光伏電子工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施賽項(xiàng)研究

劉 偉

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

“光伏電子工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施”是全國(guó)職業(yè)院校技能大賽電子信息大類的一個(gè)常規(guī)賽項(xiàng)。該賽項(xiàng)旨在利用成熟的智慧新能源實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)，突出電子信息技術(shù)在光伏工程技術(shù)中的應(yīng)用，推進(jìn)光伏工程技術(shù)、電子信息技術(shù)等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)新能源領(lǐng)域?qū)I(yè)的建設(shè)與發(fā)展，創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的教育供給環(huán)境，加快新能源產(chǎn)業(yè)亟需的高質(zhì)量技術(shù)技能人才的培養(yǎng)。

智慧新能源實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)由工程環(huán)境模擬平臺(tái)、光伏電子中心控制平臺(tái)和能源互聯(lián)網(wǎng)仿真規(guī)劃平臺(tái)組成。智慧新能源實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)效果圖如圖1所示。

圖1 智慧新能源實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)外形圖

“光伏電子工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施”賽項(xiàng)時(shí)長(zhǎng)為5小時(shí)，采取團(tuán)體比賽形式，每個(gè)參賽隊(duì)由3名選手組成，選手以智慧新能源實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為平臺(tái)，按照競(jìng)賽任務(wù)要求，相互配合，創(chuàng)新性地完成競(jìng)賽任務(wù)[1]。比賽任務(wù)及考核內(nèi)容如表1所示。

表1 比賽任務(wù)及考核內(nèi)容

為了更有效地指導(dǎo)學(xué)生訓(xùn)練，取得更好的成績(jī)，筆者對(duì)“光伏電子工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施”的軟硬件系統(tǒng)、賽題及其評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究，并根據(jù)自身指導(dǎo)學(xué)生訓(xùn)練和參賽的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該賽項(xiàng)試題進(jìn)行解析，詮釋各項(xiàng)目的評(píng)分要點(diǎn)，并指出比賽中值得注意的問(wèn)題。

1 工程規(guī)劃與工程部署

參賽選手在拿到試題后，首先要根據(jù)題目的具體要求，完成電氣原理圖、接線圖等電氣圖的繪制，一般包括微電網(wǎng)系統(tǒng)圖、PLC與繼電器接線圖兩部分，目的是考核選手對(duì)光伏電子工程系統(tǒng)的掌握程度和CAD制圖軟件的應(yīng)用能力。

在工程規(guī)劃中，評(píng)分要點(diǎn)包括：

1）電氣圖的整體設(shè)計(jì)布局是否合理；

2）有無(wú)圖框、標(biāo)題欄；

3）按題目要求，是否缺模塊（繼電器、測(cè)量?jī)x表、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、逆變器、直流和交流負(fù)載、電源和蓄電池），或有模塊但未正確標(biāo)識(shí)；

4）連線的正確與否，重點(diǎn)考核PLC輸出端的電源線路連接、PLC輸出控制端與繼電器線路連接及PLC擴(kuò)展模塊與測(cè)量?jī)x表線路連接；

5）模塊端口（引腳） 有無(wú)名稱標(biāo)識(shí)且正確與否，連接線路有無(wú)編號(hào)標(biāo)識(shí)且正確與否。

值得注意的事項(xiàng)主要有以下幾點(diǎn)：

1）參賽選手應(yīng)熟悉大賽設(shè)備及其組成模塊，并理解掌握智能微電網(wǎng)系統(tǒng)原理；

2）繪圖軟件中一般提供圖框和各種模塊，比賽中要學(xué)會(huì)利用；

3） 善于利用AUTO CAD軟件的復(fù)制粘貼等繪圖功能，提高繪圖速度；

4）在繪圖過(guò)程中養(yǎng)成經(jīng)常保存的習(xí)慣，避免電腦死機(jī)、斷電等意外情況的發(fā)生而造成數(shù)據(jù)丟失；

5）電氣圖一般需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)提前提交，因此需要提前做好檢查和拷貝。

在該賽項(xiàng)中，安裝和接線的工作量是巨大的，為了節(jié)省時(shí)間，其中一名選手繪圖的同時(shí)，另外兩名選手在管控平臺(tái)上安裝器件、固定線槽，然后批量做線（裁線、套管、制作冷壓頭），繪圖選手一般主要接線，其他選手分別作PLC編程、單片機(jī)開發(fā)。

