貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 李境達(dá) 肖文君 劉萬(wàn)松

基于nRF24L01和以太網(wǎng)的微電網(wǎng)通信架構(gòu)設(shè)計(jì)

貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 李境達(dá) 肖文君 劉萬(wàn)松

很多學(xué)者研究微電網(wǎng)通信的時(shí)，大都參考了傳統(tǒng)大電網(wǎng)，而新型的微電網(wǎng)具有其自身的特點(diǎn)，這與大電網(wǎng)有很大的不同，因此使得本來(lái)可以非常簡(jiǎn)單的微電網(wǎng)通信系統(tǒng)變得非常復(fù)雜。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于nRF24L01和以太網(wǎng)的多微型逆變器微電網(wǎng)通信系統(tǒng)，詳細(xì)描述了通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各層之間的通信協(xié)議，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該通信系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高，完全可以滿(mǎn)足微電網(wǎng)。

微電網(wǎng)；無(wú)線(xiàn)通信；以太網(wǎng)；微型逆變器

1 引言

微電網(wǎng)具有污染少、靈活度高、效率高等特點(diǎn)與傳統(tǒng)大電網(wǎng)有很大的不同，因此它的通信方式與大電網(wǎng)也有很大的不同。文獻(xiàn)[1-3]參考傳統(tǒng)大電網(wǎng)設(shè)計(jì)了基于IEC61850的通信系統(tǒng)，對(duì)里面的各個(gè)模型進(jìn)行了改進(jìn)和擴(kuò)充，使得本來(lái)很簡(jiǎn)單的微電網(wǎng)變得非常復(fù)雜。目前世界上有很多國(guó)家都在研究微電網(wǎng)，也建設(shè)了許多微電網(wǎng)示范工程，這些示范工程多采用大容量逆變器來(lái)并網(wǎng)，存在安全隱患。因此本文設(shè)計(jì)了基于nRF24L01和以太網(wǎng)的多微型逆變器微電網(wǎng)通信系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該通信系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高，可以為微電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

典型的多微型逆變器微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型多微型逆變器微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微型逆變器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①能量利用率高；②每個(gè)太陽(yáng)能電池板或小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)都連接一個(gè)逆變器，如果某個(gè)逆變器故障，不會(huì)對(duì)微網(wǎng)造成沖擊；③每個(gè)逆變器都有MPPT跟蹤功能，能使新能源發(fā)電能力得到充分的發(fā)揮；④無(wú)變壓器價(jià)格更低，減少了昂貴的功率器件用量，大大降低了成本；⑤重量輕、體積小降低了包裝和運(yùn)輸成本。微型逆變器的優(yōu)勢(shì)可以概括為“安裝簡(jiǎn)單、智能、節(jié)省、多發(fā)電”。

3 微電網(wǎng)通信構(gòu)架設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)的運(yùn)行控制和管理模式不同于常規(guī)電網(wǎng)，相對(duì)于大電網(wǎng)，微電網(wǎng)顯得十分脆弱，這就要求其有快速恢復(fù)能力與自治能力，這就對(duì)通信系統(tǒng)要求非常高。微電網(wǎng)中某些分布式電源如光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，受天氣變化影響較大；微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式的切換需要隨時(shí)修改微電網(wǎng)的控制方式，這些與傳統(tǒng)大電網(wǎng)有很大不同。這些特點(diǎn)導(dǎo)致微電網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行決策時(shí)所需的信息較傳統(tǒng)電網(wǎng)更加復(fù)雜[4]，因此，微電網(wǎng)通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)通信系統(tǒng)也有所區(qū)別[5,6]。例如在主從控制方式下，微網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行情況下，當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障，微網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)必須檢測(cè)到孤島狀態(tài)，主控電源必須改變控制策略，給微網(wǎng)提供電壓和頻率支撐。在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，如果部分分布式電源發(fā)生故障，系統(tǒng)必須馬上檢測(cè)到，并迅速關(guān)閉靜態(tài)開(kāi)關(guān)，以維持微網(wǎng)的能量平衡。因此微電網(wǎng)的通信比大電網(wǎng)要求要高很多，必須根據(jù)實(shí)際情況，規(guī)劃設(shè)計(jì)微電網(wǎng)通信系統(tǒng)。

根據(jù)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出的微電網(wǎng)通信系統(tǒng)如圖2所示。每一個(gè)發(fā)電單元或者用電單元與測(cè)控單元的通信連接叫一個(gè)結(jié)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)控單元連接多個(gè)結(jié)點(diǎn)。目前通信技術(shù)較多，大體可分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩類(lèi)。根據(jù)本文研究的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)測(cè)控單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信設(shè)計(jì)采用無(wú)線(xiàn)通信，連接在微網(wǎng)母線(xiàn)上的微電源和負(fù)荷容量都相對(duì)較小、重量輕，有時(shí)需要移動(dòng)或者擴(kuò)充容量，這就要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要非常靈活，無(wú)線(xiàn)通信就可以解決這個(gè)問(wèn)題，沒(méi)有電線(xiàn)移動(dòng)起來(lái)更加方便。測(cè)控單元與監(jiān)控中心之間的通信設(shè)計(jì)采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，工業(yè)以太網(wǎng)可以多種介質(zhì)傳輸，傳輸速率可達(dá)1000Mbps，非常適合用于微網(wǎng)的通信。

