CN103633936A - 一种光伏汇流箱自动测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏汇流箱自动测试系统，至少包括直流电流测试部分和通讯部分，还可以包括直流电压测试部分和温度采集部分。用以解决现有光伏汇流箱量产过程中，测试完全依靠人力测试陈本高、效率低的问题，效果良好。

Description

一种光伏汇流箱自动测试系统

技术领域

本发明涉及自动测试的技术领域，尤其涉及一种光伏汇流箱量产的自动测试系统。

背景技术

光伏汇流箱是组建光伏并网发电系统的必备装置，它在完成光伏组串汇流功能的同时，另外一个作用是采集箱内各种参量如各路组串电流、母线电压、箱内温度、防雷器状态等数据并通过总线上传至光伏电站监控室（通讯后台），能在突发故障时向后台发送警报信号并自动执行相应地故障保护动作。

光伏汇流箱因其自身的结构和特性致其生产测试有（施加在母排上的高压易致触电伤害）的特点。如果量产测试环节完全以人力方式进行不仅成本高、效率低，且易致测试员疲劳酿成安全事故。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种光伏汇流箱自动测试设备，用以解决现有光伏汇流箱量产过程中，测试完全依靠人力测试陈本高、效率低的问题。

本发明提供的一种光伏汇流箱自动测试系统，至少包括直流电流测试部分和通讯部分；

所述直流电流测试部分包括标准直流电流源和自动测试工装，所述自动测试工装内的电流通道投切电路将所述标准直流电流源接入光伏汇流箱的电流采集通道，从而构成电流测试回路；

所述通讯部分包括用于连接上位机的通讯总线，所述通讯总线连接所述自动测试工装，通讯总线还包括用于与光伏汇流箱的数据采样电路连接的通讯接口。

还包括直流电压测试部分，所述直流电压测试部分包括标准直流电压源和所述的自动测试工装，所述自动测试工装内的电压通道投切电路将所述标准直流电压源接入光伏汇流箱的电压采集通道，从而构成电压测试回路。

还包括温度测试部分，所述温度测试部分包括用于放置在光伏汇流箱内的温度采集装置；

所述温度测试部分还含有用于连接通讯总线的通讯接口。

所述电流通道投切电路包括一组控制开关，控制开关的数量不少于待测电流通道的数量，各控制开关的一端并接、用于连接标准直流电流源的一极，各控制开关的另一端分别对应连接自动测试工装的各电流通道测试端子，所述电流通道测试端子用于连接光伏汇流箱的采样通道端子。

所述电压通道投切电路包括两个开关，所属开关一端连接标准直流电压源，另一端用于连接光伏汇流箱采样电路的母线。

还包括供电电源，所述供电电源通过所述自动测试工装供电连接所述光伏汇流箱的数据采样电路。

本发明将光伏汇流箱的生产测试方式由手动变为自动，降低了生产成本和人力消耗，自动测试工装免去了繁琐的接线操作并能在计算机的控制下自动执行测试，测试员的工作并不多，显著降低了人力消耗成本，生产效率也得到显著提高。

另外，本系统将标准电流源、标准电压源作为测试通道的输入信号，由上位机通过比较标准源信号和测试通道的输出信号来检测光伏汇流箱的采样通道，并由人机交互界面显示输出测试结果。本系统提高了出厂产品的可靠性，产品测试结果的评判由计算机代替人脑进行，测试员仅需要通过计算机界面直接读取产品合格或不合格的最终测试结果，大大降低了误判的可能性。由于具体的操作动作由自动测试工装来执行，测试员除了监视软件界面和按下软件按钮外并不直接参与测试过程，一些潜在危险如触电被有效避免。

附图说明

图1是本发明的整体测试流程示意图；

图2是本发明端子接线示意图；

图3是本发明上位机软件的程序流程图。

具体实施例

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的方案至少包括直流电流源测试部分和通讯部分。直流电流测试部分包括标准直流电流源和自动测试工装，所述自动测试工装内的电流通道投切电路将所述标准直流电流源接入光伏汇流箱的电流采集通道，从而构成电流测试回路。光伏汇流箱的数据采样电路通过通讯总线将采样值上传至上位机，上位机通过比较标准直流电压源和采样值检测电流采样通道。

如图1给出了一种优选的实施例，它包括三大部分：温度测试部分、直流电流测试部分、直流电压测试部分；另外通讯部分也是正常工作不可缺少的部分。

直流电流测试部分包括标准直流电流源和自动测试工装，所述自动测试工装内的电流通道投切电路将所述标准直流电流源接入光伏汇流箱的电流采集通道，从而构成电流测试回路；直流电压测试部分包括标准直流电压源和所述的自动测试工装，所述自动测试工装内的电压通道投切电路将所述标准直流电压源接入光伏汇流箱的电压采集通道，从而构成电压测试回路。

