淺談光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張穎姣

江蘇安科瑞電器制造有限公司江蘇江陰214405

摘要：設(shè)計(jì)了一種分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機(jī)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)．硬件系統(tǒng)基于ARM嵌入式處理器設(shè)計(jì)，通過(guò)RS485／232串口對(duì)光伏電站終端設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并解析處理，采用以太網(wǎng)／GPRS與光伏電站控制系統(tǒng)的服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線通訊和傳輸．軟件系統(tǒng)基于多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)Linux，采用模塊化設(shè)計(jì)，包含了任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時(shí)間管理和同步通信等功能模塊．該通訊管理機(jī)具有對(duì)分布式光伏電站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、分析處理、上傳和轉(zhuǎn)發(fā)等功能．

關(guān)鍵詞：分布式光伏電站；數(shù)據(jù)管理機(jī)；嵌入式系統(tǒng)；遠(yuǎn)程無(wú)線；通訊與傳輸

光伏監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)太陽(yáng)能光伏電站的電池陣列、匯流箱、逆變器、交直流配電柜、電表等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)與電站運(yùn)行效率相關(guān)的各種環(huán)境參數(shù)、設(shè)備信息、電力參數(shù)，進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、分析、管理和通訊傳輸，以確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行和并網(wǎng)計(jì)量，是現(xiàn)代化光伏電站系統(tǒng)必不可少的組成部分。光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了早期的有線數(shù)據(jù)采集]到現(xiàn)在的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存也由存儲(chǔ)卡儲(chǔ)存的方式發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和云存儲(chǔ)。近年來(lái)，隨著工業(yè)屋頂電站和家庭戶用屋頂電站的大量建設(shè)和并網(wǎng)，針對(duì)這種分布式光伏電站的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)受到了重視。在分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)中光伏數(shù)據(jù)通訊管理單元負(fù)責(zé)采集光伏電站運(yùn)行的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)／GPRS遠(yuǎn)程傳輸至光伏電站監(jiān)控中心，以便光伏電站用戶及管理者實(shí)時(shí)監(jiān)控光伏電站的運(yùn)行狀態(tài)，是光伏電站監(jiān)控中心與光伏電站設(shè)備之間的聯(lián)系橋梁．本文基于ARM嵌入式處理器設(shè)計(jì)開發(fā)了一種分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機(jī)，對(duì)分布式光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析處理、存儲(chǔ)，并遠(yuǎn)程傳輸至光伏監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式光伏電站的遠(yuǎn)程管理和維護(hù)。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機(jī)的系統(tǒng)硬件基于SAM9X25嵌入式微處理器設(shè)計(jì)，通過(guò)RS485／232串口對(duì)逆變器、氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、匯流箱、電表等終端設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并解析處理，通過(guò)GPRS／以太網(wǎng)與服務(wù)器相連，將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心．管理員通過(guò)登錄WEB界面實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏數(shù)據(jù)管理機(jī)的配置管理。用戶在WEB終端或移動(dòng)終端通過(guò)登錄可以查看電站實(shí)時(shí)運(yùn)行情況和實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1

圖1通訊管理機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)圖

1．1串口電路

通訊管理機(jī)采用UART(UniversalAsyn-chronousReceiverTransmitter)和USART(Uni-versalSynchronousAsynchronousReceiverTransmitter)接口轉(zhuǎn)RS-485/RS-422串口的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，圖2為該串口電路結(jié)構(gòu)圖。

圖2串口電路結(jié)構(gòu)圖

串口數(shù)據(jù)傳輸采用平衡發(fā)送和差分接收的方式．ARM芯片的UART接口和USART接口與四通道隔離器ADUM1400相連，將數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)和收發(fā)器的控制信號(hào)分隔，支持多種通道配置和數(shù)據(jù)傳輸速率，保障系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定．經(jīng)隔離器后的數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)線RX和TX與RS484／RS422／RS232收發(fā)器直連，收發(fā)器的控制信號(hào)EN需要經(jīng)過(guò)斯密特觸發(fā)器再連接RS484／RS422／RS232收發(fā)器，控制收發(fā)器工作模式．斯密特觸發(fā)器將緩慢變化的輸入信號(hào)變?yōu)榍逦o(wú)抖動(dòng)的方波信號(hào)，增加系統(tǒng)的抗干擾能力．RS484／RS422／RS232收發(fā)器在端信號(hào)的控制下與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1．2 SD卡存儲(chǔ)電路

