【自动化】家用光伏发电监控系统研究1

武汉理工大学毕业设计（论文）家用光伏发电系统研究学院（系）自动化学院专业班级电气工程及其自动化专业电气1103班学生姓名孙忆萌指导教师黄亮学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名年月日导师签名年月日摘要随着时代的发展和社会现代化的一步步前进，人类对能源的需求越来越多。如今，新能源开发成为解决能源问题的根本途径。在人们对新能源的不断探索中，电能始终处于举足轻重的地位。而太阳能光伏发电也正是新能源和可再生能源的重要组成部分。由此，在光伏发电这一问题中，本文探究了家用光伏发电系统的结构、原理、能量流管理的方法。我们采用MCGS小型工业平板电脑对MPPT太阳能控制器及48VDC/220VAC双向转换逆变器进行控制，利用MCGS组态软件搭建了系统界面，选择了通信接口方案并撰写光伏发电系统通信协议，连接硬件DSP进行调试。最终希望实现对家用光伏发电系统中电压、电流输入输出量等的反映，呈现出一个便于用户操作的触摸屏界面，并通过MODBUS通讯协议实现与硬件的连接。关键词太阳能、发电、工业平板、通信、控制ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFTHEAGEANDSOCIALMODERNIZATION,AGROWINGNUMBEROFENERGYISDEMANDEDBYPEOPLESNOWADAYS,THEDEVELOPMENTOFNEWENERGYHASBECOMEAFUNDAMENTALWAYTOSOLVETHEENERGYPROBLEMINTHECOURSEOFTHECONTINUOUSEXPLORATIONOFNEWENERGY,ELECTRICENERGYALWAYSPLAYSADECISIVEROLEATTHESAMETIME,THESOLARPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONISANIMPORTANTPARTOFNEWENERGYANDRENEWABLEENERGYTHUS,THISPAPEREXPLORESTHEDOMESTICPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONSYSTEMSSTRUCTURE,THEORYANDENERGYFLOWINGMANAGEMENTMETHODFORTHEISSUEOFTHEPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONWEADOPTMCGSSMALLINDUSTRIALPANELPCTOCONTROLMPPTSOLARCONTROLLERAND48VDC/220VACBIDIRECTIONALCONVERSIONINVERTERMCGSCONFIGURATIONSOFTWAREISUSEDTOBUILDASYSTEMINTERFACEWESELECTEDTHECOMMUNICATIONINTERFACEPROGRAMANDWRITINGPVSYSTEMCOMMUNICATIONPROTOCOLTHENWECONNECTEDHARDWAREDSPTODEBUGULTIMATELY,THISSYSTEMAREEXPECTEDTOREFLECTTHEHOMEPHOTOVOLTAICPOWERSYSTEMSVOLTAGEANDCURRENTQUANTITYOFINPUTANDOUTPUTANDANALYZESIMPLYABOUTENERGYFLOWOPTIMIZATIONMETHODITALSOWILLREFLECTATOUCHSCREENINTERFACEWHICHISEASYFORHANDINGANDCONNECTPROTOCOLANDHARDWAREACCORDINGTOTHEMODBUSCOMMUNICATIONKEYWORDSSOLARENERGY,POWERGENERATION,INDUSTRIALPANELPC,COMMUNICATION,CONTROL目录摘要IABSTRACTII目录III第1章绪论111研究背景、目的和意义112国内外研究现状213本文主要研究内容3第2章家用光伏发电系统概述521光伏发电系统的基本组成522光伏发电系统的原理概述6221光伏电池的工作原理基础6222MPPT太阳能控制器823MPPT能量流优化8231最大功率点跟踪控制（MPPT）法8232控制总体流程及预期效果9第3章基于MCGS的太阳能发电系统搭建1231MCGS组态软件的整体结构1232MCGS工程构建13第4章通信协议设计1941通信接口方案19411RS232通信19412RS485通信19413通信方案选择2142MODBUS协议的通信概述21421MODBUS上的数据传输21422MODBUS信息帧22423错误校验方法2443拟定基于RS485物理层的MODBUS通信协议24431家用光伏发电系统的主机/从机通信24432信息传输25433通信时序设计26434光伏发电系统触摸屏通信协议2644通信调试结果29第5章总结与展望32参考文献33附录A35致谢37第1章绪论11研究背景、目的和意义长期以来，人们就一直在努力研究和利用太阳能。