测试系统端子接线如图2所示。当测试光伏汇流箱各电流通道的采样功能时，电流源输出端I+处的开关器件断开，Iout-处的开关器件闭合，电流通道投切电路的一组控制开关中各控制开关的一端并接、用于连接标准直流电流源I+，各控制开关的另一端分别连接自动测试工装的电流通道测试端子，电流通道测试端子如图2中所述自动测试工装上的白正方，所述电流通道测试端子用于连接光伏汇流箱采样通道端子，光伏汇流箱采样通道端子如图2中所示光伏汇流箱的汇流电路中的白方块，光伏汇流箱采样通道端子在使用时用于连接光伏电池。汇流电路中的黑方块为光伏汇流箱各采样通道的采样电阻，采样电阻所测的采样值通过电流采样信号传输带缆传输给光伏汇流箱的数据采样电路，并由通讯总线上传给上位机。

测试方法为：上位机发送控制命令给自动测试工装，自动测试工装内置的微控制器通过控制第i路开关的闭合来控制光伏汇流箱的第i路采集通道采样电流信号，由通讯总线将该电流信号上传至上位机，上位机通过比较标准直流电流源和采样电流信号来检测光伏汇流箱的电流通道。

该实施例中的通道投切电路选用的是一组控制开关，这样做的好处是可以选用一个比较小的标准直流电压源，测试过程中通过顺次开通一个控制开关来测试相应的采集通道。作为其他实施方式，比如当标准直流电流源比较大时，通道投切电路还可以选用一个控制开关同时控制所有采集通道的闭合，同时检测所有的采集通道，这也在我们的保护范围之内。

当所有电流通道测试完毕开始测试电压通道时，先闭合I+处的开关器件，再断开Iout-处的开关器件，接着断开所有电流支路的开关器件，最后闭合直流电压源输出端U+、U-处的两个开关器件，将标准直流电压源的输出输送给汇流箱的电压采样通道中，然后由光伏汇流箱的采样电路采集电压信号，并将该电压信号通过通讯总线上传至上位机，由上位机比较该电压信号和标准直流电压源信号来检测光伏汇流箱的电压通道。

温度测试部分包括如图1中所述的放置于光伏汇流箱内温度采集装置，温度采集装置上安装有通讯接口芯片和多个数字式温度采集芯片，该温度采集装置测得的精确温度采样值以及光伏汇流箱测得的温度值经通讯总线上传至上位机，由上位机比较精确温度采样值和光伏汇流箱测得的温度信号可以检验光伏汇流箱的温度检测精度。

该测试系统还包括供电电源，所述供电电源通过所述自动测试工装内的一组控制开关供电连接所述光伏汇流箱的数据采样电路，采样电路采集供电电源信号并由通讯总线上传至上位机。

具体的，一个完善的测试步骤以及相关器件选型、参数选取等内容如下：

本测试系统中选用的标准直流电流源、标准直流电压源和供电电源为系统必要组件，可自行设计也可直接选用成品，但要保证能与被测汇流箱产品的电气规格和精度要求相匹配。直流电流源要求在0-10A DC范围内可调，精度达到0.2%。电压源在0-1000V DC范围内可调，精度达到0.1%。供电电源为5V或24V可选，输出功率在20W以上，温度采集装置上安装有通讯接口芯片和多个数字式温度采集芯片，主控芯片通过IIC方式读取温度芯片的采样值，并将采样值通过通讯接口芯片上送至总线，最终传给上位机进行处理。温度采集装置选用的温度采集芯片的采样误差应不超过0.5℃。

光伏汇流箱的输入输出通道连接关系如图2所述，不再赘述，各个开关量信号的测试同样依靠自动测试工装的开关器件进行，测试过程类似，在此不再赘述。

上位机软件在开发时，分通讯和监测两大功能模块进行。在开发通讯处理模块时，可借助Microsoft Visual Studio平台调用其内置的Microsoft Comm Control6.0或更高版本的串口通讯控件来实现对计算机RS232接口的驱动。由于该控件包含了RS232串口的全套处理机制，如设置波特率、校验模式、停止位等参数，并可控制串口数据的收发，在一定程度上简化了程序开发工作。另外通讯处理模块还需移植标准的Modbus总线主站通讯协议，重点是Modbus功能码0x03和0x10（多寄存器读和写）的移植和处理，并且还需移植标准的通讯错误仲裁机制。

