基于DSP的多功能测控仪表的设计
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
北京科诺伟业光电科技有限公司的研究人员梁新田，在2017年第7期《电气技术》杂志上撰文，设计了一种以DSP作为核心部件，应用于光伏直流配电柜中的多功能测控仪表，不仅解决了电池板防反问题，不再需要另外增加防反二极管来保护光伏阵列，而且实现了直流配电柜的电压、电流显示，以及过压保护、过流保护和短路保护等功能。
光伏直流配电柜主要应用在大型光伏电站，将前端光伏汇流箱输出的光伏组件电源再次进行汇流后接入后端光伏并网逆变器，并提供防雷及过流保护[1]。有的直流配电柜采用霍尔传感器可以对每路输入电流、电压进行测量，同时可以监控断路器、防雷器状态，并通过配置RS485接口，把测量和采集到的数据及设备状态上传至监控系统。
1 直流配电柜的组成
由于不同的光伏并网发电项目，系统对直流配电柜的功能要求不同。它可以根据客户需求进行自由配置，一般输入有6～12路，输出有1～4路，其中8进1出的最为常见，主要由图1中的几部分组成。
图1 光伏直流配电柜原理图
1.1 柜体
直流配电柜主要安装在箱式逆变房内，柜体采用金属材料，防护等级不低于IP20，其尺寸可以根据逆变器尺寸进行调整。柜门一般用镀锌转轴铰链,以防门与柜体直接碰撞,并加强柜体防护等级。直流配电柜金属框架均具有良好的接地，柜门与柜体采用编制铜带可靠连接。
1.2 断路器
直流配电柜的进线采用光伏专用直流断路器，用于线路的分合闸，其额定电压不低于直流1000V，极限分断能力不小于20kA[2]。每个直流断路器选用固定式板前接线，柜内采用双层门结构，所有导电部件均有防护措施以防止人手触及。直流配电柜出线不配置出线断路器，通过两段汇流母线与光伏并网逆变器连接。
1.3 防反二极管模块
防反二级管模块包括防反二极管，散热器和轴流风机。防反二极管采用模块化设计，利用其单向导通特性串联在每一回路的正极，以防止组串之间产生环流、倒灌等现象。
防反二极管安装在散热器上，通过连接母排与对应的直流断路器连接，散热器采用铝合金材质，通过热传导散发二极管产生的热量。轴流风机通过温控开关或时控开关，配合继电器输出实现自动控制风机的起停,增强散热器的散热效果。
1.4 电涌保护模块
电涌保护模块采用光伏发电系统专用的防雷产品，具有放电电流大、限制电压低等特点。它安装在直流输出母排上，当雷电侵入电源传输线时，该模块迅速启动，将雷电泄放到大地，并把雷电过电压限制在允许承受的耐压范围之内，以确保光伏直流配电柜的安全运行。
1.5 数据采集模块
数据采集模块采用高性能霍尔传感器和多路模拟量输入模块，对每路输入电流和电压进行采样，经A/D转换后变成数字量。多路数字量模块采集直流断路器及防雷器的状态，最终变换为标准的RS485数字信号输出，方便用户与监控系统连接。
2 多功能测控仪表
采用防反二极管模块的方式具有结构复杂，功率消耗大，投资成本高等缺点。而且防反二极管的选型至关重要，如果选择不好，会增加直流配电柜的故障率，影响光伏电站的安全运行。
为此，自主研发的多功能测控仪表，取消了防反二极管模块，不但解决了电池板防反问题，而且实现了直流配电柜的过压保护、过流保护和短路保护等功能。本仪表具有10路模拟量输入，2路开关量输入，8路继电器输出功能，并配有对外通讯接口，方便系统监控。
2.1 硬件设计
多功能测控仪表采用TI公司的TMS320F2808系列DSP处理器和其他外围扩展芯片等组成。主要由数据采集单元、分励脱扣控制单元和通讯单元三部分组成[3]。
其中数据采集单元又包括汇流排电压和各支路电流的采样、断路器及防雷器开关状态采样。通过巡回采样，判断直流配电柜是否有故障发生，再根据故障类型决定是否执行断路器分励脱扣动作和是否上传报警信息。
模拟信号的采集采用电流霍尔元件，把大信号转化为弱电信号，然后经过调理电路送入DSP芯片的ADC接口[4]。对于各支路电流的采样，通过在直流输入母排串入电流霍尔传感器来检测直流侧电流，其采样电路如图2所示。
电流霍尔传感器使用LEM公司的HAS 200-S/SP50产品，额定输入电流：200A，原边电流测量范围：±900A，输出电压：±4V±40mV，电源电压：±12～±15VDC。电流霍尔传感器输出信号加上1.5V的电压偏置，经过运算放大器放大后，形成0～3.3V内的电压信号，保证输出电压满足AD输入信号范围。