我们地球所接收到的太阳能，虽然只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，但是这些能量相当于全球所需总能量的34万倍1，可谓取之不尽，用之不竭。太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”和全球性气候变化，也不会造成环境污染。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料以扩大太阳能的应用领域。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在一些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。电能是目前使用最广泛的能源利用形式，光电转换在太阳能的引用领域中占有重要的地位。太阳能电池就是一种经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能的能量转换元件，由它组成的系统通常我们称之为光伏电池光伏系统。从长远来看，可再生能源将是未来人类的主要能源来源，世界上多数发达国家和部分发展中国家都十分重视可再生能源对未来能源供应的重要作用。在新能源发展中，光伏发电是发展最快的产业之一,世界各国都把太阳能的开发和利用作为重要的研究内容。根据欧洲JRC的预测，到2030年太阳能发电将在世界电力的供应中显现其重要作用，达到10以上，可再生能源在总能源结构中占到30；2050年太阳能发电将占总能耗的20，可再生能源占到50以上，到本世纪末太阳能发电将在能源结构中起到主导作用。我国的光伏产业虽然起步晚，但其发展迅速。如今，太阳能已经是我国重点开发、利用和发展的新能源之一。近年来，政府出台了部分政策来鼓励发展家用光伏发电。尽管在发展过程中仍存在不足之处，但对于太阳能这一新能源能够走入寻常百姓家的进程来说，研究家用光伏发电系统对我们日常生活用电的提供来说是非常值得的。而能量流控制则是整个系统的关键部分，重中之重。我们希望可以根据控制算法所呈现出来的用电数据信息，对家用光伏发电系统作进一步改进，从而优化或提高光伏发电系统的能效。利用小型工业平板电脑的控制算法监测系统从太阳能电池板和国家电网两向的电量信息，并显示在工业平板电脑显示屏上，便于用户操作。进而，通过对系统的能量流数据进行分析，确定优化方案，最终实现对太阳能光伏发电并网、太阳能光伏发电充电以及电网对蓄电池充电过程中能量流流动的控制。12国内外研究现状随着世界各国陆续进行的工业化进程和现代化发展，能源消耗得越来越多，应运而生的世界光伏产业正迅猛发展。自20世纪90年代后半期开始，世界太阳能电池产量逐年增长，光伏产业也迅速蹿升为继IT行业之后发展最快的产业。美国是最早实现太阳能转换为电能的国家。1930年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳能电池”，使太阳能变成电能。1954年，恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶太阳能电池。在2008年新增装机容量已经列全球第2位2，20L1年2月4日，美国能源部发起“SUNSHOT”计划，拟在2020年前将太阳能光伏系统总成本降低75，达到每千瓦时6美分，随后美国能源部宣布了一系列有条件贷款担保太阳能光伏项目，整个2011年美国阳能光伏发电装机容量为1855万千瓦，为2010年的两倍以上。美国光伏产业的迅猛发展主要得益于与光伏发电相关的组件价格大幅下降以及联邦政府的大力补贴。德国可以说是世界上对光伏产业支持力度最大的国家。其太阳能光伏电池的用量接近整个世界的一半，其光伏产业近几年来发展迅猛。德国2009年的太阳能总装机容量为4GW，2010年则迅速增长到10GW，2011年更是创下世界纪录，年装机容量达到75GW。但由于其光伏产业发展的过于迅速，导致了光伏产业产能过剩，一系列老牌光伏产业申请破产，包括SOLON、SYSTAIC等著名厂商，其中SOLON是德国光伏企业中最早上市的公司，为德国的明星企业。日本是最早推广光伏发电产业的国家之一，2004年以前日本一直雄踞光伏产业的霸主地位，但自从2005年开始，日本取消了“阳光屋顶计划”，装机容量呈下降趋势，2009年后，日本重新开始太阳能屋顶补贴计划，光伏产业呈现发展新面貌，但由于20052008年之间政府的消极政策，导致日本光伏技术比之欧洲国家相对落后，其太阳能电池价格偏贵。中国光伏产业发展相对滞后，国内光伏市场狭小，2006年以来中国光伏产品的出口比例一直在95以上，而国内太阳能总装机容量仅为全球总容量的2。中国政府今年来连续颁布了一系列政策支持光伏产业，在，“十二五”期间，国家已明确了从两方面推动光伏发电应用一是通过国际通行的招标方式，启动建设一批规模较大的并网光伏电站；二是继续大力推进和实施“金太阳示范工程”，通过多种政策补贴的组合带动应用项目发展。目前，国内外普遍应用的家用太阳能发电系统控制方法有在线监控系统通过PC机、VC控制、利用LABVIEW控制和一些厂家生产的工业平板来控制等。在线监控系统是以计算机为硬件平台，实现的软件功能是在线实时观测各系统参数，如蓄电池的输入电压、输出电压等，并把这些数据记录到数据库中，以便于分析系统的稳定性与可靠性。在线监控系统一般通过PC的串口或I/O端口来与光伏系统的硬件控制器传送数据。使用较多的是VC开发上位机的监控系统3。