3.1 測(cè)控單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信

如圖2所示，微網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)分為三層，其中第二層的測(cè)控單元的控制器是AVR單片機(jī)其與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信采用nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行通信。nRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片，其有六個(gè)數(shù)據(jù)通道，在接收模式下可以同時(shí)接收來(lái)自六個(gè)通道的數(shù)據(jù)，這種通信特點(diǎn)正好適合本文研究的微網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)，而且其傳輸最大速率為2000kbps，完全可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的通信速度需求。

圖2 微電網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)圖

測(cè)控單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信構(gòu)架如圖3所示，由多個(gè)微型逆變器組成的微電網(wǎng)一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是與交流母線(xiàn)連接的支路較多，因此本文通信以支路為單位，每個(gè)支路與測(cè)控單元的通信連接叫一個(gè)結(jié)點(diǎn)。例如1號(hào)太陽(yáng)能電池板所在的支路為結(jié)點(diǎn)1，它的現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備就是逆變器上的通信模塊，可以將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式發(fā)送到測(cè)控單元1。nRF24L01擁有6個(gè)數(shù)據(jù)通道，每一個(gè)數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但是共用相同的頻道。本文設(shè)計(jì)每個(gè)測(cè)控單元利用數(shù)據(jù)通道1-5分別和下屬的五個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向通信，即每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有自己的數(shù)據(jù)通道與相應(yīng)的測(cè)控單元進(jìn)行雙向通信；結(jié)點(diǎn)上的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以傳送到測(cè)控單元，測(cè)控單元可以把控制指令下發(fā)到相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)上。測(cè)控單元與每個(gè)結(jié)點(diǎn)除了利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行雙向通信之外，本文還設(shè)計(jì)了廣播的通信方式，一旦控制中心需要給現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)支路發(fā)送控制命令時(shí)，利用廣播的方式可以實(shí)現(xiàn)指令的快速傳送實(shí)現(xiàn)控制的同步性。測(cè)控單元到個(gè)結(jié)點(diǎn)的廣播通信采用數(shù)據(jù)通道0來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 測(cè)控單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信

3.2 測(cè)控單元與監(jiān)控中心之間的通信

測(cè)控單元與監(jiān)控中心之間的通信，即圖2所示的中間層與集中控制層之間的通信。為方便描述，把微電網(wǎng)監(jiān)控中心定義為上位機(jī)（服務(wù)器），測(cè)控單元為下位機(jī)（客戶(hù)端）。

下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信端的主要任務(wù)是完成測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸以及接受上位機(jī)控制指令，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與Internet的TCP/IP通信。本文研究的下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)適配器采用的是RTL8019AS芯片，硬件設(shè)計(jì)如圖7所示，其中單片機(jī)選擇ATmega128，與以太網(wǎng)接口的芯片采用RealTek公司的RTL8019AS，RTL8019AS 是10Mb/s 以太網(wǎng)接口芯片，ISA 接口。同時(shí)通過(guò)MAX232 與PC 機(jī)或其它調(diào)試機(jī)連接，可以顯示調(diào)試或相關(guān)信息。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上網(wǎng)的硬件電路比較簡(jiǎn)單，因此成本也比較低。

圖4 下位機(jī)通信硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)通過(guò)LabVIEW圖形化G語(yǔ)言編寫(xiě)服務(wù)器，使之實(shí)時(shí)偵聽(tīng)來(lái)自下位機(jī)嵌入式網(wǎng)絡(luò)客服的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章首先介紹了典型的多微型逆變器微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了三層的通信方式，第一層與第二層之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，第二層與第三層之間采用nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行通信，并對(duì)通信系統(tǒng)的硬件做了詳細(xì)的描述。多微型逆變器微電網(wǎng)屬于小型微電網(wǎng)，適合一個(gè)家庭或者小型研究室使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該通信系統(tǒng)完全可以滿(mǎn)足微電網(wǎng)SCADA對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求。

[1]辛紅汪．基于IEC61850的微電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．智能電網(wǎng),2015(4):337-343．

[2]袁新喜,談志遠(yuǎn),陶維青．IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用探討[J]．電測(cè)與儀表,2012,49(7):49-53．

[3]蘇建徽．微電網(wǎng)精密時(shí)鐘同步技術(shù)[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備,2016,36(11): 40-44．

[4]姜桂林．獨(dú)立微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)[J]．內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào),2015,44(5):600-604．

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[6]張海寧,劉衛(wèi)亮,徐東東．基于LabView的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2015,18(5):28-31．

李境達(dá)（1986—），河北邯鄲人，碩士，助教，主要研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)與微電網(wǎng)控制方法。

貴州省科學(xué)技術(shù)基金（黔科合J字[2014]2124號(hào)）；貴州師范大學(xué)課程—團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KT2014007H）。