光伏电站监测系统中载波通信技术的研究与应用

【摘要】：随着传统能源的不断减少、环境污染的严重,人类对于可再生新能源的开发日趋迫切。光伏发电凭借其普遍、长久以及无污染等特点,已经成为人们关注的焦点。但由于光伏电站一般建在比较偏远的地区,且规模较大,信息采集、设备维护十分不便,单独对其架设监测通信网络是一项十分巨大的工程,因此有必要建设一个成本低、易于维护且方便控制的光伏电站监测系统。本论文研制了一种通过电力载波技术实现现场通信的光伏电站监测系统。其中,现场采集控制设备与集中器之间利用电力线传输数据信息,并以LonWorks为标准制定通信协议,从而实现实时、可靠、有序的通信。电力载波通信技术最大特点就是不用布线,直接利用已有电力线即可实现通信,既节省了电站通信网络的建设投资,同时监测范围也覆盖了整个光伏电站,只要有电力线的地方就可以实现通信。LonWorks总线技术则是电力载波通信领域应用最广泛的现场总线技术之一,其使用了遵循ISO/OSI七层模型结构的LonTalk通信协议,实现了系统的开放性和互操作性。本论文的主要工作内容包括以下几个方面：(1)研究光伏发电技术以及光伏发电系统结构,分析需要采集的现场参数。(2)通过对多种通信方式以及总线技术的比较,选择电力载波通信以及LonWorks总线技术设计光伏电站现场监测通信系统。(3)分析光伏电站信道的传输特性,针对其时变、衰减以及噪声大的特性设计了一种基于时频分析中短时离散傅里叶变换(DSTFT)的2FSK调制解调系统,实现高可靠性的通信。(4)利用Microchip公司的PIC32MX系列芯片制作电力载波调制解调器,实现现场采集控制终端与集中器之间的通信。实现过程分为硬件和软件两个步骤,硬件主要包括发送电路、接收电路、耦合电路、调制解调芯片及其串行接口电路。软件则主要包括2FSK调制、解调以及串行接口驱动等部分,并编写了基于LonTalk七层结构的通信协议。(5)样机制作完成后,在实验室环境下对电力载波调制解调器的通信性能进行测试。测试结果表明,本设计可以满足电力线信道环境下通信需求。 【关键词】：光伏发电 电力载波通信 LonWorks 短时离散傅里叶变换
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615;TN913.6
【目录】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 引言9-15
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 光伏发电发展情况10-11
• 1.3 电力载波通信技术及其发展情况11-12
• 1.4 LonWorks总线技术及其发展情况12-13
• 1.5 本文主要研究内容13-14
• 1.6 章节安排14-15
• 第二章 光伏发电系统监测通信网络设计方案15-24
• 2.1 光伏发电基本原理15-17
• 2.1.1 p型半导体15
• 2.1.2 n型半导体15-16
• 2.1.3 p-n结16-17
• 2.1.4 光伏效应17
• 2.2 光伏发电系统分类17-20
• 2.2.1 独立光伏发电系统17-19
• 2.2.2 并网光伏发电系统19-20
• 2.3 光伏监测通信系统的设计20-24
• 2.3.1 光伏系统监测概述20-21
• 2.3.2 光伏电站通信方式的选择21
• 2.3.3 控制网络总线技术的选择21-23
• 2.3.4 光伏电站通信系统网络拓扑的规划23-24
• 第三章 电力载波信道分析及调制解调算法设计24-39
• 3.1 光伏电站电力信道特性分析24-27
• 3.1.1 低压电力线信道研究24-26
• 3.1.2 光伏电站通信信道研究26-27
• 3.2 2FSK调制解调技术27-30
• 3.2.1 2FSK调制技术27-28
• 3.2.2 用谱估计检测FSK信号的解调方法28-30
• 3.3 基于离散短时傅里叶变换的FSK解调方法30-31
• 3.3.1 离散短时傅里叶变换(DSTFT)理论介绍30-31
• 3.3.2 基于DSTFT的FSK信号解调方法31
• 3.4 FSK解调系统设计31-38
• 3.4.1 信号采样32-33
• 3.4.2 码元同步设计33-37
• 3.4.3 自适应门限设计37-38
• 3.4.4 码元判决38
• 3.5 本章小结38-39
• 第四章 电力载波调制解调器硬件设计39-46
• 4.1 调制解调器芯片及其相关电路39-42
• 4.1.1 PIC32MX系列MCU介绍39-40
• 4.1.2 电源模块40-41
• 4.1.3 串行接口电路41-42
• 4.2 调制解调器电力线接口电路42-45
• 4.2.1 耦合电路42-43
• 4.2.2 功率放大电路43-44
• 4.2.3 谐振放大电路44-45
• 4.3 本章小结45-46
• 第五章 电力载波调制解调器软件设计46-69
• 5.1 配置位设置及系统初始化46-48
• 5.2 FSK调制模块48-49
• 5.2.1 波特率48
• 5.2.2 PWM48-49
• 5.3 A/D转换模块49-50
• 5.4 FSK解调模块50-51
• 5.5 串行通信接口(UART)软件设计51-53
• 5.6 基于LonWorks总线的通信协议设计53-68
• 5.6.1 LonTalk协议规范54-65
• 5.6.2 LonTalk协议内嵌实现65-67
• 5.6.3 电力数据包格式67
• 5.6.4 LonWorks通信方式选择67-68
• 5.7 本章小结68-69
• 第六章 调制解调器通信性能测试69-77
• 6.1 调制解调器电路功能测试69-71
• 6.1.1 发送电路测试70
• 6.1.2 谐振电路测试70
• 6.1.3 接收放大电路测试70-71
• 6.2 测试软件71-72
• 6.2.1 主控软件71-72
• 6.2.2 接收软件72
• 6.3 测试方案72-73
• 6.4 测试结果73-76
• 6.5 本章小结76-77
• 总结与展望77-79
• 参考文献79-81
• 致谢81-82
• 个人简历82-83
• 攻读硕士期间的研究成果及发表的学术论文83

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