光伏電子工程的設計與實施賽項研究

劉 偉

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

“光伏電子工程的設計與實施”是全國職業院校技能大賽電子信息大類的一個常規賽項。該賽項旨在利用成熟的智慧新能源實訓系統平臺，突出電子信息技術在光伏工程技術中的應用，推進光伏工程技術、電子信息技術等戰略新興產業新能源領域專業的建設與發展，創造優質的教育供給環境，加快新能源產業亟需的高質量技術技能人才的培養。

智慧新能源實訓系統由工程環境模擬平臺、光伏電子中心控制平臺和能源互聯網仿真規劃平臺組成。智慧新能源實訓系統效果圖如圖1所示。

圖1 智慧新能源實訓系統外形圖

“光伏電子工程的設計與實施”賽項時長為5小時，采取團體比賽形式，每個參賽隊由3名選手組成，選手以智慧新能源實訓系統為平臺，按照競賽任務要求，相互配合，創新性地完成競賽任務[1]。比賽任務及考核內容如表1所示。

表1 比賽任務及考核內容

為了更有效地指導學生訓練，取得更好的成績，筆者對“光伏電子工程的設計與實施”的軟硬件系統、賽題及其評分標準進行深入研究，并根據自身指導學生訓練和參賽的經驗，對該賽項試題進行解析，詮釋各項目的評分要點，并指出比賽中值得注意的問題。

1 工程規劃與工程部署

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

在工程規劃中，評分要點包括：

1）電氣圖的整體設計布局是否合理；

2）有無圖框、標題欄；

3）按題目要求，是否缺模塊（繼電器、測量儀表、風光互補控制器、逆變器、直流和交流負載、電源和蓄電池），或有模塊但未正確標識；

4）連線的正確與否，重點考核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擴展模塊與測量儀表線路連接；

5）模塊端口（引腳） 有無名稱標識且正確與否，連接線路有無編號標識且正確與否。

值得注意的事項主要有以下幾點：

1）參賽選手應熟悉大賽設備及其組成模塊，并理解掌握智能微電網系統原理；

2）繪圖軟件中一般提供圖框和各種模塊，比賽中要學會利用；

3） 善于利用AUTO CAD軟件的復制粘貼等繪圖功能，提高繪圖速度；

4）在繪圖過程中養成經常保存的習慣，避免電腦死機、斷電等意外情況的發生而造成數據丟失；

5）電氣圖一般需要在規定的時間內提前提交，因此需要提前做好檢查和拷貝。

在該賽項中，安裝和接線的工作量是巨大的，為了節省時間，其中一名選手繪圖的同時，另外兩名選手在管控平臺上安裝器件、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、單片機開發。

在工程部署與安裝模塊中，評分要點包括模塊布局合理性與美觀、冷壓端子使用、號碼管套裝、接線可靠性等幾個方面。按照部件布局合理程度、線槽長度合適程度、整體美觀情況分檔評分；根據使用冷壓端子數量、套裝套管數量分檔評分；根據接線端子出現露銅數量（超過2 mm），分檔評分。檢查關鍵點接線的正確性，主要包括PLC 485通信A、B口連接，工程環境模擬平臺與管控平臺30芯航空電纜、4芯航空通訊電纜的連接[2]。

安裝與接線是一項重要的打分點，也是實現一切功能的基礎，其重要性顯而易見。值得注意的事項主要有兩點：一是要在規定的時間內完成安裝與接線任務，并留有足夠的通電調試時間，因此，要合理分工，批量做線，強化訓練，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載的正負極不能接反，應保證冷壓頭和接線的牢固性，接線時不能壓到線皮，造成線路的虛接。

2 系統開發與系統調試

2.1 PLC編程

PLC是智慧新能源實訓系統的控制核心，一般要求實現以下功能：

1） 常規控制

如對按鈕盤及繼電器的控制，一般用啟保停程序及定時器、計數器等即可實現。有的題目會設置不同的工作模式，如模式一、模式二，在PLC程序設計中，通常用一個按鈕（如復位按鈕X1） 來切換，而M1代表模式一，M2代表模式二，在模式一下的動作在其執行條件上串聯M1的常開觸點即可[3]，如圖2所示。

圖2 不同工作模式的切換

2） 擴展模塊

負載電壓、電流可通過測量儀表的輸出端子輸入到PLC的擴展模塊，值得注意的是，不管是電壓信號還是電流信號，都要接PLC的CI端。須在PLC上對其擴展模塊進行必要設置，如電壓等級為0～5 V，然后通過下面程序進行讀取、浮點數轉換及量程調整。

LD M8000

MOV ID100 D4

FLT D4 D40

EDIV D40 K16385

EMUL D60 K20 D18

3）對環境模擬平臺的控制

PLC通過RS-485接口對環境模擬平臺的主控單片機控制，即實現對環境模擬平臺控制。模擬平臺控制燈桿，燈光，風機的地址是單片機內的地址，如K101—K108分別代表燈桿啟動、燈桿停止、燈桿復位、光源開啟、光源關閉、風機開啟及風機關閉等，D101、D102分別代表光源強度及風力大小。信捷PLC可以通過Modbus的線圈讀寫、寄存器讀寫指令（MCLW、MRGW及REGR等）來實現對模擬平臺的測控功能。PLC利用分時原理分別將測控數據對主控單片機進行讀寫，如圖3所示。

