海 濤 梁挺興 彭舜杰 林 波 朱 浩 陳 凱

(廣西大學電氣工程學院1，廣西 南寧 530004;廣西比迪光電科技工程有限責任公司2，廣西 南寧 530031)

0 引言

遠程監(jiān)控技術已在農業(yè)、電力行業(yè)、工業(yè)、軍事等領域得到廣泛的應用［1］。隨著光伏發(fā)電技術的發(fā)展，光伏裝機容量在電網中所占的比例不斷增加，越來越多的獨立和并網光伏電站即將或已經投入運行使用。當光伏電站需要更為智能化、人性化的科學管理時，可靈活擴展的遠程光伏監(jiān)控系統(tǒng)則顯得至關重要［2］。市場上的很多光伏設備是國內外不同廠商生產的不同產品，大部分廠商只開發(fā)用于自己產品的監(jiān)控平臺。當一個已被投入運行的光伏系統(tǒng)需要擴大運行規(guī)模時，需對原有的監(jiān)控系統(tǒng)重新部署，其面臨的難題將是:添加原系統(tǒng)沒有的新設備，淘汰落后的設備;原來的光伏設備已經不再生產或者最新的光伏設備的成本更低、性能更好;添加新的控制和管理功能。漫長的重部署過程將影響光伏電站的生產過程，故提出一種可靈活擴展的光伏監(jiān)控系統(tǒng)方案，縮短重新設計監(jiān)控系統(tǒng)的時間，作出少量的改變，即可讓擴展后的系統(tǒng)重新運行;采用多線程的設計方案提高系統(tǒng)運行的速度。

1 監(jiān)控方案的選擇

1.1 常用的幾種監(jiān)控方案

按通信介質分類，光伏遠程監(jiān)控的方式可分為有線監(jiān)控和無線監(jiān)控兩類［3］。本文重點介紹如何實現有線光伏監(jiān)控系統(tǒng)的靈活擴展部分，3 種常見的有線監(jiān)控方案對比說明如下。

方式1:下位機采用如RS-485 總線等工業(yè)總線直接與上位機通信。該方式的特點是能小范圍內實現監(jiān)控，結構簡單，成本低。缺點是無法實現遠距離監(jiān)控，在單總線上，節(jié)點數量受限制，不同通信速率的設備很難共存，無法實現靈活的擴展。

方式2:采用公用電話網監(jiān)控方式。該方式的特點是通過對連接公用電話網的Modem 進行撥號，其實就是大部分居民家里很常見的上網方式。雖然該方式能實現遠距離監(jiān)控，但是本地主機和遠程主機都必須配置Modem，控制方式也相對繁雜，使用不廣泛［4］。

方式3:在第一種方式的基礎上，將RS-485 等通信接口轉換為以太網接口，并通過工業(yè)以太網交換機和路由器實現局域網和互聯(lián)網的監(jiān)控方式。其特點是監(jiān)控范圍廣、通信速度快、節(jié)點數無限制，可在此基礎上實現遠程監(jiān)控系統(tǒng)的靈活擴展［5］。

1.2 以太網監(jiān)控方案

基于光伏電站地處偏遠、占地遼闊的特點，本文選擇方式3 作為光伏系統(tǒng)的遠程監(jiān)控方案。光伏發(fā)電發(fā)展迅猛，在市場上能買到各式各樣的光伏設備［6］。研發(fā)光伏設備的廠商為搶占市場份額，必須遵循業(yè)內標準。大多數光伏設備都配置了RS-485 通信接口+Modbus 通信協(xié)議的通信選擇，故提出基于串口服務器(serial port server，SPS)的以太網監(jiān)控方案，如圖1所示。

圖1 基于串口服務器的以太網監(jiān)控方案Fig.1 Ethernet monitoring solution based on serial port server

實驗中，使用6 塊標稱功率為50 W 的光伏組件組成光伏陣列，先串聯(lián)兩塊，再并聯(lián)三路輸出，經繼電保護模塊后，由匯流箱匯集成一路輸出，最后由并網逆變器輸送至電網。在匯流箱中可以獲取光伏陣列的輸出參數，通過交流電采集模塊可采集并網逆變器的輸出參數，由于兩者輸出的參數變化快，將它們連接到波特率較大的串口服務器1。繼電保護模塊和由溫度采集模塊和太陽總輻射傳感器組成的環(huán)境氣象儀并不需要很快的通信速率，將它們連接到波特率較小的串口服務器2。串口服務器實現了RS-485 轉以太網的功能，是方式3 的關鍵部件。SPS1、SPS2和本地主機都要經交換機而處于同一個網段。

