基于电力线载波通信的光伏汇流箱监测单元设计

摘要：该文介绍了一种光伏汇流箱智能监测设备，其采用模块化设计，支持多种通信方式；可将通信数据通过已有光伏电缆传输，不需要额外布通信线；支持标准MODBUS-RTU协议，可在线进行程序升级，方便配合各类监控后台系统监测数据；测试数据精度满足测量标准，能够实现电流测量、模拟量测量及报警功能。

关键词：电力线载波；光伏监控；MODBUS-RTU协议；太阳能光伏

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.030

中图分类号：TD 65+5.2；TN 915.03 文献标志码：B 文章编码：1672-7274（2024）09-00-03

Design of Photovoltaic Combiner Box Monitoring unit Based on Power Line Carrier Communication

LIU Huichao1， MA Xueliang1， YANG Huijun1， CAO Jun2

（1. School of Information Engineering， Anhui International Business Vocational College， Hefei 230011， China;

2. Anhui Jingchen Future Technology Co.， Ltd.， Hefei 230011， China）

Abstract： This article designs an intelligent monitoring device for photovoltaic combiner boxes， which adopts modular design and supports multiple communication methods; Communication data can be transmitted through existing photovoltaic cables without the need for additional communication lines; Supports standard MODBUS-RTU protocol， allows for online program upgrades， and facilitates data monitoring with various monitoring backend systems; The accuracy of the test data meets the measurement standards and can achieve current measurement， analog measurement， and alarm functions.

Keywords： power line carrier; photovoltaic monitoring; MODBUS-RTU protocol; solar photovoltaic

在光伏电站中，光伏汇流箱分布分散需要铺设大量的通信线缆。这就存在布线麻烦、功耗大、成本高等缺点[1-3]。在光伏汇流箱监测系统中，目前常用的通信方式是RS—485，其在施工、布线、维护等方面明显不便。电力线通信利用已铺设电力线作为传输媒介，通过研究对比众多的无线通信方式发现，电力线载波通信具有成本低廉且不需要额外铺设线路的优点，但目前一般多应用于交流通信，对应用于光伏系统通信环境则需要进一步研究[4-5]。

本文设计了一种光伏汇流箱监测单元，其具备一般监测单元常用功能，既支持RS—485通信，又支持标准MODBUS—RTU协议，同时还支持载波通信方式。本监测单元可将通信数据通过已有光伏电缆传输，不需要额外布通信线，可方便配合各类监控后台。经实验验证，本单元在通过载波通信方式通信时，通信稳定度可支持程序在线升级，测试数据的精度满足测量标准，能够实现电流测量、模拟量测量及报警功能。

1 总体设计方案

监测单元采用低功耗模块化设计，霍尔传感器裸出设计，方便接线，多尺寸选择满足不同用户需求。根据具体应用场景可选择RS—485通信方式和载波通信方式，从而进行不同的方式组网。载波通信采用OFDM高速窄带电力线载波技术，载波信号的处理通过MAX2991实现，保障通信稳定性。

除实现常见汇流箱监测设备的测量报警功能等外，还需实现参数配置、数据传递及处理、程序远程升级、通信规约处理、电力线载波通信自动组网功能。监测单元在满足功能实现的基础上，可与监控软件配合使用，支持标准MODBUS-RTU协议，支持RS—485方式通信。

2 功能实现

2.1 电力线载波通信

监测单元利用已有的低压配电网作为传输媒介，实现数据传递。在应用电力线通信方式发送数据时，发送器先将数据调制到一个高频载波上，再经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上。信号频带峰峰值电压不会对电力线路造成不良影响。

为了节约使用有效频带，采用频分复用技术，主要采用了OFDM技术，将发送的数据流分散到多个子载波上，使各子载波的信号速率大大降低，从而提高抗多径和衰落的能力。

2.2 直流电力线耦合方式设计

本系统需要解决的关键技术问题为直流电力线耦合方式选择以及使设备保持较高的直流电力线通信稳定性。通过对直流电感耦合、电容耦合等几种情况进行研究与测试，同时对比不同频段载波通信能力以及对比其他厂家类似通信产品的通信能力可知，本单元的耦合方式，在传输通道连通的前提下可以实现接近97%的通信成功率，但存在谐波噪音干扰的情况以及经过衰减器后信号通信变弱的情况。

2.3 参数配置方法设计

监测单元可以选择RS—485通信方式和载波通信方式。通信方式不同，设备参数配置方法不同，设备接线方式也不同。

2.3.1 485通信

当使用RS—485通信方式时串行通信遵循标准MODBUS-RTU协议规约，通过使用手持机可进行参数配置，从而进行快速无误的通信，方便与其他支持MODBUS-RTU协议的系统融合。

2.3.2 载波通信

当使用电力线载波通信方式监测汇流箱数据时，需选配载波耦合装置及载波主节点装置。接线示意图如图1所示。图中红黑线表示光伏电缆，灰色线表示载波接线，灰色箭头表示RS—485接线。

