0 引言

    隨著光伏發(fā)電技術(shù)的大面積推廣，分布式光伏電站安全運(yùn)行至關(guān)重要。由于分布式光伏發(fā)電站從太陽能光伏電池陣列到并網(wǎng)逆變器的各個(gè)環(huán)節(jié)中，器件種類多、分布范圍廣，使得各類布線十分繁雜。各類電纜大多露天布線，工作環(huán)境十分惡劣，長期運(yùn)行容易出現(xiàn)線路絕緣漏電故障^[1-2]。因此有效監(jiān)測光伏發(fā)電系統(tǒng)的漏電情況是保障光伏電站安全可靠運(yùn)行的重要保障。

    如今通信技術(shù)高速發(fā)展，但分布式光伏電站的自身特點(diǎn)給系統(tǒng)的漏電綜合監(jiān)測帶來了諸多不便。傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)的弊端比較較明顯，因此如何合理安裝漏電傳感器、選擇合適的通信方式、有效降低漏電監(jiān)測成本是關(guān)鍵。采用電力線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)漏電數(shù)據(jù)傳輸，不需要專門架設(shè)通信信道，具有投資小、安裝靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，是漏電數(shù)據(jù)傳輸最有效的方式之一。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    根據(jù)目前分布式光伏電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分布式光伏電站主要由光伏太陽能電池板陣列（簡稱光伏陣列）、匯流箱、直流配電柜、光伏逆變器、交流配電柜以及光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。其中每一個(gè)光伏陣列由若干塊太陽能光伏電池板組成，每一塊光伏電池板的功率一般為幾十瓦到上百瓦，輸出電流一般為幾安培。為了便于與光伏逆變器連接，簡化布線，一般首先通過電纜將光伏陣列連接到匯流箱，以擴(kuò)大輸出電流和功率，提高逆變器效率。然后將N路匯流后的電流通過電纜連接到直流配電柜。光伏直流配電柜主要用來連接光伏逆變器和光伏匯流箱，還可提供防雷及過流保護(hù)，監(jiān)測光伏陣列的單串電流、電壓、防雷器狀態(tài)及斷路器狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    為了能全面監(jiān)測整個(gè)光伏電站的綜合直流漏電情況，直流漏電監(jiān)測采用分層次監(jiān)測方案，光伏電池漏電傳感器用來監(jiān)測每一塊太陽能光伏電池板的漏電電流，光伏陣列漏電傳感器用來監(jiān)測匯流后的直流漏電情況。由于光伏電站覆蓋面積廣，布線繁多復(fù)雜，因此各層直流電傳感器的漏電信息傳輸必須采用一種靈活的通信方式。本方案中的漏電信息傳輸采用直流電力線通信方式，也就是將各分布安裝的光伏電池漏電傳感器的漏電信息，通過耦合電感耦合到直流電纜線上，傳輸?shù)絽R流箱處；在每一個(gè)匯流箱處接收各光伏電池漏電傳感器的信息，同時(shí)再監(jiān)測匯流后的漏電信息，最后通過直流電纜以電力線通信方式傳輸?shù)街绷髋潆姽裰校兴偷焦夥娬颈O(jiān)控系統(tǒng)中。

2 硬件的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 電流傳感器的信號

    霍爾電流傳感器為目前最普遍的電流傳感器，由于其線性好、頻帶寬、反應(yīng)快等特點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。霍爾傳感主要部分是電磁轉(zhuǎn)換器件，在器件通有工作電流大小為I的電流時(shí)，在其垂直方向施加一個(gè)磁場強(qiáng)度為B的磁場，在輸出端會有霍爾電勢U_H產(chǎn)生，根據(jù)電勢的大小及相應(yīng)的線性關(guān)系可以反推出磁場B的大小，進(jìn)而可以推出產(chǎn)生磁場強(qiáng)度大小為B的電流大小I_in。原理圖如圖2所示。

    穩(wěn)定性是傳感器的重要參數(shù)，霍爾傳感器的穩(wěn)定性也是影響其廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要的因素。影響其穩(wěn)定性的主要因素是傳感器的溫漂。由于磁電轉(zhuǎn)換器件是半導(dǎo)體材料，其電阻率、遷移率和載流子濃度等都是溫度的函數(shù)，因此，傳感器的輸出會隨著溫度的變化而變化。另外，這些變化是不成線性關(guān)系的，所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)給以溫度補(bǔ)償是必不可少的。本文采用輸入端恒壓電壓源溫度補(bǔ)償電路，原理圖如圖3所示。