前面提到，本系统各个模块间通过通讯总线相互连接，组成了一个小型的总线通讯网络。在具体实现该网络时，可使用带屏蔽层的三芯电缆线以菊花链的方式将各站点通讯接口的A、B、GND和屏蔽连接起来，屏蔽线需要单点接地。运行上位机软件的微型计算机在连接RS232转485接口转换器后，即可作为主站与总线通讯网络连接。被测对象的子站地址设为1（汇流箱产品的出厂默认值），自动测试工装和温度采集装置的子站地址依次设为2、3并保持不变。上位机软件及各通讯子站的通讯参数默认设定值要相同，如主站及各子站的通讯波特率均设为9600Baud、校验均为无校验、停止位均设为1，并存储至各自的存储介质中，以使每次上电可直接建立通讯连接而无需另行设置。

上位机软件的通讯模块被监测模块所调用，是监测模块的重要信息交互手段，两者之间通过通讯触发方式来衔接。本系统的通讯网络采用主站询问，子站应答的方式运行，当上位机不发送报文时各个子站不会返回报文。这就涉及到上位机软件的通讯触发方式，即在什么条件下上位机启动通讯报文发送功能。本系统的上位机主要采用两种通讯触发方式：一是事件触发，主要用于响应测试工程中发生的各种事件。例如单击上位机界面上的启动按钮后即会连续触发三次通讯报文发送，用于测试产品通讯功能；二是定时中断触发，每隔固定的时间周期发送一次报文，该时间周期由通讯参数Scan rate控制，默认值可设为1000ms。实现该触发方式可调用Microsoft Visual Studio平台的Timer控件。主要用于测试过程中对通讯子站的数据参量和状态信息进行例行查询。两种触发方式的优先级不同、定时中断触发优先于事件触发。

开发上位机软件的监测功能模块时，应与汇流想产品详细的测试流程和产品检验依据相结合。实现该功能模块程序的执行流程，可参考以下方式：首先向被测产品连发三次信息帧以测试通讯功能。然后向自动测试工装发送指令控制电流源、电压源断开输出，查看各通道的零漂值，若在合理范围内则执行零漂系数校准操作，各通道校准后的零漂系数通过通讯总线发送给被测对象。然后向自动测试工装发送电流通道切换指令，依次向各电流通道输入校准电流检查电流采样值，若在合理范围则执行各通道的电流增益系数校准操作，把各电流通道校准后的增益系数通过通讯总线发送给汇流箱产品。接着向自动测试工装发送断开电流源输出开启电压源输出的指令，向电压通道输入校准电压，检查电压采样值并执行增益系数校准操作，把电压通道校准后的增益系数通过通讯总线发送给汇流箱产品。零漂系数校准中，上位机软件将读取各个通道的零漂值，并将这些零漂值写入产品的零漂系数寄存器。增益系数校准过程中，上位机软件将计算增益系数，采用的增益系数计算公式为：

A=A'(S-F)/R

A——校准后的增益系数

A’——校准前的增益系数

S——当前通道的采样值

F——当前通道的零漂值

R——当前通道的真实值

在完成所有电流、电压通道的测试和校准后，上位机软件接着读取温度采集模块提供的温度值，计算被测对象温度采样值的误差。如果设置了检查开关量的测试项，系统还会依次对各开入开出通道进行检查，最后给出产品测试是否合格的判断并结束本次测试。上位机软件的程序流程图如图3所示。

自动测试工装的供电电压应与被测对象的供电电压相同，同时两者应并联至供电模块的输出端实现共地。自动测试工装上安装有大量的开关器件，控制电流通道的开关器件应能耐受和分断光伏组串的额定电流值（至少6A DC，建议10ADC）。控制电压通道的开关器件应能耐受和分断光伏组串正负两端的额定电压值（至少600V DC，建议1000V DC）。开关器件的选型可多种多样，如果从设计简单、成本低廉的角度考虑，可直接选用常开型继电器，使用三极管2N3904作为主控芯片和继电器之间的功率驱动器件。如果从触点可靠性和使用寿命的角度出发，建议使用灭弧和分断能力更强的直流接触器作为开关器件。

为了方便实现基于RS485接口的Modbus总线通讯功能，同时考虑到要控制的开关元件数目，自动测试工装的主控芯片建议选用具备UART通讯外设的微控制器芯片。进一步的，微控制器UART外设引出的管脚直接与UART转RS485通讯转换芯片的输入管脚相连，借助通讯转换芯片实现这两种通讯接口的数据格式和信号电平的转换，同时实现两者之间的电气隔离。进一步的，微控制器与数码管和按键相连组成简易的人机界面，用于设定通讯参数的默认值。进一步的，微控制器与EEPROM芯片相连，使用SPI或者IIC的方式与其建立数据传送，用于存储通讯参数的默认设定值或其他辅助信息。

