié)果展示

4.1功能性試驗展示

通常在進(jìn)行逆變器運行狀態(tài)監(jiān)控測試時，需要設(shè)定一些規(guī)定的環(huán)境參數(shù)，以得到具有普遍意義的功率曲線。本文以一臺3.6KW的小型光伏逆變器為監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)行了實測，監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)如表3所示，監(jiān)測時間為當(dāng)?shù)貢r間上午10點。

圖5 上位機監(jiān)測主界面

此時太陽能電池板產(chǎn)生直流電壓為377.6V，電網(wǎng)電壓為242.1V，電流為11.6A，頻率為50.01Hz。箱體內(nèi)部溫度為46℃，環(huán)境溫度為31℃，當(dāng)前發(fā)電功率約為3.3KW。輸出功率曲線如圖5所示。

4.2功能性實驗分析

實驗中主要測試3種常見狀態(tài)：

狀態(tài)一：故障離網(wǎng)，如圖6中紅色區(qū)域A所示。此時可以看到該時段逆變器輸出功率為0，即表示逆變器為防止電網(wǎng)故障或為防孤島效應(yīng)而及時離網(wǎng)。此時用戶應(yīng)查看故障源頭：電網(wǎng)故障或逆變器故障，以進(jìn)行合理的故障處理。

狀態(tài)二：陽光被遮擋，輸出功率明顯下降，如圖6中黃色區(qū)域B所示。出現(xiàn)該種狀態(tài)的可能原因有很多，例如陽光被云層遮蓋或者太陽能電池板被異物遮擋（例如樹葉等），此時用戶需要通過觀察功率輸出曲線后來判斷是何種情況，如果長時間出現(xiàn)低功率輸出并且光照度良好，就有可能是太陽能電池板被異物遮擋而產(chǎn)生的低功率輸出故障。

狀態(tài)三：云層稀薄輸出功率小幅浮動，如圖6中藍(lán)色區(qū)域C所示。該狀態(tài)表明逆變器未能達(dá)到最大輸出，光照度受到云層小幅影響，逆變器仍處于正常工作狀態(tài)。

實驗結(jié)果表明，本監(jiān)測系統(tǒng)可以及時有效地反映逆變設(shè)備的工作狀態(tài)，方便用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測逆變設(shè)備的狀態(tài)信息并盡快進(jìn)行故障排查。已經(jīng)可以實現(xiàn)本項目立項的初始目標(biāo)。

5.結(jié)束語

項目通過WPF開發(fā)的上位機軟件，可以把該系統(tǒng)的架構(gòu)移植到各種手持式監(jiān)測管理設(shè)備上，使其能夠真正通過多平臺的控制來滲透和完善整個監(jiān)測體系。最終實現(xiàn)多平臺互通、互聯(lián)、便捷高效的遠(yuǎn)端監(jiān)測管理系統(tǒng)。

本項目歷時一年順利完成，希望能得到支持，為實際的工業(yè)應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支持及參考價值。

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作者簡介：喬冠倫（1992-），男，漢族，本科，上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，電氣工程及其自動化專業(yè)。