淺談光伏電站數據通訊管理機的設計與應用

摘要：設計了一種分布式光伏電站數據通訊管理機，包括硬件係統和軟件係統．硬件係統基於(yu) ARM嵌入式處理器設計，通過RS485／232串口對光伏電站終端設備的實時數據進行采集並解析處理，采用以太網／GPRS與(yu) 光伏電站控製係統的服務器相連，實現數據的遠程無線通訊和傳(chuan) 輸．軟件係統基於(yu) 多任務實時係統Linux，采用模塊化設計，包含了任務管理、內(nei) 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控數據的實時采集、存儲(chu) 、分析處理、上傳(chuan) 和轉發等功能．

關(guan) 鍵詞：分布式光伏電站；數據管理機；嵌入式係統；遠程無線；通訊與(yu) 傳(chuan) 輸

光伏監控係統可以對太陽能光伏電站的電池陣列、匯流箱、逆變器、交直流配電櫃、電表等設備進行實時監測與(yu) 控製，對與(yu) 電站運行效率相關(guan) 的各種環境參數、設備信息、電力參數，進行采集、儲(chu) 存、分析、管理和通訊傳(chuan) 輸，以確保光伏發電係統的安全可靠穩定運行和並網計量，是現代化光伏電站係統的組成部分。光伏電站監控係統經曆了早期的有線數據采集]到現在的無線實時監控，數據儲(chu) 存也由存儲(chu) 卡儲(chu) 存的方式發展到網絡數據傳(chuan) 輸和雲(yun) 存儲(chu) 。近年來，隨著工業(ye) 屋頂電站和家庭戶用屋頂電站的大量建設和並網，針對這種分布式光伏電站的數據監控係統的開發受到了重視。在分布式光伏監控係統中光伏數據通訊管理單元負責采集光伏電站運行的所有相關(guan) 數據，並通過以太網／GPRS遠程傳(chuan) 輸至光伏電站監控中心，以便光伏電站用戶及管理者實時監控光伏電站的運行狀態，是光伏電站監控中心與(yu) 光伏電站設備之間的聯係橋梁．本文基於(yu) ARM嵌入式處理器設計開發了一種分布式光伏電站數據通訊管理機，對分布式光伏電站運行數據進行實時采集、分析處理、存儲(chu) ，並遠程傳(chuan) 輸至光伏監控係統的數據中心，實現對分布式光伏電站的遠程管理和維護。

1係統硬件設計

分布式光伏電站數據通訊管理機的係統硬件基於(yu) SAM9X25嵌入式微處理器設計，通過RS485／232串口對逆變器、氣象環境監測儀(yi) 、匯流箱、電表等終端設備的實時數據進行采集並解析處理，通過GPRS／以太網與(yu) 服務器相連，將數據傳(chuan) 輸至遠程數據中心．管理員通過登錄WEB界麵實現對光伏數據管理機的配置管理。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曆史數據。其硬件結構如圖1

圖1通訊管理機的硬件結構圖

1．1串口電路

通訊管理機采用UART(UniversalAsyn-chronousReceiverTransmitter)和USART(Uni-versalSynchronousAsynchronousReceiverTransmitter)接口轉RS-485/RS-422串口的方式進行遠程數據采集，圖2為(wei) 該串口電路結構圖。

圖2串口電路結構圖

串口數據傳(chuan) 輸采用平衡發送和差分接收的方式．ARM芯片的UART接口和USART接口與(yu) 四通道隔離器ADUM1400相連，將數據傳(chuan) 輸信號和收發器的控製信號分隔，支持多種通道配置和數據傳(chuan) 輸速率，保障係統的安全和穩定．經隔離器後的數據傳(chuan) 輸信號線RX和TX與(yu) RS484／RS422／RS232收發器直連，收發器的控製信號EN需要經過斯密特觸發器再連接RS484／RS422／RS232收發器，控製收發器工作模式．斯密特觸發器將緩慢變化的輸入信號變為(wei) 清晰、無抖動的方波信號，增加係統的抗幹擾能力．RS484／RS422／RS232收發器在端信號的控製下與(yu) 設備進行數據傳(chuan) 輸。

1．2 SD卡存儲(chu) 電路

通訊管理機包含一個(ge) SD卡插口，圖3為(wei) 其電路結構圖。SD卡與(yu) ARM芯片的HSMCI(HighSpeedMultimediaCardInterface)模塊的物理層接口PIO相連，HSMC1支持流、塊、多塊數據的讀寫(xie) ，同時受DMAC(DirectMemoryAccessController)的控製，很大限度地保護處理器對數據傳(chuan) 輸效率。SD卡共支持三種傳(chuan) 輸模式：SPI模式，1位模式和4位模式，本係統采用的是4位模式。