通訊管理機(jī)包含一個(gè)SD卡插口，圖3為其電路結(jié)構(gòu)圖。SD卡與ARM芯片的HSMCI(HighSpeedMultimediaCardInterface)模塊的物理層接口PIO相連，HSMC1支持流、塊、多塊數(shù)據(jù)的讀寫，同時(shí)受DMAC(DirectMemoryAccessController)的控制，很大限度地保護(hù)處理器對(duì)數(shù)據(jù)傳輸效率。SD卡共支持三種傳輸模式：SPI模式，1位模式和4位模式，本系統(tǒng)采用的是4位模式。

圖3 SD卡存儲(chǔ)電路結(jié)構(gòu)圖

1．3以太網(wǎng)口電路

通訊管理機(jī)包含兩個(gè)以太網(wǎng)口，圖4為其電路結(jié)構(gòu)圖．以太網(wǎng)由共享傳輸媒體，通過(guò)RJ-45網(wǎng)口與媒體連接進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，濾波器將RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口的電壓轉(zhuǎn)換成網(wǎng)卡芯片DM9161所需的電壓，并過(guò)濾掉其他干擾信號(hào)，減少信息傳輸?shù)腻e(cuò)誤率。網(wǎng)卡芯片的物理層接口接收濾波器傳來(lái)的輸出信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為MII(MediaIndependentInter—face)信號(hào)后通過(guò)數(shù)據(jù)接口將MII信號(hào)發(fā)送給ARM控制器的EMAC(EthernetMediaAccessController10／100)模塊．本系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線，兩端一45接頭壓接的雙絞線的線序完全相同，用于終端設(shè)備到HUB或LANSwitch的連接。

圖4以太網(wǎng)口電路結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通訊管理機(jī)軟件系統(tǒng)采用多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，包括任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、時(shí)間管理和任務(wù)間的通信和同步等功能模塊．系統(tǒng)在Linux提供的任務(wù)內(nèi)核的基礎(chǔ)上通過(guò)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序模塊、操作系統(tǒng)的API函數(shù)、系統(tǒng)任務(wù)、任務(wù)調(diào)度模塊對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展．按照各個(gè)功能的關(guān)聯(lián)性，將程序分為多個(gè)任務(wù)模塊，包括主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

系統(tǒng)主程序需要完成ARM芯片及外設(shè)、Linux的系統(tǒng)和信號(hào)量的初始化設(shè)置并啟動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)主程序需要啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)通訊以及數(shù)據(jù)庫(kù)等任務(wù)線程．主程序流程圖如圖5。

2．1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集任務(wù)是完成各個(gè)終端設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。如圖6程序讀取變量信息，完成后啟動(dòng)串口通訊線程，再調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化接口。此時(shí)采集任務(wù)通過(guò)向數(shù)據(jù)總線發(fā)送讀取“采集數(shù)據(jù)”接口數(shù)據(jù)命令，所有連接在數(shù)據(jù)總線上的傳感器接到讀取命令后根據(jù)數(shù)據(jù)包判斷是否是向自己發(fā)送的讀取命令，如果是就會(huì)向系統(tǒng)返回設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

圖5主程序流程圖

圖6數(shù)據(jù)采集任務(wù)流程圖

2．2數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸包含數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收兩部分，其中數(shù)據(jù)發(fā)送部分主要將后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)發(fā)送至前端WEB頁(yè)面，數(shù)據(jù)接收部分主要接收網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析執(zhí)行，數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖7。

2．3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要完成上傳數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，如圖8程序接收到網(wǎng)絡(luò)通訊層的通訊中斷消息后，讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中所有變量的信息，根據(jù)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)類型的不同選擇不同的存儲(chǔ)方案。首先，判斷內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)類型，若內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是產(chǎn)生變化的狀態(tài)量(O或1)，則將當(dāng)前數(shù)據(jù)寫入歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩存隊(duì)列。之后，如果內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是模擬量，則根據(jù)所要求的存儲(chǔ)方式對(duì)模擬量進(jìn)行存儲(chǔ)。若選擇周期存儲(chǔ)，則循環(huán)判斷周期時(shí)間是否達(dá)到，達(dá)到設(shè)定的周期時(shí)間則將數(shù)據(jù)寫入歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩存隊(duì)列；若是按照精度存儲(chǔ)，則按照旋轉(zhuǎn)門算法對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，將符合條件的數(shù)據(jù)寫入歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩存隊(duì)列。