在光伏发电系统的测试测量、控制、仿真等方面，我们可以通过LABVIEW软件来实现。它是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LABVIEW与其他计算机语言的显著区别是其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LABVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LABVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。LABVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。在太阳能发电系统的控制上面，我们还常见通过工业平板电脑来控制。工业平板电脑是专供工业界使用的工业控制计算机，常见的有MCGS、研华、华北工控、凌华等品牌。其基本性能及相容性与商用电脑相差无几，但工业平板电脑更多的是注重在不同环境下的稳定性，如日用品生产线控制、汽车生产线控制等等，在恶劣的环境下要求稳定，如防尘、防水、防静电等。工业平板电脑并不要求当前最高效能，只求达到符合系统的要求，需符合工业环境中的可靠性要求与稳定。同时，面向用户的操作高便捷性也是工业平板的一大特点。13本文主要研究内容光伏发电系统主要由光伏电池板、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。由于太阳能电池的输出功率受太阳光强和环境因素影响很大，且不能储存能量，因此，我们需要为其配备蓄电池来储存和调节电能。为了充放电电流能得到有效控制，防止负载变化所引起的电流大幅增减，我们避免了蓄电池直接与直流母线连接，而是选择在蓄电池和直流母线之间增加DC/DC变换器。系统可以通过DC/AC逆变器接交流负载，也可以通过DC/DC变换器接直流负载。通过小型平板电脑对MPPT太阳能控制器及双向转换逆变器进行控制，使输出功率始终为最大。双向转换逆变器是既可以将直流电变换成交流电，也可以将交流电变换成直流电的逆变器。在家用光伏发电系统中，主要控制蓄电池组的充电和放电，是系统的重要控制设备。在家用光伏发电系统的搭建过程中，我们需要有软件的支持，来完成模拟系统搭建和数据采集等任务。MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于WINDOWS平台的、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。在与硬件进行通信的时候，我们选用的的硬件是DSP芯片，RS485通信标准和MODBUS通讯协议。MODICON的各种控制器使用的公共语言被称为MODBUS协议，该协议定义了控制器能识别和使用的信息结构。当在MODBUS网络上进行通讯时，协议能使每一台控制器知道它本身的设备地址，并识别对它寻址的数据，决定应起作用的类型，取出包含在信息中的数据和资料等，控制器也可组织回答信息，并使用MODBUS协议将此信息传送出去。基于通信协议的要求，我们撰写了家用光伏发电系统的RS485通信协议。通过家用光伏发电系统配合MCGS的工业平板电脑的控制，加上MODBUS通讯协议作为连接标准，我们可以实现系统的能量流控制，从而寻求对于家庭用户的能量流优化方法。第2章家用光伏发电系统概述21光伏发电系统的基本组成家用光伏发电系统主要由光伏电池、蓄电池组、充电器和逆变器四部分构成。其中，光伏电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。DC/DC变换器将光伏电池板的宽范围直流输出电压（本设计中为100V）转换为稳定的直流母线电压（48V）。此外，该系统还需要蓄电池作为储能环节。根据负载的需要，当光伏电池发电量大于负载时，光伏电池通过充电器对蓄电池电；当发电量不足时，光伏电池和蓄电池同时对负载供电。如果负载是交流负载，则还需要逆变器将直流电转化为交流电。该系统通过DC/AC交流逆变器接交流负载。经过设计之前对于光伏发电系统基本构成的分析4，我们发现，如果把光伏阵列与蓄电池直接连接起来，会出现输出电流不稳定可能性。由于光伏阵列的输出特性与日照强度和温度等因素有关，一方面蓄电池的内阻不会随着光伏电池输出的最大功率点的变化而变化，致使无法对光伏电池的输出进行调节，造成资源的浪费；另一方面蓄电池的充电电压随外界环境的变化而变化，不稳定的电压对蓄电池进行充电，只会影响蓄电池的寿命。因此，我们需要在光伏阵列和蓄电池之间加入最大功率跟踪环节，即带有MPPT的光伏发电系统。它既可以跟踪光伏阵列的最大输出功率，又可以输出稳定的电压对蓄电池进行充电。家用光伏发电系统的基本组成（典型结构框图）如图21所示RS485总线DC/DCDC/AC蓄电池家用电器太阳能电池板MPPT太阳能控制器从机1从机2MCGS触摸屏主机国网图21家用光伏系统的基本组成22光伏发电系统的原理概述221光伏电池的工作原理基础太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。光伏电池，也叫太阳能电池，它是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。其中，光电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。