CN111835282B - 一种全彩阵列式led微型模拟光伏发电监测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统，是电力系统微型动态模拟实验室的重要组成，包括：全彩阵列式LED灯盘、可调直流稳压电源、微型模拟光伏发电监测与控制一体机、标准化接线端子排和GPS模块天线，全彩阵列式LED灯盘安装于机柜表面，其余元件均封装于机柜内部。该系统可工作于等时间尺度运行模式、倍速时间尺度运行模式和缓速时间尺度运行模式，依据模拟实验要求动态仿真电力系统真实光伏发电装置的运行和控制特性，支持GPS信号进行授时定位，能够与服务器进行网络数据的双向实时传输。它具有模拟精度高、接口统一、集成度高、响应速度快、控制性能好、网络传输稳定、操作简便、与服务器应用程序无缝集成的优点。

Description

一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统

技术领域

本发明涉及电力系统微型动态模拟技术领域，尤其涉及一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统。

背景技术

随着光伏发电技术成本不断降低，小型化、民用化、海量分布的光伏发电装置接入电力系统，必将对传统电力系统的安全稳定产生影响，光伏发电物理模拟技术的发展尤为关键。通常光伏发电模拟方法分为数字仿真方法和物理模拟方法。

数字仿真方法是将光伏发电装置等效为一组微分代数方程，同其它电力系统元件集成在一个虚拟的程序平台中，用户可以根据需要，模拟任意时间尺度的光伏发电过程。实际模拟中，程序模拟依赖于程序内含的的数学模型，在新型光伏发电材料和技术诞生的初期，由于物理特性尚不明确，数字仿真方法无法精确的仿真其动态行为。

物理模拟方法模拟光伏发电时，保留光伏电池板这一核心元件，在实验室内利用模拟自然光灯泡照射光伏电池板，进而产生满足实验要求的电能。模拟用光伏发电板容量按照实际光伏发电装置容量成比例缩小。物理模拟实验形象直观，物理概念清晰；然而，传统物理模拟方法中，电力系统模拟光伏发电装置由光伏电池板、模拟自然光灯泡、监测控制系统以及相关的辅助装置构成。实际应用中造价高、占地广、调控困难、维护复杂、扩展性差；模拟百kW级别发电能力的情况下，由于光伏电池板能量转换效率较低(最高不超过15％)，导致需要的光伏电池面积较大，需要的模拟自然光灯泡容量至少是光伏电池板容量的十倍，普通实验室内很难满足大容量模拟自然光灯泡的散热条件；电力系统微型动态模拟实验中，模拟元件需要依据系统的要求，调节其输出功率，利用模拟自然光灯泡的方法调节功率输出的过程较为繁琐，且时间精度较差。以上各原因都导致传统的光伏发电物理模拟装置难以满足现代电力系统的模拟需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统。

本发明提供的全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统，包括微型模拟光伏发电监测与控制一体机，其中，

所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机包括微处理器、双通道模块电源、GPS授时定位模块、继电器单元和网络通信单元；

所述微处理器连接网络通信单元、所述网络通信单元通过标准化接线端子排连接可调直流稳压电源，所述网络通信单元通过所述标准化接线端子排连接到服务器；

所述微处理器通过所述标准化接线端子排连接GPS授时定位模块和全彩阵列式LED灯盘；所述微处理器通过控制线控制所述继电器单元；

所述双通道模块电源包含两个电源输出通道，其中一个电源输出通道向所述微处理器、所述GPS授时定位模块、所述网络通信单元和所述全彩阵列式LED灯盘供电，另一个电源输出通道向所述继电器单元供电；

所述GPS授时定位模块通过所述标准化接线端子排连接GPS模块天线；

所述微处理器接收所述GPS授时定位模块的时间信息，并形成同步、倍速或者缓速于时间信息的模拟实验时间，所述微处理器按照同步、倍速或者缓速的模拟实验时间控制模拟进行。

