小型逆变器监测管理系统PC用户端设计

小型逆变器监测管理系统PC用户端设计
摘要：本项目的研究目标是设计一个用于监测户用新能源发电系统电力电子装置的远程用户终端，以实现远程无线通讯、实时显示状态数据、存储及查看历史信息等功能。

关键词：小型逆变器；远程用户终端；无线通讯人机交互
引言
系统设计主要包括以下几方面内容：
1.无线通讯设计
本项目所设计的远程终端的重要功能之一就是能与户用新能源发电系统电力电子设备实现无线通讯、传输数据，因此，恰当地制定通讯方案以确保稳定、准确地监测系统的运行状态是非常重要的。

项目中解决的关键问题主要包括：
1.1能够与户用新能源发电系统逆变器进行无线通讯；
1.2数据传输稳定、安全、准确；
1.3传输距离足够远，满足用户需要。

2.人机交互设计
良好的用户操作体验是终端设备设计的重要指标之一，采用合适的输入、输出设备，设计友好、简洁的人机交互操作界面，可以让用户能够方便快速的查询到想知道的信息是本设计的基本目标。

解决的关键问题主要包括：
（1）选用合适的输入输出设备；
（2）设计友好、简洁的用户图形界面。

2.1无线通讯设计
目前，常用的无线通讯模块包括蓝牙模块、2.4GHz无线模块、Wi-Fi等。

2.4G 无线技术使用的是频率为2.4-2.485GHz 的ISM无线频段，这个频段是国际规定的免费频段，是不需要向国际相关组织缴纳任何费用的，这就为2.4G无线技术
可发展性提供了必要的有利条件。

而蓝牙技术是由2.4-2.485GHz ISM频段增加特定协议而来，因此它能够使任何蓝牙设备在一定范围内互相配对并连接、传输数据。

该技术不但降低甚至杜绝了无线设备互相干扰的现象，而且使蓝牙设备适应性更广，成本更低廉。

Wi-Fi是近年来兴起的无线技术，随着互联网数据业务的井喷，特别是视频业务，需要耗费大量带宽，Wi-Fi技术的商业化应用发展迅速。

Wi-Fi也在2.4Ghz 频段工作，它相较于蓝牙和2.4G无线技术，传输速度更快，信号更强，传输距离更广，但通常需要路由器搭建无线网络，一定要组网工作，且协议复杂，开发成本较高。

综合比较以上方案的优缺点，蓝牙模块技术成熟，适用范围广，通讯距离与传输速率均能满足系统要求，设备配对工作有利于保证数据传输的私密性，成本也相对合理，因此，选择蓝牙模块用于本项目的无线通讯方案。

2.1.1通讯系统整体方案架构
目前市场上部分逆变设备，已经开发相关管理接口，但是其相应的管理体系仅仅是停靠在主系统上运行的，通常由逆变器机身上的点控或触控设备以及显示屏等作为人机交互接口。

用户管理这些设备会受限于设备的安装位置。

因此一个全面而便捷的逆变器监测管理体系应具有如图1所示的系统结构，该结构可以方便用户多渠道、随时随地的掌握逆变器的当前工作状态、历史发电量信息等数据。

本项目为构建户用小型逆变设备实时监测管理系统，开发了STM32F103ZET6为通讯主控、AT45DB161为硬件数据存储芯片的无线蓝牙监测系统，使Microsoft Visual Studio 中的WPF环境开发了用户端监测软件，构建了基于蓝牙的户用小型逆变设备Internet监测管理系统。

工业应用表明该系统简单有效，运行稳定，操作设置及界面UI合理。

2.1.2通讯监测系统硬件架构
（1）逆变系统主要监测参数
目前国内外大部分的光伏逆变设备系统架构一般会采用如图2所示的拓扑结构，并采集表1中所示的主要电气参数（以小功率户用光伏逆变器为例），其中权重值用于计算系统运行状态及故障诊断。

（2）通讯主控硬件架构设计
系统通讯模块硬件结构如图3所示，其中STM32作为通讯主控主要负责处理由逆变主控采集到的逆变系统状态参数，经由STM32计算编码后输出到相应数据接口（远程监控端、逆变器状态显示端以及数据存储端）。

