薛家祥，陈振升，沈 栋，肖 健，廖天发

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640）

近年来，经济的发展促使社会对能源利用的效率性和安全性越来越重视，可再生能源的光伏并网逆变技术也逐渐成为研究的热点。在电力电子技术领域上，传统的供电系统是一种基于大机组、大电网、高电压进行集中式单一供电，然而单一的大电网供电存在电力质量问题和安全隐患问题，已逐渐不满足社会发展的要求。基于光伏并网逆变技术的分布式发电系统正好解决了单一的大电网供电所带来的缺陷，光伏并网逆变技术的不断发展，使得分布式发电成为新能源系统中具有广阔的发展前景[1]。

光伏并网逆变技术的分布式发电系统的发展中，微逆变器数量庞大而且每个微逆变器都配置一个独立的显示模块，不仅会加大发电系统的设计成本，同时使用户不能及时掌握微逆变器的工作情况和发电系统的运行状态。光伏并网逆变技术的分布式发电系统相对于传统的单一大电网供电系统，优势在于能够快速定位发电故障位置，因此建立一套安全的、智能的、实时的综合监控系统是十分必要的[2-3]。

本文提出了一种基于ZigBee无线网络技术的智能光伏微逆变器分布式发电监控系统设计方案，对光伏微逆变器分布式发电系统的运行参数和各微逆变器的运行参数进行监控，同时通过手持移动显示终端实时显示监控参数，实现智能化监测和控制。

1 系统总体方案的设计

1.1 系统结构

光伏微逆变器分布式发电监控系统如图1所示，包括移动监控终端和上位机监控中心两组人机交互监控系统。移动终端是使用8寸的液晶显示装置，装有自主设计的集成ZigBee通信控制核心模块，与ZigBee协调器进行实时通信监控。上位机则通过RS232协议与协调器进行数据通信。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of control system

本系统中能够同时监控至少50台以上的微型光伏逆变器，收集分布式发电系统的瞬时发电功率、日发电总量、月发电总量、年发电总量，使用户能够实时清晰观察发电系统的运行状态，同时方便专业人员进行维护分析[4]。

1.2 网络通信结构

本系统的网络通信主要由光伏微逆变器集成的SPI、UART通信接口进行扩展实现。

微逆变器通过传感器对系统运行期间的太阳能板的电流电压信号、并网电流等信号进行检测，并通过运算转换后储存起来，然后由SPI通信模块通过主机从机模式，将参数传送到ZigBee节点，再由ZigBee节点发送到ZigBee路由器中进行功率放大，将数据传输到移动终端的ZigBee通信控制核心模块，再通过UART通信将数据显示在液晶显示装置上，完成移动监控终端的通信；另一方面，数据转发传送至ZigBee协调器节点，再传给功率接口单元，经RS485通信接口传送到上位机监控中心。网络通信流程如图2所示。

图2 网络通信流程图Fig.2 Network communication flow chart

用户也可以通过PC上位机或移动终端输入相应的指令，对发电系统进行参数配置，使微逆变器进入不同的工作状态。

2 监控系统的硬件设计

2.1 ZigBee节点的硬件设计

2.1.1 ZigBee模块方案

微逆变器分布式发电监控系统中，逆变器一般装于户外，用户监控中心则存在于屋内，此时信号的收发必然受到一定的障碍，为此本文的ZigBee模块方案配上RF放大器，提高ZigBee芯片的发射功率[5]。

2.1.2 ZigBee通信硬件电路设计

ZigBee通信硬件框图如图3所示。该ZigBee节点硬件为一集成模块，配合定义好的相关通信命令协议，便能接收命令和数据。

该ZigBee通信模块的功能有：（1）进行命令和数据的下传和上传，对外置模块传输的命令和数据进行解释。（2）命令和数据接受并解释完成后，采集板将数据按自行定义的通信协议打包成数据帧。（3）数据帧上传至ZigBee无线模块，完成数据的无线接收和发送。