优选的，所述全彩阵列式LED灯盘由按8行18列阵列排列于灯盘底座的的144个全彩色LED灯珠构成，所述全彩色LED灯珠设置有5个引脚：正极、负极、RGB(红、绿、蓝)控制引脚，所述正极通过正极供电总线且所述负极通过负极供电总线连接于所述双通道模块电源的一个电源输出通道，所述RBG(红、绿、蓝)控制引脚分别通过红色串行控制总线绿色串行控制总线，蓝色串行控制总线连接于所述标准化接线端子排，进而连接到所述微处理器。

优选的，所述全彩阵列式LED灯盘分为由5行、18列所述全彩色LED灯珠构成的输出功率数字显示区，由3行、6列所述全彩色LED灯珠构成的电源状态显示区、通信状态显示区以及功率调整状态显示区，所述输出功率数字显示区内从左至右每三列为一组，供六组，六组依次为不同位级的数字显示区。

优选的，模拟真实光伏发电装置的功率输出特性的所述可调直流稳压电源包括电能输出通道1、电能输出通道2、电源插座以及网络接口，所述可调直流稳压电源内置专用网络通信协议；所述电源插座连接电网，所述网络接口通过所述标准化接线端子排连接到所述网络通信单元，所述电能输出通道1和所述电能输出通道2通过标准化接线端子排连接到负载。

优选的，所述继电器单元包括继电器保护电路、光电耦合电路和继电器，所述微处理器通过控制线控制连接所述光电耦合器，所述光电耦合器连接所述双通道模块电源与所述继电器，所述继电器保护电路直接并接在控制线和信号地之间，所述继电器设置于连接于可调直流稳压电源的逆变器与实验负载之间。

优选的，所述继电器保护电路包括充电电容C1，所述充电电容C1的一端同时接5V电源和电容C4的一端，所述电容C4的另一端接地，所述充电电容C1的另一端同时连接电阻R10的一端和非门控制器U14的输入端，所述电阻R10的另一端接地，所述非门控制器U14的输出端接电阻R8的一端，所述电阻R8的另一端同时接电阻R9的一端和三极管Q1的基极，所述电阻R9的另一端接地，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极接所述光电耦合器的输入端。

优选的，所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机具有两种运行状态：待机运行状态和模拟实验运行状态，所述模拟实验运行状态包括：等时间尺度运行模式、倍速时间尺度运行模式和缓速时间尺度运行模式。

优选的，所述微处理器根据时间因子形成同步、倍速或者缓速于时间信息的模拟实验时间，所述时间因子的范围为1/10-10，所述时间因子控制所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机的模拟实验运行状态。

优选的，所述微处理器通过增量式数字PID控制算法控制可调直流稳压电源的输出。

优选的，所述标准化接线端子排包括强电出线端子、网络接线端子、串口接线端子；所述强电出线端子连接所述可调直流稳压电源与实验负载，所述网络接线端子连接所述网络通信单元与所述可调直流稳压电源，所述网络接线端子连接所述网络通信单元与服务器，所述串口接线端子连接所述微处理器与全彩阵列式LED灯盘，所述串口接线端子连接所述微处理器与GPS授时定位模块。

与相关技术相比较，本发明的一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统具有如下有益效果：

本发明提供的一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统集全彩阵列式LED灯盘、可调直流稳压电源、标准化接线端子排、微型模拟光伏发电监测与控制一体机于一体，极大程度上缩小了模拟单元的体积；利用可调直流稳压电源替代了传统模拟自然光灯泡和光伏电池板的组合，灯泡的排除降低了散热要求，本发明能够根据模拟要求，实时高精度地调节可调直流稳压电源来调整模拟光伏发电的输出功率，调节灵活、准确；所述微处理器通过依据时间因子与GPS授时定位模块生成的模拟实验时间来发送执行控制指令，实现同步，倍速缓速的模拟；全彩阵列式LED灯盘向实验人员提供了更为明晰和直观的灯光信号；微处理器和网络通信单元实现了本发明和服务器间监测数据和控制命令的双向连接；本发明作为电力系统真实光伏发电装置的微型物理模拟单元，既可以独立运行以模拟光伏发电装置的运行控制特性，也可以配合其他微型物理模拟元件来完成电力系统层级的物理模拟实验。