于此同时，STM32接收用户反馈数据，通过其内部设定的中断优先级来处理用户的数据请求操作以及逆变系统的保护操作，具体中断处理优先级见表2。

2.2信息采集处理方案
在数据通讯方面，需要保持各个参数时效的统一性，在数据传送时将各个传感器参数按通讯协议的规范整合后进行发送。

通讯主控将从系统MCU得到的电压、电流及温度等数据进行合并。

数据合并完成后，将整合后的数据存储至FLASH芯片，并放置到通讯主控预留的数据缓冲区中等待上位机读取。

2.3系统数据通讯接口构建
由于用户可能同时拥有数台逆变设备，在上位机系统的配置参数设置中加入了逆变箱地址设置选项，以方便用户使用上位机监测不同的逆变器，该操作将会直接影响访问应答动作，即发送的查询指令随地址的不同而不同。

本系统的逆变设备数据库建立在逆变器端，方便构建全方位的监测体系，使得多种外设直接和逆变设备进行数据交互成为可能。

系统以AT45DB161FLASH 芯片为数据存储单元，使用日期作为数据库标签，FLASH数据存储的偏移地址作为时间数据的索引项。

在上位机软件中，该芯片端口与主页面Calendar模块进行衔接，使用Calendar的点击动作触发历史数据查询操作，Calendar的日期值作为数据库的标签值进行索引操作，将获得的数据显示于历史数据图表中，图表绘制依旧调用DynamicDataDisplay动态库的绘图模块。

3.人机交互设计
3.1监测系统UI及相关功能设计
本系统监测软件在界面设计上以技术指标监控为核心UI内容，配合XAML 语言平台做到可扩展性及可移植性的最大化，后台.NET开发做到代码逻辑的最优化。

系统监测软件UI界面如图4所示，其中：
1.系统电气参数监测窗，使用图表窗体内嵌来到达视觉上层次递进的效果，在顶层的中加入与来完成不同技术参数的显示。

2.发电功率曲线实时显示窗利用控件完成以当前时间为X轴坐标，发电功率为Y轴坐标的图形绘制。

3.历史数据接口调用控件配合SelectedDatesChanged动作处理函数对硬件数据库的访问操作。

4.系统时间实时显示，UI界面依旧使用进行显示，执行代码使用T=DateTime.Now.ToString（”HHmmss”）来获取当前系统时间。

5.利用模块与.NET中开发的逆变器状态进行衔接，实时监测系统运行状态。

6.系统运行及参数设置，使用图标按钮配以.NET逻辑执行语言来管理该系统的运行、停止，以及逆变箱地址的设置。

在该系统事件处理函数中，为了防止系统的通讯故障，该部分.NET逻辑语言中设计了错误信息处理函数。

4.结果展示
4.1功能性试验展示
通常在进行逆变器运行状态监控测试时，需要设定一些规定的环境参数，以得到具有普遍意义的功率曲线。

本文以一台3.6KW的小型光伏逆变器为监测目标进行了实测，监测环境状态如表3所示，监测时间为当地时间上午10点。

图5 上位机监测主界面
此时太阳能电池板产生直流电压为377.6V，电网电压为242.1V，电流为11.6A，频率为50.01Hz。

箱体内部温度为46℃，环境温度为31℃，当前发电功率约为3.3KW。

输出功率曲线如图5所示。

4.2功能性实验分析
实验中主要测试3种常见状态：
状态一：故障离网，如图6中红色区域A所示。

此时可以看到该时段逆变器输出功率为0，即表示逆变器为防止电网故障或为防孤岛效应而及时离网。

此时用户应查看故障源头：电网故障或逆变器故障，以进行合理的故障处理。

状态二：阳光被遮挡，输出功率明显下降，如图6中黄色区域B所示。

出现该种状态的可能原因有很多，例如阳光被云层遮盖或者太阳能电池板被异物遮挡（例如树叶等），此时用户需要通过观察功率输出曲线后来判断是何种情况，如果长时间出现低功率输出并且光照度良好，就有可能是太阳能电池板被异物遮挡而产生的低功率输出故障。

状态三：云层稀薄输出功率小幅浮动，如图6中蓝色区域C所示。

该状态表明逆变器未能达到最大输出，光照度受到云层小幅影响，逆变器仍处于正常工作状态。

实验结果表明，本监测系统可以及时有效地反映逆变设备的工作状态，方便用户通过网络远程监测逆变设备的状态信息并尽快进行故障排查。

已经可以实现本项目立项的初始目标。

5.结束语
项目通过WPF开发的上位机软件，可以把该系统的架构移植到各种手持式监测管理设备上，使其能够真正通过多平台的控制来渗透和完善整个监测体系。

最终实现多平台互通、互联、便捷高效的远端监测管理系统。

本项目历时一年顺利完成，希望能得到支持，为实际的工业应用提供可靠的技术支持及参考价值。

参考文献：
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[2]李涛，夏浪. 基于WPF及WWF的电能质量监测系统表现层设计[J].计算技术与自动化，2009，28（3）：123-126.
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