光伏电池是以光生伏打效应为基础的能量转换装置。所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。单晶硅的原子是按照一定规律排列的。每个原子的外层电子都有固定的位置，并受原子核约束。它们在外来能量的激发下，如在太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在它原来的地方留出一个空位，即半导体物理学中所谓的/空穴0。由于电子带负电，空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在晶体硅中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，那么它就成为空穴型半导体，简称P型半导体。如果有硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，那么它就成了电子型的半导体，简称N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成PN结5，并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场。由于此处电阻特别高，所以也称为阻挡层。当太阳光照射PN结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴于是，就在PN结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使P型区带正电，N型区带负电；于是，就使得在N区与P区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。接通电路时便有电能输出。这就是PN结接触型单晶硅太阳能电池发电的基本原理。若把几十个、数百个太阳能电池单体串联、并连起来，组成太阳能电池组体，在太阳光的照射下，便可获得相当可观的输出功率的电能。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其他电源无法比拟的。其工作原理图如下图22光伏电池工作原理（1）图23光伏电池工作原理（2）222MPPT太阳能控制器在光伏发电系统的能量流控制中，最大功率点跟踪（MPPT）方法是提高系统能效的重要手段6。如果负载与太阳能电池直接相连接，当光照强度或者温度变化时，负载的工作点偏离最大功率点，系统输出功率下降，负载就不能获得最大功率。为了使光伏电池在各种温度以及光照强度条件下都能将发出的功率最大限度地输出给蓄电池，可以在光伏电池和蓄电池之间设置一个控制器以实现光伏电池功率的最大输出，这相当于在太阳电池与负载之间接人一个阻抗变换器，使得负载的输人阻抗与太阳能电池的输出阻抗总是处于最佳的匹配状态，从而得到最大输出功率。它通过调节电气模块的工作状态，使光伏电池板能够输出更多电能的电气系统能够将太阳能电池板发出的直流电贮存在蓄电池中，可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和工业用电，且不产生环境污染。同时，我们选择采用DC/DC变换电路实现MPPT的原理。DC/DC变换器主要有两个作用一是调节太阳能电池的工作点，使其工作在最大功率处；二是限制蓄电池充电电压范围，起到调节作用。23MPPT能量流优化231最大功率点跟踪控制（MPPT）法最大功率点跟踪控制MPPT策略通过不断地检测光伏发电系统的输出功率，运用控制算法来估算当前情况下系统输出的最大功率，通过调整当前的负载阻抗匹配来实现最大功率输出。这样就可以在光伏发电系统因结温升高而使得阵列输出功率降低时，仍可以保证整个系统在当前工况下运行于最佳的匹配状态。图24MPPT算法分析示意图设A、B点分别为两种输出特性下的最大功率输出点。在某一时刻，系统运行在A点，当光照强度或是其他条件发生变化时，即光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线213。此时如果保持负载1不变，系统将运行在A点，这样就偏离了相应条件下的最大功率点。为了追踪最大功率点，应当将系统的负载特性由负载1变化至负载2，以保证系统运行在新的最大功率点B。常用的最大功率跟踪方法主要有恒定电压控制法、干扰观测法、电导增量法等。232控制总体流程及预期效果MPPT控制器的主要任务是，通过A/D采样判断光伏电池的电压7，并且监视蓄电池的充电状态，防止蓄电池组过充。程序流程图如下图所示。“未充满”状态时，通过改变最大允许充电电流寄存器的数值，不断减小最大允许电流比较值，直到最大允许电流值降到过冲终止阀值电流值，直到结束本循环。“充满”状态时，在下一次循环的时候，由于最大充电电流变为涓流，所以进入减小电流控制环，通过减小电流控制环进入浮冲阶段。此时如果没有放电，电压就维持在浮充电压阶段，由涓流维持自放电电流。NNNYNYYYNN图25MPPT充电控制策略图MPPT控制器的主要功能是检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳能阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪8。扰动电阻R和MOSFET串连在一起，在输出电压基本稳定的条件下，通过改变MOSFET的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动。