附图说明

图1为本发明全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统的总体结构图；

图2为全彩阵列式LED灯盘结构图；

图3为标准化接线端子排结构图；

图4为可调直流稳压电源输出面板示意图；

图5为微型模拟光伏发电监测与控制一体机结构图；

图6为继电器单元接线图；

图7为继电器保护电路接线图；

图8为LM358芯片接线图；

图9为微型模拟光伏发电监测与控制一体机程序架构图；

图10为网络通信接口1上行数据包格式解析图；

图11为网络通信接口1下行数据包格式解析图；

图12为网络通信接口2上行数据包格式解析图；

图13为网络通信接口2下行数据包格式解析图；

图14为微型模拟光伏发电监测与控制一体机工作模式；

图15为微型模拟光伏发电实验原理图。

图中标号：1、输出功率数字显示区，2、电源状态显示区，3、通信状态显示区、4、功率调整状态显示区。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供的一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统，是电力系统微型动态模拟实验室的重要组成单元，用于模拟电力系统真实光伏发电装置的动态输出特性。如图1所示，所述全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统包括：显示全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统的运行状态的全彩阵列式LED灯盘、用于模拟真实光伏发电装置的功率输出特性的可调直流稳压电源、负责监测与控制的微型模拟光伏发电监测与控制一体机、设置有强电出线端子、网络接线端子、串口接线端子的标准化接线端子排，所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机通过所述标准化接线端子排连接所述全彩阵列式LED灯盘、所述可调直流稳压电源和所述GPS模块天线，在具体实时过程中，所述全彩阵列式LED灯盘安装于机柜表面供实验人员观测，所述标准化接线端子排设置于机柜表面方便与其他实验器件连接，所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机和所述可调直流稳压电源封装于机柜内部。

如图3所示，标准化接线端子排采用标准化结构设计包括：强电出线端子、网络接线端子、串口接线端子。所述强电出线端子用于所述可调直流稳压电源与负载的连接；所述网络接线端子至少包括网口1和网口2，所述网口2用于所述实现微型模拟光伏发电监测与控制一体机同服务器间网络信息的双向通信，所述网口1用于实现所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机同所述可调直流稳压电源间网络信息的双向通信；所述串口接线端子至少包括串口1和串口2，所述串口2用于实现所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机对GPS授时定位模块数据的接收，所述串口1用于实现所述微型模拟光伏发电检测与控制一体机对所述全彩阵列式LED灯盘4个区域的亮灭及颜色控制。

参阅图2所示，所述全彩阵列式LED灯盘包括144个全彩色LED灯珠和灯盘底座，所述全彩色LED灯珠设置有5个引脚，5个引脚分别为正极、负极、RGB(红、绿、蓝)控制引脚，所述全彩色LED灯珠均焊接于所述灯盘底座上，且以18列8行的阵列排列，所述灯盘底座将144个全彩色LED灯珠的正极、负极、红、绿、蓝色控制引脚分别进行汇聚，分别形成正极供电通道、负极供电通道、红色串行控制总线、蓝色串行控制总线、绿色串行控制总线。所述红色串行控制总线、蓝色串行控制总线、绿色串行控制总线连接于所述标准化接线端子排的串口接线端子的串口1。所述正极供电通道和负极供电通道连接于所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机中的双通道模块电源。

所述全彩阵列式LED灯盘依据显示功能区分分为输出功率数字显示区、电源状态显示区、通信状态显示区以及功率调整状态显示区，其中，所述输出功率数字显示区由5行、18列共计90个所述全彩色LED灯珠构成，该区域内从左至右每三列为一组，供六组，六组依次为不同位级的数字显示区，分别为：百位区、十位区、个位区、小数点区、十分位区、百分位区。所述电源状态显示区、所述通信状态显示区以及所述功率调整状态显示区排列设置于述输出功率数字显示区的下侧，所述电源状态显示区、所述通信状态显示区以及功率调整状态显示区分别由3行6列共计18个所述全彩色LED灯珠构成。

如图5所示，所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机包括：微处理器、网络通信单元、双通道模块电源、GPS授时定位模块、功率放大单元和继电器单元。