圖3 SD卡存儲(chu) 電路結構圖

1．3以太網口電路

通訊管理機包含兩(liang) 個(ge) 以太網口，圖4為(wei) 其電路結構圖．以太網由共享傳(chuan) 輸媒體(ti) ，通過RJ-45網口與(yu) 媒體(ti) 連接進行差分數據傳(chuan) 輸，濾波器將RJ-45網絡接口的電壓轉換成網卡芯片DM9161所需的電壓，並過濾掉其他幹擾信號，減少信息傳(chuan) 輸的錯誤率。網卡芯片的物理層接口接收濾波器傳(chuan) 來的輸出信號，將其轉換為(wei) MII(MediaIndependentInter—face)信號後通過數據接口將MII信號發送給ARM控製器的EMAC(EthernetMediaAccessController10／100)模塊．本係統使用標準網線，兩(liang) 端一45接頭壓接的雙絞線的線序相同，用於(yu) 終端設備到HUB或LANSwitch的連接。

圖4以太網口電路結構圖

2係統軟件設計

通訊管理機軟件係統采用多任務實時係統的模塊化設計，包括任務管理、任務調度、內(nei) 存管理、時間管理和任務間的通信和同步等功能模塊．係統在Linux提供的任務內(nei) 核的基礎上通過設計驅動程序模塊、操作係統的API函數、係統任務、任務調度模塊對操作係統進行擴展．按照各個(ge) 功能的關(guan) 聯性，將程序分為(wei) 多個(ge) 任務模塊，包括主程序、數據采集、數據傳(chuan) 輸以及數據存儲(chu) 。

係統主程序需要完成ARM芯片及外設、Linux的係統和信號量的初始化設置並啟動係統，同時主程序需要啟動驅動調度、網絡通訊以及數據庫等任務線程．主程序流程圖如圖5。

2．1數據采集

數據采集任務是完成各個(ge) 終端設備數據的采集。如圖6程序讀取變量信息，完成後啟動串口通訊線程，再調用設備驅動程序初始化接口。此時采集任務通過向數據總線發送讀取“采集數據"接口數據命令，所有連接在數據總線上的傳(chuan) 感器接到讀取命令後根據數據包判斷是否是向自己發送的讀取命令，如果是就會(hui) 向係統返回設備參數數據，直到數據發送完畢。

圖5主程序流程圖

圖6數據采集任務流程圖

2．2數據傳(chuan) 輸

數據傳(chuan) 輸包含數據發送和數據接收兩(liang) 部分，其中數據發送部分主要將後台數據庫中的數據發送至前端WEB頁麵，數據接收部分主要接收網絡上傳(chuan) 的數據並對數據進行解析執行，數據傳(chuan) 輸流程圖如圖7。

2．3數據存儲(chu)

數據存儲(chu) 主要完成上傳(chuan) 數據的存儲(chu) ，如圖8程序接收到網絡通訊層的通訊中斷消息後，讀取內(nei) 存數據庫中所有變量的信息，根據內(nei) 存數據庫中數據類型的不同選擇不同的存儲(chu) 方案。首先，判斷內(nei) 存數據庫中的數據類型，若內(nei) 存數據庫中的數據是產(chan) 生變化的狀態量(O或1)，則將當前數據寫(xie) 入曆史數據存儲(chu) 緩存隊列。之後，如果內(nei) 存數據庫中的數據是模擬量，則根據所要求的存儲(chu) 方式對模擬量進行存儲(chu) 。若選擇周期存儲(chu) ，則循環判斷周期時間是否達到，達到設定的周期時間則將數據寫(xie) 入曆史數據存儲(chu) 緩存隊列；若是按照精度存儲(chu) ，則按照旋轉門算法對當前數據進行判斷，將符合條件的數據寫(xie) 入曆史數據存儲(chu) 緩存隊列。

圖7數據傳(chuan) 輸任務流程圖

圖8數據存儲(chu) 流程圖

3應用

采用上述設計方案設計開發了Chitic分布式光伏電站數據通訊管理機，該通訊管理機本地WEB配置界麵包含數據視圖、串口配置、通道配置、網絡設置、傳(chuan) 輸配置、服務和係統維護等7大功能，每個(ge) 功能模塊下又包含若幹子功能，如圖9。

