基于电力线通信的光伏电站漏电监测系统设计

摘 要：分布式光伏电站线路绝缘漏电故障一直是光伏电站的技术难点，尤其是从光伏电池阵列到并网逆变器的各个环节中，布线复杂，环境恶劣。针对传统监测技术的弊端，提出了一种基于电力线通信的分布式漏电监测系统。系统采用电力线通信技术结合传感器技术的方式，完成了采集节点和中央监测终端软硬件的设计与优化，实现了对采集点漏电流数据的收集和传输，并对系统进行了不同温度条件下的准确率的测试。通过实验验证，系统的可靠性均在97％以上，能有效地监测分布式光伏电站的漏电情况。

TN913.6

A

10.16157/j.issn.0258-7998.173194

中文引用格式：谢志远，陈楠, 张冬祺. 基于电力线通信的光伏电站漏电监测系统设计[J].电子技术应用，2018，44(3)：40-42，46.

英文引用格式：Xie Zhiyuan, Chen Nan, Zhang Dongqi. Design of leakage monitoring system for photovoltaic power station based on power line communication[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(3)：40-42，46.

0 引言

随着光伏发电技术的大面积推广，分布式光伏电站安全运行至关重要。由于分布式光伏发电站从太阳能光伏电池阵列到并网逆变器的各个环节中，器件种类多、分布范围广，使得各类布线十分繁杂。各类电缆大多露天布线，工作环境十分恶劣，长期运行容易出现线路绝缘漏电故障^[1-2]。因此有效监测光伏发电系统的漏电情况是保障光伏电站安全可靠运行的重要保障。

如今通信技术高速发展，但分布式光伏电站的自身特点给系统的漏电综合监测带来了诸多不便。传统的通信网络的弊端比较较明显，因此如何合理安装漏电传感器、选择合适的通信方式、有效降低漏电监测成本是关键。采用电力线通信技术实现分布式光伏发电系统漏电数据传输，不需要专门架设通信信道，具有投资小、安装灵活方便等优点，是漏电数据传输最有效的方式之一。

1 系统结构

根据目前分布式光伏电站的拓扑结构，分布式光伏电站主要由光伏太阳能电池板阵列（简称光伏阵列）、汇流箱、直流配电柜、光伏逆变器、交流配电柜以及光伏电站监控系统等部分组成。其中每一个光伏阵列由若干块太阳能光伏电池板组成，每一块光伏电池板的功率一般为几十瓦到上百瓦，输出电流一般为几安培。为了便于与光伏逆变器连接，简化布线，一般首先通过电缆将光伏阵列连接到汇流箱，以扩大输出电流和功率，提高逆变器效率。然后将N路汇流后的电流通过电缆连接到直流配电柜。光伏直流配电柜主要用来连接光伏逆变器和光伏汇流箱，还可提供防雷及过流保护，监测光伏阵列的单串电流、电压、防雷器状态及断路器状态。系统结构图如图1所示。

为了能全面监测整个光伏电站的综合直流漏电情况，直流漏电监测采用分层次监测方案，光伏电池漏电传感器用来监测每一块太阳能光伏电池板的漏电电流，光伏阵列漏电传感器用来监测汇流后的直流漏电情况。由于光伏电站覆盖面积广，布线繁多复杂，因此各层直流电传感器的漏电信息传输必须采用一种灵活的通信方式。本方案中的漏电信息传输采用直流电力线通信方式，也就是将各分布安装的光伏电池漏电传感器的漏电信息，通过耦合电感耦合到直流电缆线上，传输到汇流箱处；在每一个汇流箱处接收各光伏电池漏电传感器的信息，同时再监测汇流后的漏电信息，最后通过直流电缆以电力线通信方式传输到直流配电柜中，集中送到光伏电站监控系统中。

2 硬件的实现方法

2.1 电流传感器的信号

霍尔电流传感器为目前最普遍的电流传感器，由于其线性好、频带宽、反应快等特点而应用广泛。霍尔传感主要部分是电磁转换器件，在器件通有工作电流大小为I的电流时，在其垂直方向施加一个磁场强度为B的磁场，在输出端会有霍尔电势U_H产生，根据电势的大小及相应的线性关系可以反推出磁场B的大小，进而可以推出产生磁场强度大小为B的电流大小I_in。原理图如图2所示。

