浅析光伏发电系统的数据采集及监控系统

1.光伏发电数据采集系统

光伏发电系统利用数据采集系统可快速采集太阳能电池、蓄电池等器件的关键工作参数和太阳能辐射量、环境温度等气象参数，并且随时将采集的数据存入装置内的大容量非易失性数据存储器，最大容量可存入十年的工作数据。根据需要，还可随机将记录的数据打印出来，供设计或使用部门进行系统定量分析及资料存档，为今后光伏发电系统更合理的设计提供宝贵的科学依据。同时经常定期分析检查采集的工作数据，还可及时发现系统各部件的故障或隐患，随时排除故障或调整设计参数，以保证太阳能光伏发电系统稳定可靠工作，并可有效地延长太阳能光伏发电系统的工作寿命。

（1）数据采集系统的主要技术指标：

①蓄电池电压：标称值；最大值；采集精度1%；采集周期为1分钟。

②太阳能辐射量：最大值；采集精度1%；采集周期为1分钟。

③环境温度测量范围：-20℃～+60℃；采集精度1%；采集周期为1分钟。

④蓄电池充电电流：最大值；采集精度1%；采集周期为1分钟。

⑤蓄电池放电电流：最大值；采集精度1%；采集周期为1分钟。

（2）数据采集系统的基本功能

①数据采集。每隔1分钟将蓄电池电压、太阳能辐射量、蓄电池充电电流、蓄电池放电电流、环境温度等工作参数循环采集一次并暂存于数据缓冲区中。

②数据处理和记录。每隔1小时，采集系统将前60次采集的参数分别求平均值作为当前值存入掉电不丢失数据的EEPROM中与以前存入的参数进行比较，求得5个参数今日的最大值和最小值也存入EEPROM中。EEPROM中最多可存前98天每小时的当前值、最大值和最小值。由于采集系统内有硬时钟芯片，所以每到月底和年底，采集系统自动将蓄电池充电电量、放电电量和太阳能总辐射量进行累加统计并记录，采集系统可记录10年的累计值。

③显示。采用中文点阵液晶显示器，可分屏显示：被采集的5个工作参数的当前值，今日最大值和今日最小值。浏览前98天内任意一天中的5个参数24小时的历史记录数据。浏览前10年中任意一年、任意一月的三个累计值。

④历史数据打印。采用中文点阵打印机可打印任意选择开始日期和结束日期之间6个工作参数的历史数据（每天每小时的当前值、最大值和最小值）。

⑤硬时钟校准设置。可随时调整当前日期（年、月、日）和当前时间（小时、分钟）。

（3）数据采集系统的硬件结构

数据采集系统的硬件结构框图如图1所示，数据采集系统的功能如下：

①CPU将被采集的5路工作参数经信号处理电路处理后，输入至对应A/D输入端口，由软件程序控制定时进行数据采集。

②数据采集系统是一个完整的单片机应用系统，如果按常规配置进行设计，除CPU微处理器外，还需要多个不同功能的外围器件，如地址锁存器、EPROM、RAM、PLD等才能构成一个实用的系统，这样以来，将使整个系统体积变大、布线复杂。为此，在设计中可采用PSD3系列“可编程单片机通用外围接口芯片”，可将单片机需要的多个外围芯片集成在一个芯片内，从而大大简化了电路设计。

③由于需要记录存储98天的多个采集处理数据和10年的累计数据，信息量很大，所以配置有内含电池的32K不掉电RAM，长期记忆系统的运行数据。

④设计中最大采集的蓄电池充电电流最大可达200A、放电电流最大可达300A，采集精度为1%，如采用传统的分流器进行取样，将很难保证采集精度要求。为此，选用先进的霍尔电流传感器，不仅简化了安装工艺，还可提高采集精度和工作可靠性。

⑤数据显示采用点阵图形液晶显示模块，可清晰地显示4行标准汉字或8行ASCⅡ码字符，该LCD显示器内含背光电路，使数据显示更加清晰。当10分钟内无按键操作时，将自动关闭背光电路，以降低采集系统的自身功耗。

⑥机内配置有标准的并行打印机接口电路，外接中文点阵打印机，可随机打印系统运行的历史数据，供资料存档使用。

2.光伏发电监控系统

光伏发电监控系统结构如1所示，监控系统和群控器（ClusterController）功能如下：

①光伏发电系统的总体显示的信息包括：日期、已发电总量、天发电量、当前输出功率、逆变器总量、正常工作逆变器的数量。



②光伏发电系统的在线数据信息包括：并网逆变器的型号、编号；当前时间；并网逆变器输出功率；并网逆变器的工作状态；并网逆变器工作电压；并网逆变器直流电流；并网逆变器交流电压；并网逆变器交流电流；并网逆变器当天已工作时间。

③群控器监控并网逆变器每天的发电量查询时间(年/月/日)；并网逆变器的型号、编号；并网逆变器发电量。


④群控器监控并网逆变器每天时段参数记录：时间(年/月/日)；时段(例每天中每隔30分钟的参数大小)；并网逆变器的编号；并网逆变器的参数(直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、输出功率、发电量)，存储时段的参数可选择。

⑤光伏发电系统的运行报告包括：光伏发电系统报告；每台并网逆变器的状态；每台并网逆变器的通信质量报告分析(通信最大容忍错误次数率、通信错误次数、通信质量率)；每台并网逆变器的访问报告(最大容忍的通信不上的时间、在线时间长度、下线时间长度、最近上线时间)；每台并网逆变器的发电量报告(平均发电量、与平均发电量相比较的情况、昨天发电量)；每台并网逆变器的状态报告(状态、故障、故障离当前时间)。

⑥光伏发电系统的事件包括：每台并网逆变器开启时间、人为对其设置的时间记录查询；每台并网逆变器的历史故障(故障名称和时间、最近50次)。


⑦光伏发电系统的设置包括：密码登录设置（系统设置；语言、时间、软件版本；待自动刷新显示的并网逆变器参数通道选择。外扩接口设置）；通信设置(对PC机，并网逆变器分别采用的通信口设置、波特率设置)；modem通信设置；外扩显示设置(对于外扩的大显示屏显示接口设置)；外扩继电器输出设置。并网逆变器的地址设置（从电站中删除一并网逆变器；并网逆变器巡检启动）；并网逆变器参数设置(逆变器启动、关断电压，启动时间长度)；发电补偿量设置；数据存储设置（是否存储、存储时间间隔、存储天数、待存储的并网逆变器参数选择）；控制设置；极限设置（持续告警时间、不能通信上的最长时间、发电利用率、通信质量）；报警设置（扬声器、报警灯）；开关控制设置（根据功率大小控制逆变器开停、时间定时控制逆变器开停）。传真信息设置(事件、报告、发送、测试)

⑧群控系统可配置太阳辐射照度仪、方阵温度传感器、环境温度传感器、单个逆变器配置温度传感器等传感器的接口AD芯片；对于大型光伏发电系统应配置与外界显示屏有无线通信或红外接口；电力MODEM通信接口；大容量EEPROM。

⑨并网光伏发电系统的监控通信方式有三种：RS485、Ethernet、GPRS。设备通信原理示意图如图3所示。

采用RS485/Ethernet/GPRS实现远程通信功能，通过上位机监控软件，方便直观地监控当前逆变器的运行数据和工作状态，以及历史数据记录和故障信息，同时可和环境监测仪进行实时通信，了解太阳能电池阵列安装现场的日照强度、风速、风向和温度等情况。