在工程部署與安裝模塊中，評(píng)分要點(diǎn)包括模塊布局合理性與美觀、冷壓端子使用、號(hào)碼管套裝、接線可靠性等幾個(gè)方面。按照部件布局合理程度、線槽長(zhǎng)度合適程度、整體美觀情況分檔評(píng)分；根據(jù)使用冷壓端子數(shù)量、套裝套管數(shù)量分檔評(píng)分；根據(jù)接線端子出現(xiàn)露銅數(shù)量（超過(guò)2 mm），分檔評(píng)分。檢查關(guān)鍵點(diǎn)接線的正確性，主要包括PLC 485通信A、B口連接，工程環(huán)境模擬平臺(tái)與管控平臺(tái)30芯航空電纜、4芯航空通訊電纜的連接[2]。

安裝與接線是一項(xiàng)重要的打分點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)一切功能的基礎(chǔ)，其重要性顯而易見。值得注意的事項(xiàng)主要有兩點(diǎn)：一是要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成安裝與接線任務(wù)，并留有足夠的通電調(diào)試時(shí)間，因此，要合理分工，批量做線，強(qiáng)化訓(xùn)練，以提高接線速度；二是要保證接線正確，尤其是直流電源和直流負(fù)載的正負(fù)極不能接反，應(yīng)保證冷壓頭和接線的牢固性，接線時(shí)不能壓到線皮，造成線路的虛接。

2 系統(tǒng)開發(fā)與系統(tǒng)調(diào)試

2.1 PLC編程

PLC是智慧新能源實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的控制核心，一般要求實(shí)現(xiàn)以下功能：

1） 常規(guī)控制

如對(duì)按鈕盤及繼電器的控制，一般用啟保停程序及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等即可實(shí)現(xiàn)。有的題目會(huì)設(shè)置不同的工作模式，如模式一、模式二，在PLC程序設(shè)計(jì)中，通常用一個(gè)按鈕（如復(fù)位按鈕X1） 來(lái)切換，而M1代表模式一，M2代表模式二，在模式一下的動(dòng)作在其執(zhí)行條件上串聯(lián)M1的常開觸點(diǎn)即可[3]，如圖2所示。

圖2 不同工作模式的切換

2） 擴(kuò)展模塊

負(fù)載電壓、電流可通過(guò)測(cè)量?jī)x表的輸出端子輸入到PLC的擴(kuò)展模塊，值得注意的是，不管是電壓信號(hào)還是電流信號(hào)，都要接PLC的CI端。須在PLC上對(duì)其擴(kuò)展模塊進(jìn)行必要設(shè)置，如電壓等級(jí)為0～5 V，然后通過(guò)下面程序進(jìn)行讀取、浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換及量程調(diào)整。

LD M8000

MOV ID100 D4

FLT D4 D40

EDIV D40 K16385

EMUL D60 K20 D18

3）對(duì)環(huán)境模擬平臺(tái)的控制

PLC通過(guò)RS-485接口對(duì)環(huán)境模擬平臺(tái)的主控單片機(jī)控制，即實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境模擬平臺(tái)控制。模擬平臺(tái)控制燈桿，燈光，風(fēng)機(jī)的地址是單片機(jī)內(nèi)的地址，如K101—K108分別代表燈桿啟動(dòng)、燈桿停止、燈桿復(fù)位、光源開啟、光源關(guān)閉、風(fēng)機(jī)開啟及風(fēng)機(jī)關(guān)閉等，D101、D102分別代表光源強(qiáng)度及風(fēng)力大小。信捷PLC可以通過(guò)Modbus的線圈讀寫、寄存器讀寫指令（MCLW、MRGW及REGR等）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬平臺(tái)的測(cè)控功能。PLC利用分時(shí)原理分別將測(cè)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)主控單片機(jī)進(jìn)行讀寫，如圖3所示。

圖3 PLC對(duì)環(huán)境模擬平臺(tái)的控制

2.2 遠(yuǎn)程控制及監(jiān)測(cè)