同时，光伏电池的输出电流电压亦将随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光能板输出功率增加，下周期继续朝同一方向扰动，反之，朝反方向扰动，如此，反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。第3章基于MCGS的太阳能发电系统搭建31MCGS组态软件的整体结构独立运行的光伏电站一般由太阳电池阵列、充电控制器、蓄电池组、逆变器以及交流控制器组成。其中充电控制器、逆变器、交流控制器通常具备运行数据显示功能，能够通过其本身的数字仪表显示实时的太阳电池阵列电压、太阳电池充电电流、蓄电池电压等重要的电站运行数据。但是，由于设备本身功能的局限，此类设备不能对电站的运行数据进行统计、处理以及长时间存储。而电站的日常运行数据对于电站系统的管理，设备的维护，以及今后的科研分析具有重要的参考价值。鉴于此，我们采用一种工业领域已成熟的组态软件技术，来实现能量流的控制设计。MCGS77软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。图31组态软件运行结构MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序MCGSSETEXE支持，其存放于MCGS目录的PROGRAM子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为MCG的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序MCGSRUNEXE支持，其存放于MCGS目录的PROGRAM子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。根据各个窗口所对应的不同功能，我们简单的做了框图进行说明，详见图32。组态环境组态生成应用系统运行环境解释执行组态结果组态结果数据库图32MCGS工程组成及对应功能32MCGS工程构建首先，在MCGS组态软件下建立一个新工程；其次，在MCGS的工作台用户窗口，建立五个窗口（见下图33），即光伏发电系统能量流控制、存盘数据浏览、实时曲线、DC/AC、DC/DC，分别对应界面所需显示的五个部分。其中，光伏发电系统能量流控制部分（如图34）显示了工程名称、时间这些关于工程的基本信息，构建了光伏发电系统的框架结构；显示了光伏电池板输出电压和电流、DC/DC输出电压电流、蓄电池输出电压电流和DC/AC输出电压电流，方便用户随时查看整个系统的电压电流情况；蓝色表示直流电，红色表示并网交流电。在DC/DC环节和DC/AC环节，我们还设置了报警提示。当这两个部分运行故障时将会有报警灯亮起进行提示。同时，我们还设置了两个链接按钮，在运行时可方便用户直接跳转到存盘数据浏览窗口和实时曲线窗口。开始/关闭按钮则受MCGS触摸屏控制，启动或停止系统。在这一环节的设计过程中，最初，两个报警指示部分我并没有考虑到。当系统连接硬件进行测试的时候，我考虑到在实际运行中，由于光照强弱不同，有时候可能会出现一些预设之外的状况，比如电流值大于限定值，若长时间在这一情况下运行，将有可能导致系统报警甚至故障。因此，在大家看到的最终版本的控制界面上，我们可以看到DC/DC和DC/AC两个环节设有报警指示灯。当用户使用这个家用光伏发电系统的控制面板时，可以明显地看到系统运行是否正常，而不用像设计人员一样去研究历史数据。主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略MCGS工控组态软件菜单设计设置工程属性设定存盘结构添加工程设备、连接设备变量、注册设备驱动创建动画显示、设置报警窗口、人机交互界面定义数据变量编写控制流程、使用功能构件图33建立用户窗口图34光伏发电系统能量流控制存盘数据浏览窗口（如图35）内设有时间和上面提到的关于系统四组电流电压值两大类数据。有了历史数据，可以更加方便我们监测、检测和修正等工作。如果系统在某一次运行时出现报警或者错误，我们可以通过浏览历史存盘数据，去寻找出问题的环节，然后研究解决办法。同时，在该界面上我们设置了返回按钮，当用户完成对历史存盘数据的浏览时，可以直接返回系统主界面。这在数据实时曲线、DC/DC、DC/AC窗口都有设置，后面不再赘述。在这一环节的设计过程中，最初，我并没有设置显示四组电流电压值，而是DC/DC环节和DC/AC环节的两个输出功率值。相较于最初的版本，下图的最终版本所呈现的信息是比较全面的，对于运行之后的反复研究也是更加直接有效的信息。当然，关于功率的信息也十分重要，我们将其放在了下一个用户窗口中，稍后将会做详细的介绍。图35存盘数据浏览在前面我们提到了系统DC/DC和DC/AC部分的功率，在此，我们设计了将用光伏发电系统能量流数据实时曲线（如图36），显示的数据为DC/DC和DC/AC的输入输出功率。有了功率量的曲线，我们可以观测在一天之内太阳能电池板发出功率的情况，并找到功率的最大值点，以及功率较高的时间段。有了这些数据，有助于在后续的设计中优化能量流管理的部分。对于用户来说，也可以清晰地看到一天内系统发电情况，了解家庭通过光伏发电所获得功率的多少。