稳定性是传感器的重要参数，霍尔传感器的稳定性也是影响其广泛应用的一个重要的因素。影响其稳定性的主要因素是传感器的温漂。由于磁电转换器件是半导体材料，其电阻率、迁移率和载流子浓度等都是温度的函数，因此，传感器的输出会随着温度的变化而变化。另外，这些变化是不成线性关系的，所以在电路设计时给以温度补偿是必不可少的。本文采用输入端恒压电压源温度补偿电路，原理图如图3所示。

2.2 DSP信号处理

电力线初始铺设的目的是实现电能的传输，相比传统的信道有独特的特性，如信道噪声、信号衰减、阻抗匹配问题。随着电力线载波技术特别是编码调制以及DSP芯片的不断发展，信道的误码率也得到了一定的改善。本文采用的TMS320F28069是TI公司的一款DSP处理器芯片，属于C2000系列，其成本低廉，集成度高，并且可以在3.3 V单电源模式下正常工作。此款芯片支持实时的JTAG调试和分析，当处理器处于运作状态时，芯片允许进行修改存储器的内容、更新外围设备和调整寄存器位置等操作，运作状态包括正在运行、执行代码或者中断处理，另外此芯片还支持多种通信技术^[4]。DSP信号处理单元如图4所示。

如图4所示，DSP信号处理单元包括DSP芯片、整理电路、系统时钟、电源和串口电路等^[5]，整理电路主要是对采集电路传过来的微弱电流进行放大，调整为DSP芯片能处理的信号大小。DSP芯片主要对信号进行编码、调制，以减小电力线信道的噪声和衰减造成的信号误差。耦合单元是将信号耦合到低压电力线上，以便经行信号的传输。

3 软件实现

监控中心是负责数据收集、实时显示、数据处理的重要一环，目前监控开发软件有很多，诸如VB、LabVIEW、组态王等都是优秀的开发软件。本文选择组态王作为本系统监测中心使用的开发软件，其以适应性强、开放性好、经济等诸多特点被广泛应用。监测系统的主界面如图5所示。

系统主控机监控软件包含以下模块：电量监测、电能计量、信号校准、实时监测等。打开监测软件时首先进入实时监测界面，可以通过各个子按钮进入子界面。

4 系统测试

监测系统的准确度主要受两部分制约；其一为传感器的稳定性以及准确度，霍尔传感器的温漂问题是影响输出稳定性的的主要因素，在本文的开头部分对温漂问题提出了改进的方法；其二为电力线载波信道的干扰问题，诸如噪声、衰减以及阻抗。为了测试系统的稳定性和精度，本系统做了关于传感器的高低温实验以及传输信道的信号质量的测试。

测试实验分别在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃、60 ℃、85 ℃的情况下进行，红线和黑线表示穿过传感器的正负两个输电线，传感器测量的是两个输电线电流的差值。红线接22 mA的恒流电流源，黑线接2 mA的恒流电流源，穿过传感器时两条线的方向相反放置，模拟20 mA的漏电流情况。把测试用的传感器放入高低温试验箱，在测点温度时保持两个小时，测量各个温度下的输出。实验数据如表1所示。

传感器输出的数据通过DSP模块上的耦合器传送到低压电力线，在远端的监测中心通过解耦和把数据通过串口传输到PC的检测软件，并对数据进行显示，上位机的监测数据如表2所示。

上位机电流表示传输后得到的电流数据，对比表1和表2的数据可以得出，低压电力线对传输的数据有影响，但在允许的误差范围之内，能正确反映下位机上传的漏电流的情况。

5 结论

本文介绍了一种基于电力线通信的分布式太阳能发电站漏电监测系统。由于系统无需架设专门的通信线缆，非常适合分布式电站线路复杂的环境。随着光伏发电的发展，这种基于电力线通信的分布式光伏发电站漏电监测系统将会具有更高的应用价值和更加广阔的市场前景。

参考文献

[1] 刘中芳.电力线载波通信技术在光伏发电系统中的应用[D].北京：北京交通大学，2012.

[2] 刘莉敏.并网光伏电站分布式数据采集监测系统的研究[D].北京：中国科学院电工研究所，2004.

[3] 王峰，刘全美.霍尔传感器温度补偿方法研究[J].电子测量技术，2014，37(6)：97-99.

[4] 张雄伟. DSP芯片原理与开发应用[M].北京：电子工业出版社，1997.

[5] 徐晓峰.基于组态王的PLC水产养殖无线测控系统[D].镇江：江苏大学，2016.

作者信息:

谢志远，陈 楠, 张冬祺

（华北电力大学（保定） 电子与通信工程系，河北 保定071003）