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

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定 201801

摘要：設(shè)計了一種分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機，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，通過RS485／232串口對光伏電站終端設(shè)備的實時數(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線通訊和傳輸．軟件系統(tǒng)基于多任務(wù)實時系統(tǒng)Linux，采用模塊化設(shè)計，包含了任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時間管理和同步通信等功能模塊．該通訊管理機具有對分布式光伏電站監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、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；嵌入式系統(tǒng)；遠(yuǎn)程無線；通訊與傳輸

光伏監(jiān)控系統(tǒng)可以對太陽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)行實時監(jiān)測與控制，對與電站運行效率相關(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)定運行和并網(wǎng)計量，是現(xiàn)代化光伏電站系統(tǒng)不能少的組成部分。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)在的無線實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)儲存也由存儲卡儲存的方式發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和云存儲。近年來，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)采集光伏電站運行的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過以太網(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時監(jiān)控光伏電站的運行狀態(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)計開發(fā)了一種分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機，對分布式光伏電站運行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、分析處理、存儲，并遠(yuǎn)程傳輸至光伏監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)對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

分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機的系統(tǒng)硬件基于SAM9X25嵌入式微處理器設(shè)計，通過RS485／232串口對逆變器、氣象環(huán)境監(jiān)測儀、匯流箱、電表等終端設(shè)備的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并解析處理，通過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．管理員通過登錄WEB界面實現(xiàn)對光伏數(shù)據(jù)管理機的配置管理。用戶在WEB終端或移動終端通過登錄可以查看電站實時運行情況和實時歷史數(shù)據(jù)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1

圖1通訊管理機的硬件結(jié)構(gòu)圖

1．1串口電路

通訊管理機采用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)傳輸信號和收發(fā)器的控制信號分隔，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)傳輸信號線RX和TX與RS484／RS422／RS232收發(fā)器直連，收發(fā)器的控制信號EN需要經(jīng)過斯密特觸發(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變?yōu)榍逦?、無抖動的方波信號，增加系統(tǒng)的抗干擾能力．RS484／RS422／RS232收發(fā)器在端信號的控制下與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1．2 SD卡存儲電路

通訊管理機包含一個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，同時受DMAC(DirectMemoryAccessController)的控制，很大限度地保護(hù)處理器對數(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卡存儲電路結(jié)構(gòu)圖

1．3以太網(wǎng)口電路

通訊管理機包含兩個以太網(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，并過濾掉其他干擾信號，減少信息傳輸?shù)腻e誤率。網(wǎng)卡芯片的物理層接口接收濾波器傳來的輸出信號，將其轉(zhuǎn)換為MII(MediaIndependentInter—face)信號后通過數(shù)據(jù)接口將MII信號發(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

通訊管理機軟件系統(tǒng)采用多任務(wù)實時系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，包括任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、時間管理和任務(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)上通過設(shè)計驅(qū)動程序模塊、操作系統(tǒng)的API函數(shù)、系統(tǒng)任務(wù)、任務(wù)調(diào)度模塊對操作系統(tǒng)進(jìn)行擴展．按照各個功能的關(guān)聯(lián)性，將程序分為多個任務(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。

系統(tǒng)主程序需要完成ARM芯片及外設(shè)、Linux的系統(tǒng)和信號量的初始化設(shè)置并啟動系統(tǒng)，同時主程序需要啟動驅(qū)動調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)通訊以及數(shù)據(jù)庫等任務(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，完成后啟動串口通訊線程，再調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序初始化接口。此時采集任務(wù)通過向數(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)送部分主要將后臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)發(fā)送至前端WEB頁面，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

數(shù)據(jù)存儲主要完成上傳數(shù)據(jù)的存儲，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)庫中所有變量的信息，根據(jù)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)類型的不同選擇不同的存儲方案。首先，判斷內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)類型，若內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的數(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)存儲緩存隊列。之后，如果內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是模擬量，則根據(jù)所要求的存儲方式對模擬量進(jìn)行存儲。若選擇周期存儲，則循環(huán)判斷周期時間是否達(dá)到，達(dá)到設(shè)定的周期時間則將數(shù)據(jù)寫入歷史數(shù)據(jù)存儲緩存隊列；若是按照精度存儲，則按照旋轉(zhuǎn)門算法對當(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)存儲緩存隊列。

圖7數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)流程圖

圖8數(shù)據(jù)存儲流程圖

3應(yīng)用

采用上述設(shè)計方案設(shè)計開發(fā)了Chitic分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機，該通訊管理機本地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)量以及各個設(shè)備的運行狀況。

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

串口配置可以配置串口各項參數(shù)，實現(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，將每個設(shè)備呈樹狀連接，每個串口為一個通道，共有4個通道，一個通道下可以掛至多l(xiāng)6個設(shè)備，系統(tǒng)對設(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)上傳至規(guī)定數(shù)據(jù)中心IP。服務(wù)項查看系統(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，實現(xiàn)系統(tǒng)升級、時間校對和設(shè)備重啟等功能。

4 安科瑞網(wǎng)關(guān)介紹

4.1通信管理機

4.1.1概述

本系列智能通信管理機是一款采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網(wǎng)絡(luò)接口，用于將一個目標(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，實時上傳主站系統(tǒng)，完成遙信、遙測等能源數(shù)據(jù)采集功能。

同時，本系列智能通信管理機支持接收上級主站系統(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，實現(xiàn)遙控和遙調(diào)功能，以達(dá)到遠(yuǎn)動輸出調(diào)度命令的目標(biāo)。

4.1.2產(chǎn)品介紹

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)程無線數(shù)據(jù)采集設(shè)條，采用嵌入式設(shè)計。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，同時采用了功能強大的微處理芯片，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、工控機等設(shè)備，僅需一次性完成初始化配置。就可以完成對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

4.3無線通訊終端

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、工控機等設(shè)備，僅需一次性完成初始化配置，就可以完成對MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；同時AWT100系列無線通訊終端采用了功能強大的微處理芯片，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。實現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)測、控制、計算，為系統(tǒng)與設(shè)備之間建立通訊紐帶，實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通訊。實時監(jiān)測并及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，同時自身根據(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

5結(jié)論

設(shè)計了一種分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機，其硬件系統(tǒng)基于ARM嵌入式處理器設(shè)計，通過RS485／232串口對光伏電站終端設(shè)備的實時數(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，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線通訊和傳輸．軟件系統(tǒng)基于多任務(wù)實時系統(tǒng)Linux，采用模塊化設(shè)計，包含了任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時間管理和同步通信等功能模塊。該通訊管理機具有對分布式光伏電站監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、分析處理、上傳和轉(zhuǎn)發(fā)等功能．該系統(tǒng)使用WEB網(wǎng)頁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、同步上傳和本地轉(zhuǎn)發(fā)等多項功能．同時，本系統(tǒng)具有成本低、功耗小、數(shù)據(jù)存儲量大、數(shù)據(jù)處理速度快、能同時實現(xiàn)實時多任務(wù)操作等優(yōu)點，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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作者簡介

劉細(xì)鳳，女，本科，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研發(fā)與應(yīng)用。