圖7數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)流程圖

圖8數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖

3應(yīng)用

采用上述設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)開發(fā)了Chitic分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機(jī)，該通訊管理機(jī)本地WEB配置界面包含數(shù)據(jù)視圖、串口配置、通道配置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、傳輸配置、服務(wù)和系統(tǒng)維護(hù)等7大功能，每個(gè)功能模塊下又包含若干子功能，如圖9。

數(shù)據(jù)視圖下電站可以查看當(dāng)前電站的電量參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及節(jié)能參數(shù)；設(shè)備信息下可以查看當(dāng)前電站設(shè)備的數(shù)量以及各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況。

圖9Chitic分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機(jī)WEB配置界面

串口配置可以配置串口各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和本地查看功能。

通道配置可以配置設(shè)備通道信息，將每個(gè)設(shè)備呈樹狀連接，每個(gè)串口為一個(gè)通道，共有4個(gè)通道，一個(gè)通道下可以掛至多l(xiāng)6個(gè)設(shè)備，系統(tǒng)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)集中采集。網(wǎng)絡(luò)配置可以IP，數(shù)據(jù)上傳方式有NET，GPRS，WIFI三種方式可選．傳輸配置可以配置遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心IP，系統(tǒng)根據(jù)所配置的上傳方式將電站數(shù)據(jù)上傳至指定數(shù)據(jù)中心IP。服務(wù)項(xiàng)查看系統(tǒng)支持的協(xié)議類型以及ModBus保持寄存器的部分功能．系統(tǒng)維護(hù)用于查看系統(tǒng)版本及序列號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)、時(shí)間校對(duì)和設(shè)備重啟等功能。

4 安科瑞網(wǎng)關(guān)介紹

4.1通信管理機(jī)

4.1.1概述

本系列智能通信管理機(jī)是一款采用嵌入式硬件計(jì)算機(jī)平臺(tái)，具有多個(gè)下行通信接口及一個(gè)或者多個(gè)上行網(wǎng)絡(luò)接口，用于將一個(gè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有的智能監(jiān)控/保護(hù)裝置的通信數(shù)據(jù)整理匯總后，實(shí)時(shí)上傳主站系統(tǒng)，完成遙信、遙測(cè)等能源數(shù)據(jù)采集功能。

同時(shí)，本系列智能通信管理機(jī)支持接收上級(jí)主站系統(tǒng)下達(dá)的命令，并轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的智能系列單元，完成對(duì)廠站內(nèi)各開關(guān)設(shè)備的分、合閘遠(yuǎn)方控制或裝置的參數(shù)整定，實(shí)現(xiàn)遙控和遙調(diào)功能，以達(dá)到遠(yuǎn)動(dòng)輸出調(diào)度命令的目標(biāo)。

4.1.2產(chǎn)品介紹

名稱	型號(hào)	圖片	功能
通信管理機(jī)	ANet-1E1S1		通用網(wǎng)關(guān)，1路網(wǎng)口，1路RS485，可選配4G通訊、LORA通訊
	ANet-1E2S1		通用網(wǎng)關(guān)，1路網(wǎng)口，2路RS485，可選配4G通訊，LORA通訊
	ANet-2E4S1		通用網(wǎng)關(guān)，2路網(wǎng)口，4路RS485
	ANet-2E8S1		通用網(wǎng)關(guān)，2路網(wǎng)口，8路RS485
	ANet-2E4SM		通用網(wǎng)關(guān)，2路網(wǎng)口，4路RS485，可選配LORA通訊，斷電告警

4.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

4.2.1概述

AF-GSM是安科瑞電氣推出的新型的4G遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)條，采用嵌入式設(shè)計(jì)。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)采用了功能強(qiáng)大的微處理芯片，配合內(nèi)置看門狗，性能可靠穩(wěn)定。

本產(chǎn)品提供標(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)據(jù)接口，可以方便的連接RTU、PLC、工控機(jī)等設(shè)備，僅需一次性完成初始化配置。就可以完成對(duì)MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并且與安科瑞服務(wù)器進(jìn)行通訊。