2.2 DSP信號處理

    電力線初始鋪設(shè)的目的是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，相比傳統(tǒng)的信道有獨(dú)特的特性，如信道噪聲、信號衰減、阻抗匹配問題。隨著電力線載波技術(shù)特別是編碼調(diào)制以及DSP芯片的不斷發(fā)展，信道的誤碼率也得到了一定的改善。本文采用的TMS320F28069是TI公司的一款DSP處理器芯片，屬于C2000系列，其成本低廉，集成度高，并且可以在3.3 V單電源模式下正常工作。此款芯片支持實(shí)時(shí)的JTAG調(diào)試和分析，當(dāng)處理器處于運(yùn)作狀態(tài)時(shí)，芯片允許進(jìn)行修改存儲器的內(nèi)容、更新外圍設(shè)備和調(diào)整寄存器位置等操作，運(yùn)作狀態(tài)包括正在運(yùn)行、執(zhí)行代碼或者中斷處理，另外此芯片還支持多種通信技術(shù)^[4]。DSP信號處理單元如圖4所示。

    如圖4所示，DSP信號處理單元包括DSP芯片、整理電路、系統(tǒng)時(shí)鐘、電源和串口電路等^[5]，整理電路主要是對采集電路傳過來的微弱電流進(jìn)行放大，調(diào)整為DSP芯片能處理的信號大小。DSP芯片主要對信號進(jìn)行編碼、調(diào)制，以減小電力線信道的噪聲和衰減造成的信號誤差。耦合單元是將信號耦合到低壓電力線上，以便經(jīng)行信號的傳輸。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

    監(jiān)控中心是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)處理的重要一環(huán)，目前監(jiān)控開發(fā)軟件有很多，諸如VB、LabVIEW、組態(tài)王等都是優(yōu)秀的開發(fā)軟件。本文選擇組態(tài)王作為本系統(tǒng)監(jiān)測中心使用的開發(fā)軟件，其以適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、經(jīng)濟(jì)等諸多特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。監(jiān)測系統(tǒng)的主界面如圖5所示。

    系統(tǒng)主控機(jī)監(jiān)控軟件包含以下模塊：電量監(jiān)測、電能計(jì)量、信號校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測等。打開監(jiān)測軟件時(shí)首先進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測界面，可以通過各個(gè)子按鈕進(jìn)入子界面。

4 系統(tǒng)測試

    監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度主要受兩部分制約；其一為傳感器的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確度，霍爾傳感器的溫漂問題是影響輸出穩(wěn)定性的的主要因素，在本文的開頭部分對溫漂問題提出了改進(jìn)的方法；其二為電力線載波信道的干擾問題，諸如噪聲、衰減以及阻抗。為了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，本系統(tǒng)做了關(guān)于傳感器的高低溫實(shí)驗(yàn)以及傳輸信道的信號質(zhì)量的測試。

    測試實(shí)驗(yàn)分別在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃、60 ℃、85 ℃的情況下進(jìn)行，紅線和黑線表示穿過傳感器的正負(fù)兩個(gè)輸電線，傳感器測量的是兩個(gè)輸電線電流的差值。紅線接22 mA的恒流電流源，黑線接2 mA的恒流電流源，穿過傳感器時(shí)兩條線的方向相反放置，模擬20 mA的漏電流情況。把測試用的傳感器放入高低溫試驗(yàn)箱，在測點(diǎn)溫度時(shí)保持兩個(gè)小時(shí)，測量各個(gè)溫度下的輸出。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

    傳感器輸出的數(shù)據(jù)通過DSP模塊上的耦合器傳送到低壓電力線，在遠(yuǎn)端的監(jiān)測中心通過解耦和把數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絇C的檢測軟件，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，上位機(jī)的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

    上位機(jī)電流表示傳輸后得到的電流數(shù)據(jù)，對比表1和表2的數(shù)據(jù)可以得出，低壓電力線對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有影響，但在允許的誤差范圍之內(nèi)，能正確反映下位機(jī)上傳的漏電流的情況。

5 結(jié)論

    本文介紹了一種基于電力線通信的分布式太陽能發(fā)電站漏電監(jiān)測系統(tǒng)。由于系統(tǒng)無需架設(shè)專門的通信線纜，非常適合分布式電站線路復(fù)雜的環(huán)境。隨著光伏發(fā)電的發(fā)展，這種基于電力線通信的分布式光伏發(fā)電站漏電監(jiān)測系統(tǒng)將會具有更高的應(yīng)用價(jià)值和更加廣闊的市場前景。

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作者信息:

謝志遠(yuǎn)，陳  楠, 張冬祺

（華北電力大學(xué)（保定） 電子與通信工程系，河北 保定071003）