黃永忠，于朝凱，周曉明，毛拾文 ，陳華才

(1.杭州中自華內(nèi)光電科技有限公司, 浙江 杭州 310018； 2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機(jī)的設(shè)計(jì)

黃永忠1，于朝凱2，周曉明2，毛拾文1，陳華才2

(1.杭州中自華內(nèi)光電科技有限公司, 浙江 杭州 310018； 2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

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.

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

Abstract: A distributed photovoltaic plants data management unit was designed. The hardware was developed on embedded ARM micro-processers, which collected and analyzed the real-time data of the distributed photovoltaic generation plants through RS485/232 serial ports and remote wireless communicates with the server of the PV plants monitoring system through Ethernet/GPRS. The software of the unit was designed on the real-time multi-task system Linux, including the function modules of task management, storage management, time management and remote wireless communication. The functions of the unit include acquisition, processing, upload and retransmission of the data of distributed photovoltaic power generation plants.

Keywords: distributed photovoltaic generation plants;data management unit;embedded system;remote wireless;communication and transmission

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[1]. 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[2]到現(xiàn)在的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控[3-4]，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)[5]. 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)[6]，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(kāi)發(fā)受到了重視[7]. 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(kāi)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Figure 1 Chart of data management unit hardware

1.1 串口電路

通訊管理機(jī)采用UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)和USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)接口轉(zhuǎn)接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Figure 2 Chart of serial ports circuit

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接口先與四通道隔離器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需要先經(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(High Speed Multimedia Card Interface)模塊的物理層接口PIO相連，HSMCI支持流、塊、多塊數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，同時(shí)受DMAC(Direct Memory Access Controller)的控制，最大限度地保護(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(獨(dú)立序列輸入和序列輸出)，1位模式 (獨(dú)立指令和數(shù)據(jù)通道，獨(dú)有的傳輸格式)和4位模式 (使用額外的針腳以及某些重新設(shè)置的針腳，支持四位寬的并行傳輸)，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Figure 3 Chart of SD card storage circuit

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(Media Independent Interface)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(Ethernet Media Access Controller 10/100)模塊. 本系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線，兩端RJ-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LAN Switch的連接.

圖4 以太網(wǎng)口電路結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Ethernet interface circuit diagram

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程序先讀取變量信息，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Figure 5 Flow chart of the main program

圖6 數(shù)據(jù)采集任務(wù)流程圖Figure 6 Flow chart of data collection

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(0或1)，則將當(dāng)前數(shù)據(jù)寫(xiě)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(xiě)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(mén)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(xiě)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Figure 7 Flow chart of data transmission

圖8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖Figure 8 Flow chart of data storage

3 應(yīng) 用

采用上述設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)開(kāi)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.

圖9 Chitic分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機(jī)WEB 配置界面Figure 9 WEB configuration interface of Chitic distributed photovoltaic plant data manage -ment unit

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.

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(shù)狀連接，每個(gè)串口為一個(gè)通道，共有4個(gè)通道，一個(gè)通道下可以掛最多16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)配置可以配置設(shè)備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 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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DesignofChiticdistributedphotovoltaicplantsdatamanagementunits

HUANG Yongzhong1, YU Zhaokai2, ZHOU Xiaoming2, MAO Shiwen1, CHEN Huacai2

(1.Hangzhou Chitic Vana Optoelectronic Tech. CO., LTD, Hangzhou 310018, China; 2.College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

2096-2835(2017)03-0394-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.03.020

2017-05-09 《中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址zgjl.cbpt.cnki.net

TP274.2

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