1.3 串口服務器

串口服務器(SPS)可以很大程度地降低系統(tǒng)復雜性和提高系統(tǒng)的可擴展性，不同波特率的設備只需接在對應的SPS 上，監(jiān)控軟件統(tǒng)一地只負責對SPS 以太網端的操作，減小了設計監(jiān)控系統(tǒng)的工作量。靈活地利用這個特性就能實現可擴展的遠程監(jiān)控平臺［7］。該方案使用的SPS 支持TCP 協(xié)議，使用VB.NET 語言的Socket 接口完成對底層設備的控制。SPS 必須配置后才能使用，而配置過程也是比較簡單的，只需在瀏覽器中輸入默認地址進入Web 管理頁面，設置相關IP 和串口相關的參數［8］。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件的詳細設計

在Microsoft Visual Studio 2010 的集成開發(fā)環(huán)境中，使用面向對象的VB.NET 語言編寫程序，其中VB.NET 語言中所提供的部分功能和接口是該方案實現光伏監(jiān)控系統(tǒng)靈活擴展的邏輯基礎。使用SQL Server 2000 數據庫存儲監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數據。

2.1 軟件設計的總體思路

本方案的主要目的是在硬件和程序邏輯上作出很小的改動，便可以實現光伏遠程監(jiān)控系統(tǒng)的靈活擴展。在軟件部分實現系統(tǒng)靈活擴展的關鍵是:將不同類型、不同型號的設備定義成對應的設備類，系統(tǒng)擴展則表現為對應設備類的增減。

2.2 需求分析

基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、匯流箱和并網逆變器構成。市場上主流的光伏設備都配置了帶Modbus 協(xié)議的RS-485 接口，再設置一個SPS，就能通過以太網監(jiān)控匯流箱和并網逆變器。因此，軟件部分實現設備類模塊、Modbus 模塊、TCP 模塊和數據庫模塊能實現基本的光伏遠程監(jiān)控系統(tǒng)。匯流箱采用安科瑞的8 路匯流箱。由于所使用的并網逆變器不帶通信接口，故使用DAM_3502 交流電采集模塊監(jiān)控并網逆變器的輸出。

2.3 軟件組織

合理、清晰、有效的軟件組織是解決移植和擴展問題的基礎。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件組織和功能模塊如圖2 所示，各個功能模塊之間相互獨立。

圖2 軟件組織與功能模塊Fig.2 The software organization and functional modules

圖2(a)中，MyClass 存放所有的設備類、Modbus協(xié)議類、Socket 處理類和數據庫處理類;SysFile 存放網絡、設備和數據庫的配置參數;MyModule 存放軟件運行后的全局參數;MyForm 存放軟件全部的窗體模塊;Main 主要負責啟動軟件和調用以上功能模塊。Socket數據的收發(fā)、數據庫的存儲、數據的顯示部分采用了VB.NET 的多線程技術，在隊列數據結構的配合下，提高了數據處理速度。

2.4 功能模塊的設計

各功能模塊的自定義結構體如表1 所示。

表1 功能模塊的自定義結構體Tab.1 The custom structures of function modules

系統(tǒng)各功能模塊的主要功能如下。MyModbusRTU模塊完成Modbus 數據的提取;通過VB. NET 提供的System.Net.Sockets 接口實現MySocketTCP 模塊;MySQL模塊完成數據庫的操作;MyDev 模塊從Modbus 數據中提取真實的設備數據。各功能模塊結構如圖3所示。

①MyModbusRTU 模塊。

該模塊是設備層應用的基礎，如圖3(a)所示。其中Modbus 功能函數和獲取Modbus 數據是該模塊的主要功能。為了靈活地實現與其他模塊之間的關聯(lián)，自定義了4 個結構體，如表1 的前4 行所示，它們是實現系統(tǒng)靈活擴展的關鍵。Dev 用于描述設備，設備名DevName和DevClass 是該結構的兩個重要參數。RW_Cmd 用于描述Modbus 協(xié)議命令，其中RegName 代表一次讀寫操作，DevObj 是Object 類型變量，表示該命令的所屬設備。Fun_Data 用于描述Modbus 返回數據，其中CopeType 表示是讀還是寫，Cmd 表示是由哪個Modbus 命令返回。ReturnData 用于描述設備數據，其中DevObj 表示對于哪個設備，Data 表示該設備的真實數據。在結構體中嵌入Object 類型變量能實現在程序邏輯上的靈活應用［9］。在Mobus 功能函數部分實現了不同功能碼的處理函數，1 ～4 號功能碼的處理函數為:

ReadRegister(ByVal Cmd01_04 As RW_Cmd)As Byte()

圖3 功能模塊結構圖Fig.3 Structure of functional modules

②MySocketTCP 模塊。

該模塊是網絡通信的基礎，如圖3(b)所示。其中Socket 連接、發(fā)送和接收是該模塊實現的主要功能，使用在類模塊中嵌入多線程和數據隊列的方式實現。在多SPS 應用時，只需使用New 方法建立對應數量的MySocketTCP 類對象，便可實現多 SPS 的擴展。MySocketTCP 模塊的工作過程如圖4 所示。

圖4 MySocketTCP 模塊的工作過程Fig.4 The work process of MySocketTCP module

③MyDev 模塊。

MyDev 模塊是所有設備類的集合，系統(tǒng)擴展體現在MyDev 中設備類的增減。以實現設備類DAM_3502 為例，如圖3(c)所示，設備類具有相同的格式，修改部分代碼就可以實現不同的設備類。為便捷地實現一個設備類，自定義了參數寄存器描述結構體RegDescript，如表1 的最后一行所示。其中，Name 表示該參數描述的名稱，也稱之為一次操作;Start 表示該參數在設備中的起始地址;Len 表示該參數的長度;WR 表示該參數是否可寫;Show 表示該參數是否可顯示。如對逆變器輸出功率的描述，則設置為(“InverterActivePower”，12，1，False，True)。設備類的主要功能是處理FunData 數據，從而獲得ReturnData 數據，并壓入ReturnData 隊列，為之后的顯示和數據庫操作搭起了一座橋梁。

④MySQL 模塊。

在VS2010 中，只有System. Data. OleDb 接口支持SQL Server 2000 數據庫，MySQL 模塊如圖3(d)所示。數據庫操作是該模塊的主要部分，實現了從ReturnData 隊列中提取ReturnData 數據。在MySQL 模塊中，擴展的靈活性體現在ReturnData 數據中操作名稱Name 與數據庫表格中的表格名稱一致。

3 系統(tǒng)運行與擴展過程

3.1 系統(tǒng)運行實驗

系統(tǒng)運行界面如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)運行界面Fig.5 The system running interface

擴展前監(jiān)控系統(tǒng)由匯流箱、交流電采集模塊和串口服務器1 組成。必須設置數據庫參數、網絡參數、設備參數后，系統(tǒng)才能正常運行。系統(tǒng)運行過程為:當窗體加載后，調用系統(tǒng)運行函數，首先配置所有的運行信息，如果成功，則連接所有的串口服務器，否則報警并等待再次運行。如果所有串口服務器連接成功，則啟動所有的線程，否則等待重新連接，其運行界面如圖5(a)所示。從圖中可清晰地看出當天6 點至18 點的小時發(fā)電量。

3.2 系統(tǒng)擴展實驗

考慮到此時的監(jiān)控系統(tǒng)過于簡單，可加入繼電保護模塊、溫度模塊和太陽總輻射傳感器模塊擴展系統(tǒng)。由溫度模塊和輻照度傳感器模塊組成的環(huán)境氣象儀，可以采集到光伏發(fā)電的氣象數據;利用歷史的光伏發(fā)電數據和氣象數據，可以實現發(fā)電預測的功能［10］。擴展過程如下:①以實現DAM_3502 設備類的方法，為繼電保護模塊、溫度模塊和太陽總輻射傳感器模塊編寫 設 備 類(RelayControl、WP3066ADAMTemperature、SR100);②添加串口服務器2;③設置繼電保護模塊、溫度模塊和太陽總輻射傳感器模塊;④調整界面，運行程序，界面如圖5(b)所示。

4 結束語

本設計實現了系統(tǒng)靈活擴展，提高了軟件的組織性，減少了對計算機資源的占用。在該方案基礎上，不但可以開發(fā)基于C/S 的軟件，還能開發(fā)基于B/S 的軟件。雖然是針對光伏電站所設計的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，但是稍作改變，便可應用于其他領域。

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