首先对每个监测装置根据MODBUS设备地址需求进行设备地址的配置，监测装置上线后，可修改设备地址。然后，把整个组网中载波短地址和设备地址映射表下载到载波主节点中，即完成通信配置。在维护软件中单击搜索设备，即可从设备列表中查看数据，进行数据监测。监控主站按照标准MODBUS-RTU通信协议即可获得监测数据。监测装置与载波主节点自动完成载波报文的转换，监控主站无须改动通信协议即可实现原RS—485通信方案到电力线载波通信方案的切换，使用简便快捷。

2.4 程序远程升级

2.4.1 选择文件

点击选择文件按钮，选择需要升级的文件。维护软件中自动显示出文件的位置、名称、校验和、下载总段数等信息。软件对升级文件读取后进行数据分段，设计升级相关报文头数据，主要包括总段数、当前段等，然后将数据区进行组包处理，加在载波通信报文头后，在报文结尾添加当前报文校验及文件校验码。远程升级流程图及操作界面如图2所示。

2.4.2 下载文件

选择需要升级的装置设备地址后，单击开始下载按钮，将每段文件依次下载到装置中，当发生接收异常时可自动重发当前段数据。当下载完成，弹出提示窗口后，单击校验按钮。当装置回复报文校验通过时，说明校验通过。

根据用户选择设备地址，在发送报文头中添加相应载波节点地址段数据。监测单元将接收到的多段报文进行解包，计算单条数据校验是否与报文中校验码相符，一致才会接收下一段报文。全部升级文件数据接收完毕后，计算总文件校验和并与报文中校验码比对，一致后才会发送校验通过命令。

程序下载过程涉及多段报文的发送及校验，如果在报文的载波传输过程中出现部分报文错误则不能通过校验升级失败。通过程序远程升级功能可验证了本监测单元通信的稳定性。

2.4.3 程序升级

校验通过单击升级按钮，维护软件发送升级报文。装置收到升级报文后，自动重启进行程序升级；升级完毕后，正常运行新程序。

通过此功能的实现，当检测单元功能需要升级时，可不用到现场完成，极大方便了维护人员，提升了产品适应性。

3 测试

3.1 直流电流测量

智能监测单元的测量、报警等功能需要对电流进行监测及计算，因此监测单位对电流的监测精度高低具有至关重要的意义。本文基于单位园区楼顶安装的光伏发电系统进行数据测试，针对直流电流测试线性、精度和外接传感器模拟量测量线性、精度进行了大量测试，测试结果如下。

在监测单元测量部分程序时，电流测量系数选取不同会导致计算出的采样值不同，则会进一步影响到测量精度，因此先测试电流的线性度，确定合理的转换系数，再对测量精度进行测试。

首先确定采样公式零点AD采样值，记录电流的标称值和单元采集实际值，计算出单元的电流测量线性度。

nBojLC8PgiRbY6QU+k77YxSSGOGLBVwM8NB6S2rMSfg=以线性度平均值进行采样值转换，记录标准值和实际测量值，计算出单元的电流测试精度数据，电流精度图见图3。

3.2 外接模拟量测量

单元测量外接模拟量测量精度的测试方法同以上电流测量精度测试方法。

以系数平均值进行采样值转换，记录测量值，与标称值对比进行计算，得出测量精度，见图4。

通过以上对直流电流测量精度和外接模拟量测量精度的测试结果可以看出，监测单元的电流测试精度在0.5%以内，模拟量精度在0.3%以内，满足测量标准，能够实现电流测量各项值计算及报警功能。

4 结束语

本文介绍的汇流箱智能监测单元支持多种通信方式，能够将通信数据通过已有光伏电缆传输，不需要额外布通信线，同时支持标准MODBUS-RTU协议，方便配合各类监控后台系统监测数据，支持在线进行程序升级。对本单元电流测量精度进行测试，测试结果表明，本单元的电流测试精度满足电流测量及报警功能。

本文对直流电力线耦合方式进行了研究，选择了电感式耦合方式，实现了载波通信在直流段的通信。载波通信传输支持监控单元远程升级。未来将研究增加电容耦合方案以在特殊点处使用，使通信可靠度进一步增强。

参考文献

[1] 李林，曹军，陶维青．光储充电站通信网络和系统控制技术研究[J]．电子测量与仪器学报，2019，33（09）：25-32．

[2] 宋佳，王艳丽，吕海翠．基于电力载波技术的粮仓温度监测系统[J]．电子测量技术，2020，43（21）：173-176．

[3] 王新刚，赵舫．计及通信资源优化的电力线载波通信路由算法研究[J]．电测与仪表，2019（22）：79-83．

[4] 王卿，荆臻，代燕杰，等．基于电力线载波通信协议的时钟同步方法研究[J]．电测与仪表，2022，59（10）：184-190．

[5] 丁斌，袁博，郑焕坤，等．基于大数据分析的电力信息系统安全状态监测技术研究[J]．电测与仪表，2021（11）：59-66．