5.2.2產(chǎn)品介紹

名稱	型號(hào)	圖片	功能
AF-GSM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊	AF-GSM300		通用版，1路網(wǎng)口，1路LORA，可選轉(zhuǎn)4G、CE通訊
	AF-GSM400		通用版，1路網(wǎng)口，1路LORA，可選轉(zhuǎn)4G、CE、NB、2G通訊
	AF-GSM500		點(diǎn)陣液晶顯示、4G通訊、全網(wǎng)通7模、LORA通訊、斷點(diǎn)續(xù)傳、U盤拷貝、內(nèi)嵌8G SD卡、事件記錄，可選擇2路串口或6路串口

4.3無(wú)線通訊終端

4.3.1概述

AWT100數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊是安科瑞電氣推出的新型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換DTU，通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN，GPS,WiFi,CE,DP 等通訊方式，下行接口提供了標(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)據(jù)接口，可以方便的連接電力儀表、RTU、PLC、工控機(jī)等設(shè)備，僅需一次性完成初始化配置，就可以完成對(duì)MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；同時(shí)AWT100系列無(wú)線通訊終端采用了功能強(qiáng)大的微處理芯片，配合內(nèi)置看門狗技術(shù)，性能可靠穩(wěn)定。

AWT200數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于各種終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、控制、計(jì)算，為系統(tǒng)與設(shè)備之間建立通訊紐帶，實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通訊。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，同時(shí)自身根據(jù)用戶規(guī)則進(jìn)行邏輯判斷，大大的節(jié)省了人力和通訊成本。

4.4.2產(chǎn)品介紹

名稱	型號(hào)	圖片	功能
AWT100無(wú)線通訊終端	AWT100-4G		4G通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485設(shè)備無(wú)線通訊
	AWT100-4GHW		4G通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485設(shè)備無(wú)線通訊
	AWT100-NB		NB-IoT通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485設(shè)備無(wú)線通訊
	AWT100-LoRa		LoRa通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485設(shè)備無(wú)線通訊
	AWT100-LW		LoRaWAN通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485設(shè)備無(wú)線通訊
	AWT100-LW868		海外，下行RS485，上行LoRaWAN無(wú)線通訊
	AWT100-LW923		海外，下行RS485.上行LoRaWAN無(wú)線通訊
	AWT100-CE		RS485通訊接口，以太網(wǎng)通訊雙向透明傳輸
	AWT100-GPS		RS485通訊接口，GPS定位
	AWT100-WiFi		RS485通訊接口，WiFi無(wú)線雙向透明傳輸
	AWT100-DP		RS485通訊接口，Profibus通訊雙向透明傳輸
AWT200無(wú)線通訊終端	AWT200-1E4S		4路串口，不帶顯示按鍵
	AWT200-1E4S-4G		4路串口，不帶顯示按鍵，4G通訊
	AWT200-1E4S-4G/K		4路串口，不帶顯示按鍵，4G通訊、開關(guān)量功能
	AWT200-1E4S-4G/LR		4路串口，不帶顯示按鍵，4G通訊、LORA通訊
	AWT200-1E4SL		4路串口，帶顯示按鍵
	AWT200-1E4SL-4G		4路串口，帶顯示按鍵，4G通訊
	AWT200-1E4SL-4G/K		4路串口，帶顯示按鍵，4G通訊、開關(guān)量功能
	AWT200-1E4SL-4G/LR		4路串口，帶顯示按鍵，4G通訊、LORA通訊
	AWT200-1E8SL		8路串口，帶顯示按鍵
	AWT200-1E8SL-4G		8路串口，帶顯示按鍵，4G通訊

5結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機(jī)，其硬件系統(tǒng)基于ARM嵌入式處理器設(shè)計(jì)，通過(guò)RS485／232串口對(duì)光伏電站終端設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并解析處理，采用以太網(wǎng)／GPRS與光伏電站控制系統(tǒng)的服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線通訊和傳輸．軟件系統(tǒng)基于多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)Linux，采用模塊化設(shè)計(jì)，包含了任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時(shí)間管理和同步通信等功能模塊。該通訊管理機(jī)具有對(duì)分布式光伏電站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、分析處理、上傳和轉(zhuǎn)發(fā)等功能．該系統(tǒng)使用WEB網(wǎng)頁(yè)查看和配置光伏電站數(shù)據(jù)，支持多種通訊規(guī)約，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，擁有數(shù)據(jù)采集、解析處理、結(jié)合歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、同步上傳和本地轉(zhuǎn)發(fā)等多項(xiàng)功能．同時(shí)，本系統(tǒng)具有成本低、功耗小、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、數(shù)據(jù)處理速度快、能同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作等優(yōu)點(diǎn)，是分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。

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審核編輯 黃宇