利用力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及監(jiān)測(cè)功能，主要包括以下幾個(gè)方面：

1） 登陸界面

可以實(shí)現(xiàn)用戶登錄及管理員登錄。制作工程登錄界面，設(shè)置用戶和管理員權(quán)限，編寫腳本程序，驗(yàn)證用戶名及密碼，并執(zhí)行相應(yīng)處理。

2） 制作菜單

可根據(jù)要求制作頂層菜單或樹形菜單，用來(lái)實(shí)現(xiàn)各組態(tài)界面的切換。

3） 監(jiān)視界面

制作監(jiān)視界面，通過(guò)串口采集PLC內(nèi)部檢測(cè)數(shù)據(jù)，包括風(fēng)機(jī)、光伏電站及負(fù)載輸出電壓、電流、功率；環(huán)境平臺(tái)光照強(qiáng)度、風(fēng)速、溫度、濕度等。一般要求參數(shù)名稱用中文，參數(shù)單位用英文，數(shù)據(jù)放置于圓角矩形框內(nèi)。同時(shí)，還可以添加曲線顯示，如風(fēng)機(jī)、負(fù)載功率的曲線圖[4]。

4） 操作界面

制作按鈕對(duì)象，實(shí)現(xiàn)題目要求的對(duì)象通斷控制，風(fēng)光強(qiáng)度調(diào)節(jié)。一般還要求實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)切換功能，系統(tǒng)可以自動(dòng)運(yùn)行或進(jìn)入智能微電網(wǎng)運(yùn)行的工作模式。

5） 數(shù)據(jù)報(bào)表

制作數(shù)據(jù)報(bào)表，可包含負(fù)載電壓、電流、功率、環(huán)境光照強(qiáng)度、溫度、濕度、風(fēng)速、總光伏電站電壓、電流、輸出功率等多個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)報(bào)表。要求Excel文件格式導(dǎo)出并保存，時(shí)間間隔1 s，報(bào)表中僅保存10組不同時(shí)刻讀取的數(shù)據(jù)。

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)控制器程序設(shè)計(jì)

主要包括數(shù)碼管顯示與LED控制兩部分。數(shù)碼管可以顯示蓄電池等輸出電壓，實(shí)現(xiàn)循環(huán)顯示1～3幀畫面，字母左對(duì)齊，電壓值格式VV.V，低于10.00 V時(shí)，最高位數(shù)字0消隱。除了對(duì)上述顯示格式進(jìn)行評(píng)分外，還要對(duì)顯示數(shù)據(jù)的正誤評(píng)分。

LED控制用于指示風(fēng)光互補(bǔ)控制器的工作方式，如有無(wú)風(fēng)電、光電接入，有無(wú)市電接入，蓄電池充電、放電等，呈現(xiàn)點(diǎn)亮、閃爍、熄滅狀態(tài)。

2.4 電路板功能編程與調(diào)試

設(shè)計(jì)、裝配、焊接給定的電子器件，編寫單片機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)逐日系統(tǒng)功能。

1）電路板裝配及其焊接工藝要求

檢查元件安裝正誤，是否缺件漏裝。檢查元器件排列、擺放位置及元件標(biāo)識(shí)是否可見。查看焊點(diǎn)是否勻稱，有無(wú)無(wú)氣泡、堆焊、漏焊、拖焊、搭焊，檢查線路板松香殘留焊點(diǎn)數(shù)量。

2） 硬件測(cè)試

查看選手填寫的硬件測(cè)量記錄表，靜態(tài)電流＜0.2 A，C5電壓等于6.6 V，C9電壓等于5 V。

3）上電復(fù)位及運(yùn)行

逐日系統(tǒng)上電后，初始狀態(tài)為光電池板運(yùn)行到水平狀態(tài)（0°）。一般在等待3 s后即按照題目要求自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間應(yīng)與力控界面制作的秒表一致。同時(shí)，按要求實(shí)現(xiàn)按鍵功能。