图2 支路电流采样
多功能测控仪表配有干接点的开关量输入，其电路如图3所示。当开关S1打开时，光电耦合器KF2的二极管侧无电流通过，三极管处于截止状态，输出OUT为低电平；当开关S1闭合时，光电耦合器KF2的二极管侧有电流通过，三极管处于导通状态，输出OUT为高电平。
这样输出OUT的高、低电平分别对应开关S1的合、分状态。此处光耦将输入、输出间相互隔离，具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力[5]。
图3 开关量输入
分励脱扣控制单元的电路如图4所示。当DSP的输出端Fault输出高电平时，三极管Q1导通，Q2的基极被拉低导通，继电器K1的线圈得电，常开触点吸合，此路控制塑壳断路器的分励脱扣线圈得电，断路器发生脱扣动作；当DSP的输出端Fault输出低电平时，三极管Q1截止，Q2的基极被抬高截止，继电器K1的线圈失电，常开触点断开，断路器无动作。
其中反并联二极管D1为线圈续流提供路径，残余能量在线圈与二极管组成的回路中较为平缓地消耗掉，避免损坏其他器件。
图4 分励脱扣控制
2.2 程序设计
光伏直流配电柜的电源接通后，首先进行各项系统的初始化，启动数据采集任务，同时将数据与设定报警值进行比较，若超出范围，则根据程序设计做出相应处理。
主程序流程图结果如图5所示，由以下几部分组成：
图5 主程序流程图
由于电池板故障可以引起电流逆流，同样支路短路，反接等也会造成支路的逆流。因此，设计的控制板巡检程序用于巡检各支路电流，若发现存在逆流现象且逆流超过保护阀值，本机将该支路分励脱扣，同时将故障上传，使系统处于安全状态。
对于汇流排短路情况，通过判断支路电流与汇流排电压二者关系可直接给出结论。短路时支路电流存在，汇流排电压接近零伏，由此程序判断为汇流排短路，由于短路属于极其严重故障，此时本机分励脱扣全部输入支路。同样汇流排电压出现过压故障时，也执行分励脱扣全部输入支路动作。
对于过流故障，由于受光伏组件特性影响，即使发生短路现象，其短路电流约为（1～1.2）倍的峰值功率电流，故支路过流故障一般不会发生，也不会造成严重危害，因此本机程序只做报警处理，同时上传故障信息。
2.3 通讯协议
本设计使用的是MODBUS-RTU通信协议，旨在规定本终端设备（从站）与用户总线接口单元（主站）之间的数据交换以MODBUS-RTU模式实现。协议采用异步主从半双工方式通信，通信由主站发起，从站接收到主站请求后作出相应的应答。传输方式是一个数据帧内一系列独立的数据结构以及用于传输数据的有限规则[6]。数据帧的格式如表1所示。
表1 数据帧格式
下面以读取塑壳断路器（DI1）和电涌保护器（DI2）辅助触点开关状态（功能码03）为例说明通讯功能。
查询数据帧：此功能允许用户获得数字输入量DI的状态ON/OFF（1=ON，0=OFF），除了从机地址和功能域，数据帧还需要在数据域中包含将被读取DI的初始地址和要读取的DI数量。本设计DI的地址从0000H开始（DI1=0000H，DI2=0001H）。
表2是从地址为02的从机读取DI1到DI2的状态。
表2 查询数据帧
响应数据帧：响应包含从机地址、功能码、数据长度、数据内容和CRC错误校验，数据帧中每个DI占用一位，第一个字节的最低位为寻址到DI值，其余的依次向高位排列，无用位为0。表3为读取数字输入状态（塑壳断路器闭合，电涌保护器断开）相应的实例。
表3 响应数据帧
表4 数据字节内容
3 经济性分析
多功能测控仪表与防反二极管方案相比，取消了防反二极管及配套的散热器、轴流风机和时控开关等。多功能测控仪表约580元，而每个防反二极管120元，每个直流配电柜按8个计算，共计960元，配套散热器约420元，轴流风机180元，时控开关80元，单台光伏直流配电柜的成本可以节约近1000多元。
4 结论
综上所述，多功能测控仪表较好的解决了光伏直流配电柜低成本技术改造的需求，经济效果显著，同时实现了传统分体式多单元组合仪表的各项功能。光伏电站运行及维护更加方便，故障率大大降低。不但降低了系统成本，而且扩大了光伏阵列的工作电压范围，增加了系统的发电量。