在自动测试工装的微控制器中运行的下位机软件，移植有Modbus子站通讯处理模块，设有能够控制各个开关元件状态的控制字寄存器，同时这些控制字寄存器被一一映射至Modbus通讯协议的寄存器地址空间中。控制字寄存器的每一位对应一个输出管脚的状态，而每一个输出管脚通过功率驱动电路又可以控制某一个开关元件的状态。上位机通过Modbus通讯可以改写这些寄存器的数值，自动测试工装的下位机软件根据这些寄存器的二进制数值控制各个开关元件的状态。由于汇流箱的测试通道较多，标准源的输出只能被各个待测通道分时复用，因此每次只能闭合一个通道断开其他通道。如果1表示某个通道的开关元件闭合，0表示开关元件断开，那么这些控制字寄存器的二进制数值每次也只能有其中1位的值为1，其他各位的值均为0。鉴于此特点，如果选用的微控制器GPIO引脚个数少于要控制的开关器件个数，可以在微控制器外围电路上扩展3-8译码器芯片，下位机软件提前将寄存器数据编码后发送给3-8译码器，再由3-8译码器还原为寄存器数值，借助译码器芯片实现控制引脚个数的扩充。

自动测试工装的下位机软件在控制电流通道的切换操作时，如果控制字寄存器二进制数值的N位突然由1变为0，而N+1位突然由0变为1时，表示待测通道发生了切换，自动测试工装首先闭合N+1位对应通道的开关元件500ms，检测到该通道有数据采样时，再断开N位对应通道的开关元件，这样的好处是能够防止直流电流源的开路故障。当由电流通道切换至电压通道时，则在断开所有电流通道开关元件，确认所有电流通道的采样值为零时，再闭合电压通道的开关元件，这样的好处是防止电流源和电压源的输出通过汇流排短接。

自动测试系统端子接线示意图如图3所示。为简单起见，该图将开关元件用开关符号代替，并忽略了在图1中展示过的上位机和温度采样装置，重点对各采样通道的端子连线方式和切换方式作出示意。当测试光伏汇流箱各电流通道的采样功能时，电流源输出端I+处的开关器件断开，Iout-处的开关器件闭合，各支路电流通道的开关器件按照顺序从第一路至最后一路依次切换开关状态。每次仅有一个支路电流通道的开关闭合而其余支路电流通道的开关均断开，各个支路电流通过各自通道处于闭合状态的开关器件流入母排。各支路电流流入母排前均会流过一个阻值为毫欧级的分流器从而产生毫伏级的电流采样信号，电流采样信号通过排线输入给监测模块生成各支路电流采样值。当所有电流通道测试完毕开始测试电压通道时，先闭合I+处的开关器件，再断开Iout-处的开关器件，接着断开所有电流支路的开关器件，最后闭合直流电压源输出端U+、U-处的两个开关器件，将直流电压源的输出输送给汇流箱的电压采样通道中。各个开关量信号的测试同样依靠自动测试工装的开关器件进行，测试过程类似在此不再赘述。

Claims (6)

1.一种光伏汇流箱自动测试系统，其特征在于，至少包括直流电流测试部分和通讯部分；

所述直流电流测试部分包括标准直流电流源和自动测试工装，所述自动测试工装内的电流通道投切电路将所述标准直流电流源接入光伏汇流箱的电流采集通道，从而构成电流测试回路；

所述通讯部分包括用于连接上位机的通讯总线，所述通讯总线连接所述自动测试工装，通讯总线还包括用于与光伏汇流箱的数据采样电路连接的通讯接口。

2.一种如权利要求1所述的一种光伏汇流箱自动测试系统，其特征在于，还包括直流电压测试部分，所述直流电压测试部分包括标准直流电压源和所述的自动测试工装，所述自动测试工装内的电压通道投切电路将所述标准直流电压源接入光伏汇流箱的电压采集通道，从而构成电压测试回路。

3.一种如权利要求2所述的一种光伏汇流箱自动测试系统，其特征在于，还包括温度测试部分，所述温度测试部分包括用于放置在光伏汇流箱内的温度采集装置；

所述温度测试部分还含有用于连接通讯总线的通讯接口。

4.一种如权利要求1或2或3所述的一种光伏汇流箱自动测试系统，其特征在于，所述电流通道投切电路包括一组控制开关，控制开关的数量不少于待测电流通道的数量，各控制开关的一端并接、用于连接标准直流电流源的一极，各控制开关的另一端分别对应连接自动测试工装的各电流通道测试端子，所述电流通道测试端子用于连接光伏汇流箱的采样通道端子。

5.一种如权利要求2或3所述的一种光伏汇流箱自动测试系统，其特征在于，所述电压通道投切电路包括两个开关，所属开关一端连接标准直流电压源，另一端用于连接光伏汇流箱采样电路的母线。

6.一种如权利要求1或2或3所述的一种光伏汇流箱自动测试系统，其特征在于，还包括供电电源，所述供电电源通过所述自动测试工装供电连接所述光伏汇流箱的数据采样电路。

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