所述微处理器连接于所述网络通信单元，所述网络通信单元通过所述标准化接线端子排的网络接线端子中的网口1连接可调直流稳压电源，所述网络通信单元通过所述标准化接线端子排的网络接线端子中的网口2连接服务器。

所述微处理器通过控制线连接所述串口接线端子的串口1，所述微处理器通过所述串口1连接所述红色串行控制总线、蓝色串行控制总线、绿色串行控制总线，所述微处理器控制所述全彩色LED的发光。当所述全彩阵列式LED灯盘有稳定电源供给时，所述微处理器控制电源状态显示区全绿色显示；当所述全彩阵列式LED灯盘无电源供给时，电源状态显示区熄灭；当所述全彩阵列式LED灯盘电源供给不稳定时，所述微处理器控制电源状态显示区全红色显示；当所述可调直流稳压电源与所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机建立稳定网络传输信道时，所述微处理器控制通信状态显示区全绿色显示；当所述可调直流稳压电源未与所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机建立稳定网络传输信道时，所述微处理器控制通信状态显示区全红色显示；当所述可调直流稳压电源输出功率持续增加时，所述微处理器控制功率调整状态显示区为全红色显示；当所述可调直流稳压电源输出功率持续减少时，所述微处理器控制功率调整状态显示区为全绿色显示；当所述可调直流稳压电源输出功率维持不变时，所述微处理器控制功率调整状态显示区为全蓝色显示。从而通过所述全彩阵列式LED灯盘显示系统的运行状态，如果实验过程中遇到问题方便判断问题原因。

所述双通道模块电源设置有电源输出通道1和电源输出通道2，其中所述电源输出通道1向微处理器、网络通信单元、GPS授时定位模块、GPS模块天线供电，同时，所述电源输出通道1通过连接所述正极供电通道、负极供电通道向所述全彩阵列式LED灯盘供电，供电电压为5V；所述电源输出通道2向所述继电器单元提供12V电压。

如图4所示，可调直流稳压电源包括四个接口：电能输出通道1、电能输出通道2、电源插座和网络接口，所述可调直流稳压电源内置专用网络通信协议。所述电源插座连接电网，所述电网为标准220V标准单相交流市电网，所述网络接口通过所述标准化接线端子排的网口1连接到所述网络通信单元，所述电能输出通道1和所述电能输出通道2通过标准化接线端子排的强出线端子连接到负载。所述电能输出通道1和所述电能输出通道2不共地，采用物理隔离保证相互独立，直流电压输出范围均应涵盖0-300V，直流电流输出范围均应涵盖0-10A，电压及电流响应时间均应小于100微秒。

所述GPS授时定位模块从所述GPS模块天线接收GPS授时定位信息，并将其实时传输至所述微处理器，所述GPS授时定位信息包括：年、月、日、时、分、秒、经度、纬度和同步状态，授时定位信息的接收频率为1MHz。所述微处理器接受所述GPS授时定位模块的时间信息，并形成同步、倍速或者缓速于时间信息的模拟实验时间，所述微处理器按照同步、倍速或者缓速的模拟实验时间发送所述可调直流稳压电源的控制指令。

参阅图6所示，所述继电器单元包括继电器保护电路、光电耦合电路和继电器，所述微处理器通过四路控制线直接连接四路光电耦合器，每个所述光电耦合器控制一个所述继电器，四个所述继电器分别控制A相、B相、C相、N相交流电路(可调直流稳压电源连接的逆变器所输出的交流电的输出通路)的闭合或断开。光电耦合器保证了信号侧弱电部分和控制侧强电部分的物理隔离，提升了系统的安全性；公共保护电路直接并接在四路控制线和信号地之间。

参阅图7所示，所述继电器保护电路包括充电电容C1，所述充电电容C1的一端同时接5V电源和电容C4的一端，所述电容C4的另一端接地，所述充电电容C1的另一端同时连接电阻R10的一端和非门控制器U14的输入端，所述电阻R10的另一端接地，所述非门控制器U14的输出端接电阻R8的一端，所述电阻R8的另一端同时接电阻R9的一端和三极管Q1的基极，所述电阻R9的另一端接地，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极接所述光电耦合器的输入端。系统上电初期，所述充电电容C1电量未充满，电流经所述充电电容C1流过限流的所述电阻R10并最终流入信号地GND，此时所述非门控制器U14的左端为高电平即数字1，右端为低电平即数字0，所述三极管Q1的基极和发射极之间电压差为0，基极没有电流流入，导致集电极Prot也没有电流流入，而集电极Prot直接连接光电耦合器的输入端，因此光电耦合器输入电流为0，光电耦合器始终断开，不受所述微处理器控制，从而避免所述继电器在系统上电初期发生误动。