4） 串口通信

可以在串口助手上實(shí)時(shí)同步顯示東西（南北）方向舵機(jī)角度。例如：東：90°北：30°。

3 區(qū)域能源分析與排布

能源互聯(lián)網(wǎng)仿真規(guī)劃平臺(tái)由園區(qū)模塊、地形模塊、能源模塊、用能模塊和天氣模塊組成。通過(guò)地形模塊、能源模塊、用能模塊和天氣模塊的設(shè)置，分析分布式發(fā)電與用能之間的關(guān)系，達(dá)到微電網(wǎng)電能平衡的要求。實(shí)物與部件對(duì)應(yīng)圖如圖4所示。

圖4 實(shí)物與部件對(duì)應(yīng)圖

沙盤模擬系統(tǒng)工作原理：根據(jù)能源模塊所部署的區(qū)域，將該區(qū)域的地形影響因素和天氣影響因素進(jìn)行分析計(jì)算，得出能源模塊產(chǎn)生的實(shí)時(shí)能源量；根據(jù)用能模塊預(yù)設(shè)的用能參數(shù)，在設(shè)定范圍內(nèi)模擬計(jì)算出用能情況實(shí)時(shí)曲線；根據(jù)設(shè)定模擬的間隔（按日、周、月）將天氣模塊加到能源模塊，同步將能源模塊計(jì)算產(chǎn)生的能源量和用能模塊產(chǎn)生的能源量進(jìn)行比較分析。

區(qū)域能源規(guī)劃評(píng)分包括以下兩部分：

一是分別對(duì)太陽(yáng)能電站、風(fēng)能電站、生物質(zhì)、淺層地?zé)嵯到y(tǒng)的選址、偏差及容量偏差等進(jìn)行評(píng)分。即正確電站選址數(shù)量與該類型電站總數(shù)的比值在98%以內(nèi)分2～3檔給分，在98%以下不得分；電站選址氣象資源與最優(yōu)氣象資源比值在96%以內(nèi)分2～3檔給分，96%以下不得分；選手設(shè)計(jì)的電站容量與系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算容量比值在96%以內(nèi)分2～3檔給分，96%以下不得分。除此之外，太陽(yáng)能傾角偏差（設(shè)計(jì)的光伏陣列傾斜角與最優(yōu)傾斜角差）度數(shù)差在3度以內(nèi)按度數(shù)分檔給分，3度以外不得分；地?zé)崂寐剩ǖ責(zé)犭娬緸橹评?、制熱能耗提供能源與制冷、制熱能總耗提的比值）分檔評(píng)分。

二是區(qū)域能源綜合規(guī)劃與優(yōu)化。根據(jù)供電不足天數(shù)（儲(chǔ)能為0的天數(shù)）、棄電天數(shù)（儲(chǔ)能滿值天數(shù)）、儲(chǔ)能波動(dòng)率及占地格數(shù)分檔評(píng)分。

參賽選手應(yīng)能夠應(yīng)對(duì)不同的生產(chǎn)狀況，熟練運(yùn)用公式，在大量實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

4 職業(yè)規(guī)范與安全生產(chǎn)

職業(yè)規(guī)范與安全生產(chǎn)方面的評(píng)分要點(diǎn)包括：

1）現(xiàn)場(chǎng)操作應(yīng)符合安全操作指南；

2）工具擺放、包裝物品、導(dǎo)線、接頭等的處理符合職業(yè)崗位要求；

3）分工合理，配合緊密，展示良好的團(tuán)隊(duì)合作；

4）遵守賽場(chǎng)紀(jì)律，尊重賽場(chǎng)工作人員，愛(ài)惜賽場(chǎng)的設(shè)備和器材，工位整潔。

以上這些方面，參賽選手容易忽視。賽場(chǎng)要求工具、材料分類擺放，清掃衛(wèi)生，不能把礦泉水等物品帶入工位，不能帶電操作，不能在賽場(chǎng)內(nèi)大聲喧嘩，干擾裁判評(píng)判工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

光伏電子工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施賽項(xiàng)，以智慧新能源實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為平臺(tái)，跨多學(xué)科交叉融合，采用模塊化設(shè)計(jì)，涉及多種軟硬件的應(yīng)用。該賽項(xiàng)有設(shè)計(jì)有實(shí)踐，既看功能又看工藝，既考查個(gè)人能力又考查團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。參賽選手只有具備多門學(xué)科的知識(shí)，并不斷地研究實(shí)踐，才能在大賽中取得優(yōu)異成績(jī)。