數據視圖下電站可以查看當前電站的電量參數、環境參數以及節能參數；設備信息下可以查看當前電站設備的數量以及各個(ge) 設備的運行狀況。

圖9Chitic分布式光伏電站數據通訊管理機WEB配置界麵

串口配置可以配置串口各項參數，實現數據采集和本地查看功能。

通道配置可以配置設備通道信息，將每個(ge) 設備呈樹狀連接，每個(ge) 串口為(wei) 一個(ge) 通道，共有4個(ge) 通道，一個(ge) 通道下可以掛至多l6個(ge) 設備，係統對設備數據集中采集。網絡配置可以IP，數據上傳(chuan) 方式有NET，GPRS，WIFI三種方式可選．傳(chuan) 輸配置可以配置遠程數據中心IP，係統根據所配置的上傳(chuan) 方式將電站數據上傳(chuan) 至數據中心IP。服務項查看係統支持的協議類型以及ModBus保持寄存器的部分功能．係統維護用於(yu) 查看係統版本及序列號，實現係統升級、時間校對和設備重啟等功能。

4 安科瑞網關(guan) 介紹

4.1通信管理機

4.1.1概述

本係列智能通信管理機是一款采用嵌入式硬件計算機平台，具有多個(ge) 下行通信接口及一個(ge) 或者多個(ge) 上行網絡接口，用於(yu) 將一個(ge) 目標區域內(nei) 所有的智能監控/保護裝置的通信數據整理匯總後，實時上傳(chuan) 主站係統，完成遙信、遙測等能源數據采集功能。

同時，本係列智能通信管理機支持接收上級主站係統下達的命令，並轉發給目標區域內(nei) 的智能係列單元，完成對廠站內(nei) 各開關(guan) 設備的分、合閘遠方控製或裝置的參數整定，實現遙控和遙調功能，以達到遠動輸出調度命令的目標。

4.1.2產(chan) 品介紹

4.2數據轉換模塊

4.2.1概述

AF-GSM是安科瑞電氣推出的新型的4G遠程無線數據采集設條，采用嵌入式設計。內(nei) 嵌TCP/IP協議棧，同時采用了功能強大的微處理芯片，配合內(nei) 置看門狗，性能可靠穩定。

本產(chan) 品提供標準RS485數據接口，可以方便的連接RTU、PLC、工控機等設備，僅(jin) 需一次性完成初始化配置。就可以完成對MODBUS設備的數據采集，並且與(yu) 安科瑞服務器進行通訊。

5.2.2產(chan) 品介紹

4.3無線通訊終端

4.3.1概述

AWT100數據轉換模塊是安科瑞電氣推出的新型數據轉換DTU，通訊數據轉換包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN，GPS,WiFi,CE,DP 等通訊方式，下行接口提供了標準RS485數據接口，可以方便的連接電力儀(yi) 表、RTU、PLC、工控機等設備，僅(jin) 需一次性完成初始化配置，就可以完成對MODBUS設備的數據采集；同時AWT100係列無線通訊終端采用了功能強大的微處理芯片，配合內(nei) 置看門狗技術，性能可靠穩定。

AWT200數據通訊網關(guan) 應用於(yu) 各種終端設備的數據采集與(yu) 數據分析。實現設備的監測、控製、計算，為(wei) 係統與(yu) 設備之間建立通訊紐帶，實現雙向的數據通訊。實時監測並及時發現異常數據，同時自身根據用戶規則進行邏輯判斷，大大的節省了人力和通訊成本。

4.4.2產(chan) 品介紹

5結論

設計了一種分布式光伏電站數據通訊管理機，其硬件係統基於(yu) ARM嵌入式處理器設計，通過RS485／232串口對光伏電站終端設備的實時數據進行采集並解析處理，采用以太網／GPRS與(yu) 光伏電站控製係統的服務器相連，實現了數據的遠程無線通訊和傳(chuan) 輸．軟件係統基於(yu) 多任務實時係統Linux，采用模塊化設計，包含了任務管理、內(nei) 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控數據的實時采集、存儲(chu) 、分析處理、上傳(chuan) 和轉發等功能．該係統使用WEB網頁查看和配置光伏電站數據，支持多種通訊規約，支持斷點續傳(chuan) ，擁有數據采集、解析處理、結合曆史數據存儲(chu) 、同步上傳(chuan) 和本地轉發等多項功能．同時，本係統具有成本低、功耗小、數據存儲(chu) 量大、數據處理速度快、能同時實現實時多任務操作等優(you) 點，是分布式光伏電站監控係統的重要組成部分。

安科瑞侯文莉