系统上电一段时间后，所述充电电容C1充电完成，没有电流从所述充电电容C1经限流的所述电阻R10流入GND，此时所述非门U14的左端为低电平即数字0，右端为高电平即数字1，所述三极管Q1基极和发射极之间电压差为5V，所述三极管Q1导通，基极有电流流入所述三极管Q1，集电极Prot也有电流流入所述三极管Q1，而集电极Prot直接连接所述光电耦合器的输入端，因此所述光电耦合器允许输入电流流通，所述继电器的状态受所述微处理器控制。实验过程中，所述继电器接设置于所述可调直流稳压电源连接的逆变器与实验负载之间。根据负载情况，向所述微处理器输入电流电压阈值，逆变器输出到达阈值时，所述微处理器控制所述光电耦合器，所述光电耦合器控制所述继电器断开。

如图8所示为功率放大单元LM358接线图，8号引脚接12V直流电源，4号引脚接信号地，LM358与所述微处理器中的数字模拟转器共地以保证LM358和数字模拟转换器具有相同的参考电平。LM358的1号引脚、2号引脚、3号引脚共同组成运算放大器，1号引脚直接连接数字模拟转换器的正极，2号引脚和输出3号引脚短接后再输出。运算放大器工作的过程中正极输入引脚1和负极输入引脚2等效为短接状态，2号和3号引脚短接，进而引脚1的输入电平总是等于引脚3的输出电平。在保证输入电压和输出电压值相同的情况下，有效地提高了所述微处理器中的数字模拟转换器的带载能力。

具体实施过程中，微处理器采用基于ARMCortex-M4内核的STM32F407微处理器，内部时钟频率高达168MHz，内置3个12位精度的模拟-数字转换器，2个12位精度的数字-模拟转换器，6个串行总线通信接口。

通过以μC/OS-III实时操作系统作为平台的控制程序控制所述微处理器的运行。

如图9所示为微型模拟光伏发电监测与控制一体机程序架构图，该程序基于μC/OS-III嵌入式操作系统，并将lwIP网络协议栈移植进入该操作系统。程序采用多线程处理方式运行，分为系统线程和用户自定义线程两个部分。系统线程包括初始化线程，该线程仅在所述微处理器上电后执行一次，任务包括时钟初始化、外设使能和创建用户自定义线程，该线程在执行结束后则被挂起而不再被调用；用户自定义线程包括灯盘显示线程、GPS授时定位线程、串口接收线程、串口发送线程、网络接收线程、网络发送线程、模拟实验线程和输出控制线程，系统线程执行完毕后，用户自定义线程由操作系统管理，依据系统设定进行循环执行。

其中，串口发送线程用于完成所述微处理器对所述全彩阵列式LED灯盘的控制，所述微处理器通过内置串行总线通信接口，所述串行总线通信接口连接到所述全彩阵列式LED灯盘的红色串行控制总线、蓝色串行控制总线、绿色串行控制总线，所述微处理器连接所述全彩阵列式LED灯盘，完成对灯盘4个区域的全彩色LED灯珠的亮灭控制；串口接收线程用于控制微处理器的内置串行总线2通信接口完成来自GPS模块天线和GPS授时定位模块上传信息的接收、校验、解析和存储，数据接收频率为1MHz；网络接收线程基于lwIP网络协议栈进行二次开发，支持UDP通信方式和TCP通信方式，实现了所述微处理器对所述可调直流稳压电源上传的网络数据的接收，具体网络数据接收格式如图10所示，单个数据包总长度为3字节，包括可调直流稳压电源的输出功率实时值。实现了所述微处理器向服务器上传网络数据的传递，具体网络数据接收格式如图12所示，单个数据包总长度为16字节，包括：年、月、日、时、分、秒、秒内编号，可调直流稳压电源的输出功率实时值；网络发送线程基于lwIP网络协议栈进行二次开发，支持UDP通信方式和TCP通信方式，实现了所述微处理器发送网络数据至可调直流稳压电源的功能，具体网络数据接收格式如图11所示，单个数据包总长度为3字节，包括所述可调直流稳压电源的输出功率控制值，由微型模拟光伏发电监测与控制一体机发送至所述可调直流稳压电源，控制所述可调直流稳压电源的输出功率。实现了所述微处理器接收服务器发出的网络数据，具体网络数据接收格式如图13所示，单个数据包总长度为79字节，包括：实验开始时刻(年、月、日、时、分、秒、秒内编号)，实验结束时刻(年、月、日、时、分、秒、秒内编号)，数据数量，工作模式，时间因子，功率数据内容。