图36实时曲线根据电力电子技术课程和模电课程910中曾经学过的直流交流变换电路，我们在MCGS组态环境下构建了如图37所示的桥型电路。其中有两组电压电流值，分别为DC/DC环节的输入和输出。对每一个MOS管，都监测了它的占空比。当MOS管实际运行时，会产生一定的热量，实际硬件构成中会为MOS管装上散热板。因此，为了监测板子上由于MOS管工作散热而产生的温度变化，我们添加了两个温度值监测窗口。前面提到，根据DC/AC模块的输入输出功率，我们绘制了曲线，在此，我们也可以通过模块中的功率显示框观察。与DC/AC电路的监测量相似，DC/DC模块中同样对输入输出的两组电流电压、晶体管占空比、散热板温度和输入输出功率进行监测。图37DC/AC电路图38DC/DC电路截止以上部分，家用光伏发电系统的结构搭建就完成了。为了之后与硬件DSP的通信做准备，我们还需要对串口的基本属性进行设置，以便在编写通信协议之后，可以顺利连接DSP。在工作台设备组态设备窗口下，双击通用窗口父设备，即可进入通用串口设备属性编辑（如图39）。将最小采样周期设置为200MS，串口端口设置为1COM2。那么，在下一章所述的通信协议编写完毕后，进行硬件调试的时候，需要注意串口端口号的对应。图39通用串口设备属第4章通信协议设计41通信接口方案411RS232通信RS232是美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，原始编号全称是EIARS232（简称232，RS232）。它被广泛用于计算机串行接口外设连接。RS232C标准，其中EIA（ELECTRONICINDUSTRYASSOCIATION）代表美国电子工业联盟,RS（RECOMMENDEDSTANDARD）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的第三次修改（1969年），在这之前，还有RS232B、RS232A。目前的最新版本是由美国电信工业协会（TIA,TELECOMMUNICATIONSINDUSTRYASSOCIATION，由EIA所分出的一个组织）所发布的TIA232F，它同时也是美国国家标准ANSI/TIA232F1997R2002，此标准于2002年受到再确认。在1997年由TIA/EIA发布当时的编号则是TIA/EIA232F与ANSI/TIA/EIA232F1997。在此之前的版本是TIA/EIA232E。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及发送过程。其他常用电气标准还有EIARS422A、EIARS423A、EIARS485。412RS485通信电子工业协会（EIA）于1983年制订并发布RS485标准，并经通讯工业协会（TIA）修订后命名为TIA/EIA485A，习惯地称之为RS485标准，也称为RS485协议。RS485协议的数据信号采用差分传输方式（DIFFERENTIALDRIVERMODE），也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图所示。使能ABC图41发送器示意图注使能端对RS422是可选，对RS485是必选通常情况下，发送器A、B之间的正电平在26V，是一个逻辑状态；负电平在26V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C。在RS485器件中，一般还有一个“使能”控制信号。“使能”信号用于控制发送发送器与传输线的切断与连接，当“使能”端起作用时，发送发送器处于高阻状态，称作“第三态”，它是有别于逻辑“1”与“0”的第三种状态。对于接收发送器，也做出与发送发送器相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连。当在接收端AB之间有大于200MV的电平时，输出为正逻辑电平；小于200MV时，输出为负逻辑电平。在接收发送器的接收平衡线上，电平范围通常在200MV至6V之间。参见图42所示。定义逻辑1（正逻辑电平）为BA的状态，逻辑0（负逻辑电平）为AB的状态，A、B之间的压差不小于200MV。TIA/EIA485串行通讯标准的性能如表31所示。图42接收器示意图表41TIA/EIA485串行通讯标准的性能规格TIA/EIA485传输模式平衡电缆长度90KBPS4000FT（1200M）电缆长度10MBPS50FT（15M）数据传输速度10MBPS最大差动输出6V最小差动输出15V接收器敏感度02V发送器负载（欧姆）60最大发送器数量32单位负载最大接收器数量32单位负载RS485标准的最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10MBPS。通常，RS485网络采用平衡双绞线作为传输媒体。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，只有在20KBPS速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般来说，15米长双绞线最大传输速率仅为1MBPS。需注意的是，并不是所有的RS485收发器都能够支持高达10MBPS的通讯速率。如果采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。