采集板与ZigBee模块采用SPI通信方式。SPI通信接口采用四线制，具有独立的同步时钟，故随着通信速率增加，数据乱码率比异步通信UART低，而且传送数据的速度相对较快，一般可达Mbps级别。更重要的是ZigBee模块与采集板的控制核心LM3S8962均支持该种通信方式，并支持SPI通信的DMA操作和中断响应。

图3 ZigBee通信硬件框图Fig.3 ZigBee communication diagram

2.2 移动显示终端的设计

移动显示终端由8寸液晶触摸显示屏、ZigBee通信模块、LM3S8962采集板、电源模块和外部数据储存等功能模块组成。8寸液晶触摸显示屏具有异步串行通信功能，内部集成数据指令集，方便用户调用。外部数据储存模块用来保存采集板收集回来的数据，储存发电系统的历史数据，以便进行数据查询和对比。电源模块为5 V的聚合物锂电池带有充放电管理电路，具有充放电过流保护功能。

移动显示终端通过与采集板数据交换，收集分布式发电系统的瞬时发电功率、日发电总量、月发电总量、年发电总量，显示数据每秒刷新一次。

3 监控系统的软件开发

光伏微逆变器分布式发电监控系统的软件开发主要包括ZigBee网络通信与组网软件开发、移动显示终端软件开发和上位机软件开发。

3.1 ZigBee网络通信与组网

本系统的ZigBee无线通信软件采用TI公司的ZigBee2007/PRO协议栈，进行配置ZigBee无线通信模块的协调器，建立网络，允许设备加入网络中，分配相关逻辑地址[6-7]。ZDO_COORDINATOR是Zig-Bee协调器条件编译选项，进行软件设计时，在相应配置文件中选用#defined ZDO_COORDINATOR，则将在ZigBee2007/PRO协议栈中，选取该设备为协调器。

当协调器初始化完成后，PAN网络开始自行组建，然后其他相关设备允许进入网络，当其他设备申请入网时，会触发入网事件，待设备申请入网事件完成后，此时协调器便能进入ZigBee无线网络通信的数据接收状态和发送状态。ZigBee无线网络通信模式设置完成后，ZigBee无线模块便可通过SPI接口与LM3S8962采集板进行数据通信，根据双方定义的数据格式进行命令和数据的转换。同时，在ZigBee2007/PRO协议栈中，只需调用void SampleApp_MessageMSGCB（afIncomingMSGPacket_t*pkt）函数进行数据提取，再由SPI发送回采集板，此时外置装置便能从采集板中读回数据。ZigBee协调器与采集板的数据格式如表1所示。

表1 SPI接口数据格式Tab.1 SPI interface data format

3.2 移动显示终端的软件设计

移动终端的控制核心主要通过采集板的处理器LM3S8962实现，显示终端采集板的主程序流程如图4所示。在主程序中，主要完成两大主要通信接口UART和SPI的通信状态处理，判断任务是液晶触摸信号，还是无线接收发送数据信号，再进行任务处理。关键的核心程序均集合在无线指令集和触摸指令集中，两个指令集分别是进行无线任务处理，以及触摸屏执行人机交互任务的核心。

图4 终端采集板的主程序流程图Fig.4 Main terminal acquisition board flow chart

在程序中定义unsigned char cmdbuf[256]；其中cmdbuf为指令存储空间。数据均以自定义协议规定的形式组成，如表2所示。开头帧用以区别触摸指令（0XAA）的无线指令（0XBB），指令存储空间的第二位为任务类别共有255种，第二位则为所要处理的数据信号，指令存储空间最后三位则为结束符0xCC、0X32、0X23，代替该指令的结束信号。