其中，数据数量为本次模拟实验过程中可调直流稳压电源需要模拟输出的功率点个数，最大支持数据数量为65536。工作模式取值可为0、1、2，0表示等时间尺度工作模式，1表示倍速时间尺度工作模式，2表示缓速时间尺度工作模式。时间因子仅在倍速时间尺度工作模式和缓速时间尺度工作模式下有效，取值范围为1/10-10。倍速时间尺度工作模式下，模拟实验时间和GPS信号时间的进行速度比在1/10-1之间；缓速时间尺度工作模式下，模拟实验时间和GPS信号时间的进行速度比在1-10之间，具体实现方式为所述微处理器根据所述时间因子乘以所述GPS授时定位模块传递的时间信息生成相应的模拟实验时间，所述微处理器按照模拟实验时间从所述可调直流稳压电源获取实施输出功率功率并传递给所述服务器，所述微处理器按照模拟实验时间从所述服务器获取控制指令，所述微处理器按照模拟实验时间控制所述可调直流稳压电源执行控制指令。数据内容为本次模拟实验过程中可调直流稳压电源需要模拟输出的功率值，单个数据包中数据内容最长18字节，包括6个功率值，若模拟实验的数据内容长于18字节，则可分别存储在不同数据包中，依次由服务器发送给微型模拟光伏发电监测与控制一体机。

如图14所示为微型模拟光伏发电监测与控制一体机的工作模式示意图，分为待机运行和模拟实验运行两种工作状态。

待机运行状态下，服务器未向一体机发送实验数据，模拟实验尚未开始，所述微处理器仅完成GPS授时定位信号接收，所述微处理器控制所述可调直流稳压电源的输出端电压值和电流值均为0，所述可调直流稳压电源处于待机状态；模拟实验运行状态又分为等时间尺度运行模式、倍速时间尺度运行模式和缓速时间尺度运行模式，等时间尺度运行模式下实验的时间进行速度和GPS信号的时间进行速度一致，完全模拟真实实验的进程；倍速时间尺度运行模式下模拟实验的时间进行速度快于GPS信号的时间进行速度，呈倍数关系，倍数值由时间因子控制，范围介于1/10-1，用于在短时间内模拟实验现象变化缓慢、实验周期较长的实验现象；缓速时间尺度运行模式下模拟实验的时间进行速度慢于GPS信号的时间进行速度，呈倍数关系，倍数值由时间因子控制，范围介于1-10，用于在长时间内精确细腻的模拟某些变化迅速、不利于观察的实验现象。

如图15所示，为全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统的模拟实验原理。所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机实时接收服务器发送的网络信号，当收到模拟实验数据时，判断模拟实验的运行模式，解析并存储模拟实验开始时刻、时间因子以及若干所述可调直流稳压电源的输出功率目标值；同时，微型模拟光伏发电监测与控制一体机实时接收GPS授时定位信号，并将GPS时刻与模拟实验开始时刻进行比较，当GPS时刻与模拟实验开始时间一致时，模拟实验即开始，且模拟实验按照由GPS时间与时间因子确定的模拟实验时间来进行，所述可调直流稳压电源依据实验要求输出指定电压和电流，控制全彩阵列式LED灯盘实时显示可调直流稳压电源的输出功率，所述可调直流稳压电源的输出功率目标值输出完成模拟实验即结束。