圖3 PLC對環境模擬平臺的控制

2.2 遠程控制及監測

利用力控組態軟件實現遠程控制及監測功能，主要包括以下幾個方面：

1） 登陸界面

可以實現用戶登錄及管理員登錄。制作工程登錄界面，設置用戶和管理員權限，編寫腳本程序，驗證用戶名及密碼，并執行相應處理。

2） 制作菜單

可根據要求制作頂層菜單或樹形菜單，用來實現各組態界面的切換。

3） 監視界面

制作監視界面，通過串口采集PLC內部檢測數據，包括風機、光伏電站及負載輸出電壓、電流、功率；環境平臺光照強度、風速、溫度、濕度等。一般要求參數名稱用中文，參數單位用英文，數據放置于圓角矩形框內。同時，還可以添加曲線顯示，如風機、負載功率的曲線圖[4]。

4） 操作界面

制作按鈕對象，實現題目要求的對象通斷控制，風光強度調節。一般還要求實現手自動切換功能，系統可以自動運行或進入智能微電網運行的工作模式。

5） 數據報表

制作數據報表，可包含負載電壓、電流、功率、環境光照強度、溫度、濕度、風速、總光伏電站電壓、電流、輸出功率等多個參數的數據報表。要求Excel文件格式導出并保存，時間間隔1 s，報表中僅保存10組不同時刻讀取的數據。

2.3 風光互補控制器程序設計

主要包括數碼管顯示與LED控制兩部分。數碼管可以顯示蓄電池等輸出電壓，實現循環顯示1～3幀畫面，字母左對齊，電壓值格式VV.V，低于10.00 V時，最高位數字0消隱。除了對上述顯示格式進行評分外，還要對顯示數據的正誤評分。

LED控制用于指示風光互補控制器的工作方式，如有無風電、光電接入，有無市電接入，蓄電池充電、放電等，呈現點亮、閃爍、熄滅狀態。

2.4 電路板功能編程與調試

設計、裝配、焊接給定的電子器件，編寫單片機程序，實現逐日系統功能。

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、擺放位置及元件標識是否可見。查看焊點是否勻稱，有無無氣泡、堆焊、漏焊、拖焊、搭焊，檢查線路板松香殘留焊點數量。

2） 硬件測試

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

3）上電復位及運行

逐日系統上電后，初始狀態為光電池板運行到水平狀態（0°）。一般在等待3 s后即按照題目要求自動運行，運行時間應與力控界面制作的秒表一致。同時，按要求實現按鍵功能。

4） 串口通信

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

3 區域能源分析與排布

能源互聯網仿真規劃平臺由園區模塊、地形模塊、能源模塊、用能模塊和天氣模塊組成。通過地形模塊、能源模塊、用能模塊和天氣模塊的設置，分析分布式發電與用能之間的關系，達到微電網電能平衡的要求。實物與部件對應圖如圖4所示。

圖4 實物與部件對應圖

沙盤模擬系統工作原理：根據能源模塊所部署的區域，將該區域的地形影響因素和天氣影響因素進行分析計算，得出能源模塊產生的實時能源量；根據用能模塊預設的用能參數，在設定范圍內模擬計算出用能情況實時曲線；根據設定模擬的間隔（按日、周、月）將天氣模塊加到能源模塊，同步將能源模塊計算產生的能源量和用能模塊產生的能源量進行比較分析。

區域能源規劃評分包括以下兩部分：

一是分別對太陽能電站、風能電站、生物質、淺層地熱系統的選址、偏差及容量偏差等進行評分。即正確電站選址數量與該類型電站總數的比值在98%以內分2～3檔給分，在98%以下不得分；電站選址氣象資源與最優氣象資源比值在96%以內分2～3檔給分，96%以下不得分；選手設計的電站容量與系統參數計算容量比值在96%以內分2～3檔給分，96%以下不得分。除此之外，太陽能傾角偏差（設計的光伏陣列傾斜角與最優傾斜角差）度數差在3度以內按度數分檔給分，3度以外不得分；地熱利用率（地熱電站為制冷、制熱能耗提供能源與制冷、制熱能總耗提的比值）分檔評分。

二是區域能源綜合規劃與優化。根據供電不足天數（儲能為0的天數）、棄電天數（儲能滿值天數）、儲能波動率及占地格數分檔評分。

參賽選手應能夠應對不同的生產狀況，熟練運用公式，在大量實踐中積累經驗，實現最優設計。

4 職業規范與安全生產

職業規范與安全生產方面的評分要點包括：

1）現場操作應符合安全操作指南；

2）工具擺放、包裝物品、導線、接頭等的處理符合職業崗位要求；

3）分工合理，配合緊密，展示良好的團隊合作；

4）遵守賽場紀律，尊重賽場工作人員，愛惜賽場的設備和器材，工位整潔。

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

5 結束語

光伏電子工程的設計與實施賽項，以智慧新能源實訓系統為平臺，跨多學科交叉融合，采用模塊化設計，涉及多種軟硬件的應用。該賽項有設計有實踐，既看功能又看工藝，既考查個人能力又考查團隊協作能力。參賽選手只有具備多門學科的知識，并不斷地研究實踐，才能在大賽中取得優異成績。