表2 指令集数据帧格式Tab.2 Instruction set data format

对于液晶屏人机交互的实现主要通过相关的图形处理子程序实现，如切屏任务函数如下：

void CMD_Picture（unsigned char num）

{

Picture_CMD[2]=num；

UARTSend（Picture_CMD，sizeof（Picture_CMD））；

}

其中unsigned char num为切屏事件中图片编号，Picture_CMD[2]为切屏任务的切屏指令，即图片编号。

移动显示终端的人机交互界面如图5所示。该人机界面，包括登陆界面，分布式发电监控界面，微逆变器状态监控界面，以及发电系统发电统计界面。界面设计了四个子菜单实时监控、模块配置、功率曲线、电量曲线，点击时调用切屏函数CMD_Picture（）切换界面。移动显示终端的显示分两个层，整套图形界面均以图片BMP格式储存于图形层中，数据层在图形层的基础上显示，该模式用于区分任务，提高采集板的任务处理能力。

图5 移动终端显示界面设计Fig.5 Mobile terminal display interface design

3.3 上位机系统总体框架设计

本监控系统中的上位机通信采用RS485通信方式。电脑PC端的上位机监控软件，为本系统最高级的监控平台，其通信数据协议采用Modbus协议，进行RS485通讯，再采用RS485转USB接口模块与PC端上位机建立通信。上位机采集板为监控系统的数据采集中心，负责收接传送微逆变器的数据信号，实现上位机与微逆变器之间的远程监控。上位机服务流程如图6所示。

图6 上位机服务流程图Fig.6 PC service flow chart

4 系统测试

搭建光伏微逆变器分布式发电监控系统，并分别对上位机和移动终端进行性能测试。

4.1 上位机功能测试

上位机第一次运行时，需要设置COM口和波特率才能建立数据通信，设置完成等待3 s后，Zig-Bee通信模块初始化并自动组网，组网完成提示登陆，进入微逆变器监控界面，如图7所示。

图7 微逆变器监控界面Fig.7 Micro-inverter control interface

通过选择菜单选项，可以查看系统的发电情况和历史日志。用示波器测试RS485通信接口的电平变化，从上位机发送数据完毕，到采集板开始回送数据，只间隔了8.56 ms，整个通讯仅仅用了25 ms左右。

4.2 移动终端性能测试

对移动终端性能测试主要包括人机界面及其切换的流畅性，功能性测试，数据刷新频率，控制响应时间。实际运行时效果如图8所示。

图8 电量统计图Fig.8 Consumption statistics chart

在不同距离对移动终端进行数据刷新，其界面切换流畅，数据更新频率约为1次/s，符合人机互动显示的要求。

5 结语

本文提出一种利用ZigBee无线通信技术，采用8寸串口通信液晶屏作为移动手持终端，研制出一套基于LM3S8962的采集板，开发了一套基于Zig-Bee无线网络通信的光伏微逆变器分布式发电监控系统。通过对监控系统的上位机通信功能和移动终端进行测试，上位机通信效率高，数据传输稳定性好，移动终端数据刷新时界面切换流畅，满足实时监控显示的要求。

[1] 梁振锋，杨晓萍，张娉.分布式发电技术及其在中国的发展[J].西北水电，2006（1）：51-53.

[2] Ye Z H，Kolwalkar A，Zhang Y，et a1.Evaluation of anti-islanding schemesbased on non detection zone concept[J].IEEE Transactions Power Electronics，2004，19（5）：1171-1176.

[3] 周锎.一种太阳能并网微逆变器方案设计[J].南开大学学报：自然科学版，2012，45（5）：37-40.

[4] 华驰，韦康，王辉，等.基于物联网的太阳能光伏组件监控系统的研究[J].计算机测量与控制，2012，20（10）：2696-2699.

[5] 毕磊.分布式光伏并网发电技术研究[D].南京：南京理工大学博士学位论文，2007.

[6] 耿萌.ZigBee路由协议研究[D].河南：解放军信息工程大学硕士学位论文，2006.

[7] 田亚.基于ZigBee无线传感器网络系统设计与实现[D].上海：同济大学硕士学位论文，2007. ■