等时间尺度运行模式、倍速时间尺度运行模式和缓速时间尺度运行模式三者区别仅在于模拟实验进行的速度不同，实验原理完全一致。实验开始前，微处理器默认输出值为0的功率控制中间量至可调直流稳压电源，可调直流稳压电源不向外部系统输出功率，处于待机运行状态；模拟实验开始后，微处理器将可调直流稳压电源的实时输出功率与输出功率目标值进行比对，若二者不相等，则所述微处理器将二者相减的结果作为输入量执行增量式数字PID控制算法，修正可调直流稳压电源的功率控制中间量，进而改变可调直流稳压电源的输出电压和输出电压值，最终调整可调直流稳压电源的输出功率，直至与输出功率目标值相等。

网络通信数据的接收频率为1MHz，所述微处理器每接收一次可调直流稳压电源上传数据完成一次增量式PID控制算法，也即增量式数字PID控制算法的执行频率为1MHz；在对控制速度要求最高的倍速时间尺度运行模式下，输出功率目标值的调整频率值最高为10Hz。因此，增量式数字PID控制算法对功率控制中间量的调整速度是输出功率目标值调整速度的100000倍，保证所述可调直流稳压电源的输出功率依据模拟实验的精度要求和速度要求进行跟踪调整，最终实现对于电力系统实际光伏发电装置的动态模拟。

本发明提供的一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统集全彩阵列式LED灯盘、可调直流稳压电源、标准化接线端子排、微型模拟光伏发电监测与控制一体机于一体，极大程度上缩小了模拟单元的体积；利用可调直流稳压电源替代了传统模拟自然光灯泡和光伏电池板的组合，灯泡的排除降低了散热要求，本发明能够根据模拟要求，实时高精度地调节可调直流稳压电源来调整模拟光伏发电的输出功率，调节灵活、准确；所述微处理器通过依据时间因子与GPS授时定位模块生成的模拟实验时间来发送执行控制指令，实现同步，倍速缓速的模拟；全彩阵列式LED灯盘向实验人员提供了更为明晰和直观的灯光信号；微处理器和网络通信单元实现了本发明和服务器间监测数据和控制命令的双向连接；本发明作为电力系统真实光伏发电装置的微型物理模拟单元，既可以独立运行以模拟光伏发电装置的运行控制特性，也可以配合其他微型物理模拟元件来完成电力系统层级的物理模拟实验。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统，其特征在于，包括微型模拟光伏发电监测与控制一体机，其中，

所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机包括微处理器、双通道模块电源、GPS授时定位模块、继电器单元和网络通信单元；

所述微处理器连接网络通信单元、所述网络通信单元通过标准化接线端子排连接可调直流稳压电源，所述网络通信单元通过所述标准化接线端子排连接到服务器；

所述微处理器通过所述标准化接线端子排连接所述GPS授时定位模块和全彩阵列式LED灯盘；所述微处理器通过控制线控制所述继电器单元；

所述双通道模块电源包含两个电源输出通道，其中一个电源输出通道向所述微处理器、所述GPS授时定位模块、所述网络通信单元和所述全彩阵列式LED灯盘供电，另一个电源输出通道向所述继电器单元供电；

所述GPS授时定位模块通过所述标准化接线端子排连接GPS模块天线；

所述微型模拟光伏发电监测与控制一体机具有两种运行状态：待机运行状态和模拟实验运行状态，所述模拟实验运行状态包括：等时间尺度运行模式、倍速时间尺度运行模式和缓速时间尺度运行模式；

待机运行状态下，服务器未向一体机发送实验数据，模拟实验尚未开始，所述微处理器仅完成GPS授时定位信号接收，所述微处理器控制所述可调直流稳压电源的输出端电压值和电流值均为0，所述可调直流稳压电源处于待机状态；

