摘 要： 针对光伏发电监测系统现场故障维护成本高问题，提出一种基于可编程器件的远程自修复光伏发电监测系统。该系统实现了光伏发电系统电压、电流、温度、湿度、光照强度实时采集、处理、远程传输以及调理电路在线故障监测及自修复，研究了可编程模拟阵列调理电路的故障诊断及自修复方法。实验表明，该光伏发电监测系统实现了各参数准确、高效采集及远程传输，具有设计简单、开发周期短、适应性强、运行稳定、功耗低等特点。
关键词： 可编程器件；可编程模拟阵列，自修复；监测系统
0 引言
随着能源危机的不断加重，世界各国加大对可再生能源的开发与利用，太阳能光伏发电产业随之迅速发展。基于可再生能源的分布式微型电网技术能够提高能源利用率[1]，同时保持较高的电能指标，近年来备受关注。微网中含有的微电源种类繁多，光伏发电是其中潜力最大的一种可再生绿色能源，光伏发电被认为是当今世界最具发展前景的一种新能源技术，具有许多不同于其他可再生能源的突出优势：无噪音、不产生温室气体、模块化安装、使用寿命长、维护简单、发电效率不受规模影响，无论从保护环境还是能源战略上都具有重要意义[2]。
由于光伏发电的控制采用最大功率点跟踪控制策略，光伏发电的输出功率直接决定于光照强度，而光照强度在一天里随着时间和天气等因素的变化不是一个稳定值，所以光伏发电的输出功率是随着光照强度的变化而波动的[3]。光伏发电的随机性、波动性、间歇性会引起电压波动、电压闪变以及频率波动等一系列电能质量问题[4]。光伏发电监测系统对光伏发电系统电能质量调控有着重要的现实意义，目前光伏发电监测系统存在现场故障维护成本高问题，针对此问题提出一种基于可编程器件的远程自修复光伏发电监测系统，对光伏阵列的电压、电流、温度、光照强度进行实时监测。
1 系统拓扑结构
光伏发电监测系统由监测应用系统和监测终端两大部分组成，采用分布式结构，各级监测应用系统采用金字塔结构逐级连接，其中底层监测应用系统与监测终端相连，监测终端通过GPRS移动数据网与底层应用监测系统或直接与顶层应用监测系统相连。此结构采用积木式组合实现灵活分级，物理上分散监测、逻辑上数据分级集中管理。具体拓扑结构如图1。
2 系统硬件设计
监测终端硬件采用模块化设计，主要由数据采集单元、存储单元、报警单元、电源单元以及控制器单元等组成，各个单元通过硬件电路相互连接，具体结构图如图2。
2.1 数据采集单元
采集单元主要完成光伏发电系统电压、电流、温度、湿度、光照强度等参数的采集。首先传感器将信号转换成电信号，然后电信号通过调理电路转换成控制器可以识别的数字信号，调理电路由单端转差分电路、放大滤波电路以及A/D转换电路组成，放大滤波电路采用具有可重构特性的FPAA技术实现。
2.1.1传感器选择
为了降低设计难度，系统环境温湿度传感器选用单总线数字式温湿度传感器AM231；光伏组件温度测量采用12位分辨率、单总线的数字温度传感器DS18B20；光照强度传感器通过硅光电池来完成测量，测量光谱范围为0.2～1.1 ?滋m；电流、电压监测采用响应时间小于1 ms的霍尔传感器，其中电流传感器选用HNC-025SY，电压传感器选用HNV-025A。
2.1.2 调理电路
目前光伏发电监测系统中放大滤波电路常采用运放搭建方式，存在集成度低、调试难、设计经验要求高等问题，FPAA技术的出现很好地克服了上述问题。FPAA技术具有功耗低、集成度高、设计简单、可重构等特点[5-6]。
本系统中放大滤波电路选用Andigm公司生产的3.3 V供电FPAA芯片AN231E04，ANE231E04输入输出为差分信号，所以在传感器电路与放大滤波电路之前增加AD8138单端转差分电路，具体连接电路如图3所示。调理后的信号传输到6通道同步采样的16位高性能转换芯片ADS8364，经过同步A/D转换后传输到控制器。
2.2 通信单元
控制器将采集单元采集到的相关参数存入存储器，以防系统故障时造成数据丢失，同时通信单元传输给监测应用系统。本系统通信单元采用GPRS无线移动网完成。GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术）是一种移动电话用户使用的移动数据业，以封包（Packet）式来传输，以传输资料多少进行计费，费用更加的合理，在远程数据传输方面应用较为广泛[7]。
系统采用串口方式与GPRS模块相连接，设置UART波特率115 200 b/s、数据位8位、1位停止位、奇偶校验位为None，具体GPRS硬件电路如图4所示。
2.3 电源单元
为了提高系统稳定性，系统电源部分增加监控复位电路，采用三端监控芯片TPS3307-18对监测板中5 V电源、1.5 V电源和3.3 V电源进行监控，确保系统供电正常。
3 软件设计
3.1 故障诊断与自修复方法
模拟电路故障诊断主要分为故障监测、故障识别、故障预报三方面，根据实际测试在电路仿真前或后分为测前诊断和测后诊断两种[8]。测前诊断的典型算法就是字典法，测后诊断的典型算法主要是参数识别法和验证法，本系统采用字典法。
字典法基本思想：首先对电路可能出现的故障进行模拟得到故障集，接着对故障集中的故障求响应，提取故障特征并编写故障字典；故障诊断时依据故障特征查找故障字典进行故障定位。系统对放大滤波电路分放大坏滤波好、放大好滤波坏、放大坏滤波坏三类进行故障特征收集。
参考文献[9]提出单故障占总故障的70%～80%，多故障情况比例较小。系统主要对单故障进行诊断、修复。FPAA技术采用模块化设计思想，所以选用冗余法进行重构，具体故障诊断、修复流程如图5所示。
3.2 GPRS通信
本系统采用GPRS模块SIM900A实现数据的无线传输，GPRS模块SIM900A与控制器之间通过发送AT命令[10]实现通信，通过串口通信完成两者之间命令的发送，实现终端与上位机的数据交互。在数据的收发过程中，通过定时控制维持链路连接，时间设置为应答时间的1.5倍。如果在规定时间内没有收到应答数据，就认为连接断开，此时发送指令要求系统进行重连接处理。具体工作流程图如图6所示。
4 结论
远程自修复光伏发电监测系统不仅电路设计简单，而且能够满足监测数据远程传输实时性；采用FPAA技术的放大滤波电路具有在线可重构性，可以高效完成故障诊断、修复，提高系统稳定性；具有功耗低、通用性强、易升级、设计简单等特点。试运营期间系统工作稳定，满足光伏发电系统远程监测的要求。随着移动网络技术带宽和数据速率大福提高，远程光伏发电监测系统、自修复系统等技术将有广阔的市场前景。
参考文献
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[10] 刘冰，许青松，杜娟，等.基于GPRS技术的热网远程监测系统[J].制造业自动化，2012，34（6）：24-27.