413通信方案选择在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域，通常情况下是采用串口通信的方式进行数据交换。最初采用的方式是RS232接口，由于工业现场比较复杂，各种电气设备会在环境中产生比较多的电磁干扰，会导致信号传输错误。除此之外，RS232接口只能实现点对点通信，不具备联网功能，最大传输距离也只能达到十几米，不能满足远距离通信要求。而RS485则解决了这些问题，数据信号采用差分传输方式，可以有效的解决共模干扰问题，最大距离可达1200米，并且允许多个收发设备接到同一条总线上。随着工业应用通信越来越多，1979年施耐德电气制定了一个用于工业现场的总线协议MODBUS协议，现在工业中使用RS485通信场合很多都采用MODBUS协议。在本设计中，首先我们最终要实现MCGS工业平板和MPPT太阳能控制器（DC/DC）、直流交流变换器（DC/AC）两者进行通信，需要多机通信的协议标准。其次，考虑到RS232标准的传输距离短，而RS485标准的传输距离较前者更长。故最终，我们选择使用RS485通信标准。42MODBUS协议的通信概述421MODBUS上的数据传输MODICON控制器上的标准MODBUS端口定义了连接器，接线电缆，信号等级，传输波特率，和奇偶校验，控制器可直接或通过调制解调器以后简称MODEMS接入总线网络。控制器通讯使用主从技术，即主机能起动数据传输，称查询。而其它设备从机应返回对查询作出的响应，或处理查询所要求的动作。典应的主机设备应包括主处理器和编程器。典应的从机包括可编程控制器。主机可对各从机寻址，发出广播信息，从机返回信息作为对查询的响应。从机对于主机的广播查询，无响应返回MODBUS协议报据设备地址，请求功能代码，发送数据，错误校验码，建立了主机查询格式，从机的响应信息也用MODBUS协议组织，它包括确认动作的代码，返回数据和错误校验码。若在接收信息时出现一个错误或从机不能执行要求的动作时，从机会组织一个错误信息。并向主机发送作为响应。在这些总线上，控制器间采用对等的技术进行通讯，即任意一个控制器可向其它控制器启动数据传送。因此，一台控制器既可作为从机，也可作为主机，常提供多重的内部通道，允许并列处理主机和从机传输数据。在信息级，尽管网络通讯方法是对等的，但MODBUS协议仍采用主从方式，若一台控制器作为主机设备发送一个信息，则可从一台从机设备返回一个响应，类似，当一台控制器接受信息时，它就组织一个从机设备的响应信息，并返回至原发送信息的控制器。查询响应周期如图43所示。查询中的功能代码为被寻址的从机设备应执行的动作类型。数据字节中包含从机须执行功能的各附加信息，如功能代码03将查询从机，并读保持寄存器。并用寄存器的内容作响应。该数据区必须含有告之从机读取寄存器的起始地址及数量，错误校验区的一些信息，为从机提供一种校验方法，以保证信息内容的完整性。主机查询信息设备地址功能代码8位数据字段错误校验从机响应信息图43主从查询响应周期从机正常响应时，响应功能码是查询功能码的应答，数据字节包含从机采集的数据，如寄存器值或状态。如出现错误，则修改功能码，指明为错误响应。并在数据字节中含有一个代码，来说明错误，错误检查区允许主机确认有效的信息内容。控制器可使用ASCII或RTU通讯模式，在标准MODBUS上通讯。在配置每台控制器时，用户须选择通讯模式以及串行口的通讯参数。波特率，奇偶校验等，在MODBUS总线上的所有设备应具有相同的通讯模式和串行通讯参数。两种模式的区别就在于传输每个字节的格式不同。选择ASCII或RTU模式用于标准的MODBUS总线。它定义了总线上串行传输信息区的“位”的含义，决定信息打包及解码方法。422MODBUS信息帧MODBUS信息以帧的方式传输，每帧有确定的起始点和结束点，使接收设备在信息的起点开始读地址，并确定要寻址的设备广播时对全部设备，以及信息传输的结束时间。可检测部分信息，错误可作为一种结果设定。MODBUS信息帧有ASCII和RTU两种模式，它们的区别体现在数据位不同和信息传输格式不同等方面。我们采用的是RTU模式。设备地址功能代码8位数据字段错误校验图44RTU数据帧位序其中，信息地址包括8位RTU，有效的从机设备地址范围0247十进制，各从机设备的寻址范围为1247。地址0为于广播地址。主机把从机地址放入信息帧的地址区，并向从机寻址。从机响应时，把自己的地址放入响应信息的地址区，让主机识别已作出响应的从机地址。信息帧功能代码包括8位RTU。有效码范围1225十进制，其中有些代码适用全部型号的MODICON控制器，而有些代码仅适用于某些型号的控制器。当主机向从机发送信息时，功能代码向从机说明应执行的动作。如读一组离散式线圈或输入信号的ON/OFF状态，读一组寄存器的数据，读从机的诊断状态，写线圈（或寄存器），允许下截、记录、确认从机内的程序等。当从机响应主机时，功能代码可说明从机正常响应或出现错误即不正常响应，正常响应时，从句简单返回原始功能代码；不正常响应时，从机返回与原始代码相等效的一个码，并把最高有效位设定为“1”。从机对功能代码作为了修改，此外，还把一个特殊码放入响应信息的数据区中，告诉主机出现的错误类型和不正常响应的原因。主机设备的应用程序负责处理不正常响应，典型处理过程是主机把对信息的测试和诊断送给从机，并通知操作者。数据区有2个16进制的数据位，数据范围为00FF16进制，根据网络串行传输的方式，数据区可由一对ASCII字符组成或由一个RTU字符组成。