模拟实验运行状态收到模拟实验数据时，判断模拟实验的运行模式，解析并存储模拟实验开始时刻、时间因子以及若干所述可调直流稳压电源的输出功率目标值，时间因子表示模拟实验时间和GPS信号时间的进行速度比，所述时间因子的范围为1/10-10；同时，微型模拟光伏发电监测与控制一体机实时接收GPS授时定位信号，并将GPS时刻与模拟实验开始时刻进行比较，当GPS时刻与模拟实验开始时间一致时，模拟实验即开始，且模拟实验按照由GPS时间与时间因子确定的模拟实验时间来进行，所述微处理器根据时间因子形成同步、倍速或者缓速于时间信息的模拟实验时间；所述可调直流稳压电源依据实验要求输出指定电压和电流，模拟实验开始后，微处理器将可调直流稳压电源的实时输出功率与输出功率目标值进行比对，若二者不相等，则所述微处理器将二者相减的结果作为输入量执行增量式数字PID控制算法，修正可调直流稳压电源的功率控制中间量，进而改变可调直流稳压电源的输出电压和输出电压值，最终调整可调直流稳压电源的输出功率，直至与输出功率目标值相等；

网络通信数据的频率使增量式数字PID控制算法对功率控制中间量的调整速度远大于输出功率目标值调整速度，保证所述可调直流稳压电源的输出功率依据模拟实验的精度要求和速度要求进行跟踪调整。

2.根据权利要求1所述的一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统，其特征在于，所述全彩阵列式LED灯盘由按8行18列阵列排列于灯盘底座的144个全彩色LED灯珠构成，所述全彩色LED灯珠设置有5个引脚：正极、负极、RGB（红、绿、蓝）控制引脚，所述正极通过正极供电总线，所述负极通过负极供电总线连接于所述双通道模块电源的一个电源输出通道，所述RGB（红、绿、蓝）控制引脚分别通过红色串行控制总线、绿色串行控制总线、蓝色串行控制总线连接于所述标准化接线端子排，进而连接到所述微处理器。

3.根据权利要求2所述的一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统，其特征在于，所述全彩阵列式LED灯盘分为由5行、18列所述全彩色LED灯珠构成的输出功率数字显示区，由3行、6列所述全彩色LED灯珠构成的电源状态显示区、通信状态显示区以及功率调整状态显示区，所述输出功率数字显示区内从左至右每三列为一组，共六组，六组依次为不同位级的数字显示区。

4.根据权利要求1所述的一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统，其特征在于，模拟真实光伏发电装置的功率输出特性的所述可调直流稳压电源包括电能输出通道1、电能输出通道2、电源插座以及网络接口，所述可调直流稳压电源内置专用网络通信协议；所述电源插座连接电网，所述网络接口通过所述标准化接线端子排连接到所述网络通信单元，所述电能输出通道1和所述电能输出通道2通过标准化接线端子排连接到负载。

5.根据权利要求1所述的一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统，其特征在于，所述继电器单元包括继电器保护电路、光电耦合器和继电器，所述微处理器通过控制线控制连接所述光电耦合器，所述光电耦合器连接所述双通道模块电源与所述继电器，所述继电器保护电路直接并接在控制线和信号地之间，所述继电器设置于可调直流稳压电源的逆变器与实验负载之间。

6.根据权利要求5所述的一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统，其特征在于，所述继电器保护电路包括充电电容C1，所述充电电容C1的一端同时接5V电源和电容C4的一端，所述电容C4的另一端接地，所述充电电容C1的另一端同时连接电阻R10的一端和非门控制器U14的输入端，所述电阻R10的另一端接地，所述非门控制器U14的输出端接电阻R8的一端，所述电阻R8的另一端同时接电阻R9的一端和三极管Q1的基极，所述电阻R9的另一端接地，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极接所述光电耦合器的输入端。

7.根据权利要求1所述的一种全彩阵列式LED微型模拟光伏发电监测与控制系统，其特征在于，所述标准化接线端子排包括强电出线端子、网络接线端子、串口接线端子；所述强电出线端子连接所述可调直流稳压电源与实验负载，所述网络接线端子连接所述网络通信单元与所述可调直流稳压电源，所述网络接线端子连接所述网络通信单元与服务器，所述串口接线端子连接所述微处理器与全彩阵列式LED灯盘，所述串口接线端子连接所述微处理器与GPS授时定位模块。