0 引言

    隨著光伏發電技術的大面積推廣，分布式光伏電站安全運行至關重要。由于分布式光伏發電站從太陽能光伏電池陣列到并網逆變器的各個環節中，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，工作環境十分惡劣，長期運行容易出現線路絕緣漏電故障^[1-2]。因此有效監測光伏發電系統的漏電情況是保障光伏電站安全可靠運行的重要保障。

    如今通信技術高速發展，但分布式光伏電站的自身特點給系統的漏電綜合監測帶來了諸多不便。傳統的通信網絡的弊端比較較明顯，因此如何合理安裝漏電傳感器、選擇合適的通信方式、有效降低漏電監測成本是關鍵。采用電力線通信技術實現分布式光伏發電系統漏電數據傳輸，不需要專門架設通信信道，具有投資小、安裝靈活方便等優點，是漏電數據傳輸最有效的方式之一。

1 系統結構

    根據目前分布式光伏電站的拓撲結構，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控系統等部分組成。其中每一個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，監測光伏陣列的單串電流、電壓、防雷器狀態及斷路器狀態。系統結構圖如圖1所示。

    為了能全面監測整個光伏電站的綜合直流漏電情況，直流漏電監測采用分層次監測方案，光伏電池漏電傳感器用來監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，傳輸到匯流箱處；在每一個匯流箱處接收各光伏電池漏電傳感器的信息，同時再監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到直流配電柜中，集中送到光伏電站監控系統中。

2 硬件的實現方法

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、反應快等特點而應用廣泛。霍爾傳感主要部分是電磁轉換器件，在器件通有工作電流大小為I的電流時，在其垂直方向施加一個磁場強度為B的磁場，在輸出端會有霍爾電勢U_H產生，根據電勢的大小及相應的線性關系可以反推出磁場B的大小，進而可以推出產生磁場強度大小為B的電流大小I_in。原理圖如圖2所示。

    穩定性是傳感器的重要參數，霍爾傳感器的穩定性也是影響其廣泛應用的一個重要的因素。影響其穩定性的主要因素是傳感器的溫漂。由于磁電轉換器件是半導體材料，其電阻率、遷移率和載流子濃度等都是溫度的函數，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系的，所以在電路設計時給以溫度補償是必不可少的。本文采用輸入端恒壓電壓源溫度補償電路，原理圖如圖3所示。

2.2 DSP信號處理

    電力線初始鋪設的目的是實現電能的傳輸，相比傳統的信道有獨特的特性，如信道噪聲、信號衰減、阻抗匹配問題。隨著電力線載波技術特別是編碼調制以及DSP芯片的不斷發展，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。此款芯片支持實時的JTAG調試和分析，當處理器處于運作狀態時，芯片允許進行修改存儲器的內容、更新外圍設備和調整寄存器位置等操作，運作狀態包括正在運行、執行代碼或者中斷處理，另外此芯片還支持多種通信技術^[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、系統時鐘、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行放大，調整為DSP芯片能處理的信號大小。DSP芯片主要對信號進行編碼、調制，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，以便經行信號的傳輸。

3 軟件實現

    監控中心是負責數據收集、實時顯示、數據處理的重要一環，目前監控開發軟件有很多，諸如VB、LabVIEW、組態王等都是優秀的開發軟件。本文選擇組態王作為本系統監測中心使用的開發軟件，其以適應性強、開放性好、經濟等諸多特點被廣泛應用。監測系統的主界面如圖5所示。

    系統主控機監控軟件包含以下模塊：電量監測、電能計量、信號校準、實時監測等。打開監測軟件時首先進入實時監測界面，可以通過各個子按鈕進入子界面。

4 系統測試

    監測系統的準確度主要受兩部分制約；其一為傳感器的穩定性以及準確度，霍爾傳感器的溫漂問題是影響輸出穩定性的的主要因素，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。為了測試系統的穩定性和精度，本系統做了關于傳感器的高低溫實驗以及傳輸信道的信號質量的測試。

    測試實驗分別在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃、60 ℃、85 ℃的情況下進行，紅線和黑線表示穿過傳感器的正負兩個輸電線，傳感器測量的是兩個輸電線電流的差值。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箱，在測點溫度時保持兩個小時，測量各個溫度下的輸出。實驗數據如表1所示。

    傳感器輸出的數據通過DSP模塊上的耦合器傳送到低壓電力線，在遠端的監測中心通過解耦和把數據通過串口傳輸到PC的檢測軟件，并對數據進行顯示，上位機的監測數據如表2所示。

    上位機電流表示傳輸后得到的電流數據，對比表1和表2的數據可以得出，低壓電力線對傳輸的數據有影響，但在允許的誤差范圍之內，能正確反映下位機上傳的漏電流的情況。

5 結論

    本文介紹了一種基于電力線通信的分布式太陽能發電站漏電監測系統。由于系統無需架設專門的通信線纜，非常適合分布式電站線路復雜的環境。隨著光伏發電的發展，這種基于電力線通信的分布式光伏發電站漏電監測系統將會具有更高的應用價值和更加廣闊的市場前景。

參考文獻

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[4] 張雄偉. DSP芯片原理與開發應用[M].北京：電子工業出版社，1997.

[5] 徐曉峰.基于組態王的PLC水產養殖無線測控系統[D].鎮江：江蘇大學，2016.

作者信息:

謝志遠，陳  楠, 張冬祺

（華北電力大學（保定） 電子與通信工程系，河北 保定071003）