主机向从机设备发送的信息数据中包含了从机执行主机功能代码中规定的请求动作，如离散量寄存器地址，处理对象的数目，以及实际的数据字节数等。若无错误出现，从机向主机的响应信息中包含了请求数据，若有错误出现，则数据中有一个不正常代码，使主机能判断并作出下一步的动作。数据区的长度可为“零”以表示某类信息，如，主机要求从机响应它的通讯事件记录（功能代码OBH）。此时，从机不需要其他附加的信息，功能代码只规定了该动作。标准MODBUS总线，有ASCII和RTU两类错误检查方法，错误检查区的内容按使用的错误检查方法填写，我们采用的是RTU检查方法。使用RTU方式时，错误校验码为一个16位的值，2个8位字节。错误校验值是对信息内容执行CRC校验结果。CRC码的高位字节是最后被传送的信息。在标准的MODBUS上传送的信息中，每个字符或字节，按由左向右的次序传送最低有效位（LSB）最高有效位（MSB）。423错误校验方法标准的MODBUS串行通讯网络采用两种错误校验方法，奇偶校验奇或偶可用于校验每一个字符，信息帧校验LRC或CRC适用整个信息的校验，字符校验和信息帧校验均由主机设备产生，并在传送前加到信息中去。从机设备在接收信息过程中校验每个字符和整个信息。主机可由用户设置的一个预定时间间隔，确定是否放弃传送信息。该间隔应有足够的时间来满足从机的正常响应。若主机检测到传输错误时，则传输的信息无效。从机不再向主机返回响应信息。此时，主机会产生一个超时信息，并允许主机程序处理该错误信号。注意主机向实际并未存在的从机发送信息时也会引起超时出错信号。43拟定基于RS485物理层的MODBUS通信协议431家用光伏发电系统的主机/从机通信在主机和设备之间的通信采用MODBUS主机/从机的通信原理，数据采用查询/响应的方式。主机控制数据的交换，从机具有响应功能。用设备地址对若干从机进行标识，共有255个地址可供选用。在本设计中，主机为触摸屏（MCGS工业平板），从机为MPPT太阳能控制器（从机1）和直流交流变换器（从机2）两个。RS485总线主机（MCGS触摸屏）从机1（DC/DC）从机2（DC/AC）图45主从设备连接框图光伏发电系统触摸屏RS485通信协议根据RS485标准，一台总线上最多可以接31台从机，有效的从机设备地址范围0247十进制，各从机设备的寻址范围为1247。在本设计中，从机1（DC/DC）的地址为01H，从机2（DC/AC）的地址为10H。地址00H为广播地址11，两个从机均能识别，是主机控制整个系统启动与停止的信息地址。在主机对从机1或从机2进行信息查询时，即可通过两者不同的地址做指令上的区分。如系统欲读取DC/DC的数据，则在其查询指令中输入起始地址“01”，读线圈状态指令（控制器支持的全部功能代码见附录A）“01”，加上数据个数、校验码等，即可查询。波特率9600BPS，DATA0为触摸屏向DSP发送的数据【控制】，DATA1为DSP向触摸屏发送的数据【显示】（DC/DC），DATA2为DSP向触摸屏发送的数据【显示】（DC/AC）。表42DSP地址安排从机名称地址DC/DC（从机1）01HDC/AC（从机2）10H432信息传输控制器以RTU模式在MODBUS总线上进行通讯时，信息中的每8位字节分成2个4位16进制的字符，最先传输最低位（LSB）。RTU模式中每个字节的格式为编码系统8位二进制，十六进制09，AF；数据位1起始位，8位数据，低位先送；有奇/偶校验时1位，无奇偶校验时0位；停止位1位带校验，停止位2位无校验；错误校验区循环冗余校验CRC。信息开始至少需要有35个字符的静止时间，依据本设计使用的波特率9600BPS，计算得静止的时间约为15MS，如表43。接着，第一个区的数据为设备地址。各个区允许发送的字符均为16进制的09，AF。网络上的设备连续监测网络上的信息，包括静止时间。当接收第一个地址数据时，每台设备立即对它解码，以决定是否是自己的地址。发送完最后一个字符号后，也有一个35个字符的静止时间，然后才能发送一个新的信息。整个信息必须连续发送。如果在发送帧信息期间，出现大于15个字符的静止时间时，则接收设备刷新不完整的信息，并接收下一个地址数据。同样，一个信息后，立即发送的一个新信息（若无35个字符的静止时间）将会产生一个错误，是因为合并信息的CRC校验码无效而产生的错误。CRC值附加到信息时，低位在先，高位在后。CRC校验信息帧是最后的一个数据，得到的校验码先送低位字节，后送高位字节。表43数据传输时间间隔名称时间每帧数据之间15MS2MS两个字符之间03MS04MS433通信时序设计数据包的结束是用传输停顿来标识的。两个连续字符之间所允许的最大时间间隔为一个字符传输时间的3倍。已知本设计的波特率为9600BPS，那么可以计算出，最大时间间隔约为042MS。下图以主机与从机1（DC/DC）通信为例，示意主从设备通信时序的安排。主机与从机2（DC/AC）通信的时序安排是相同的。MCGS触摸屏DC/DCTT0T1T0T2查询（命令）应答（数据）查询（命令）图46光伏发电系统主从设备通信时序其中，T0为结束标志；T1为从机对数据查询指令的处理时间；T2为设备由传输状态转变为接收状态的时间，在此期间，主机等待。在此须特别注意，在从机进行内部处理和应答期间，禁止主机进行任何数据查询。否则，数据查询将被从机忽略，或者将导致在总线上发生数据冲突。434光伏发电系统触摸屏通信协议为了保证系统顺利运行，针对本设计，我们对触摸屏与DSP之间