任 藝，王 南，陳藝峰，朱淇涼

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司， 湖南 株洲 412001）

0 引言

集散式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、集散電源和并網(wǎng)逆變器組成。集散電源代替了集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電方案中的直流匯流箱，并且集成了多路最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）控制功能和DC/DC升壓功能[1-4]；其內(nèi)部含有多個(gè)DC/DC升壓變換器模塊，每個(gè)模塊的若干光伏組串共用一個(gè)MPPT控制器，且各個(gè)MPPT控制器之間為分散控制。集散電源內(nèi)部的系統(tǒng)控制器與各個(gè)MPPT控制器通過通信總線進(jìn)行連接，構(gòu)成雙層自律協(xié)同控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)同控制[5]。以往集散電源的通信總線采用RS485主從協(xié)議，其特點(diǎn)是從站不可主動(dòng)發(fā)送報(bào)文幀，除非收到了主站相應(yīng)的請求幀。系統(tǒng)控制器獲取每個(gè)MPPT控制器數(shù)據(jù)時(shí)，需要一個(gè)個(gè)輪詢，當(dāng)通信報(bào)文發(fā)生誤碼或DC/DC升壓變換器被從系統(tǒng)中切除時(shí)，系統(tǒng)控制器會等待一個(gè)超時(shí)時(shí)間后才會繼續(xù)發(fā)送請求幀，應(yīng)答等待及收發(fā)切換時(shí)間的存在降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并且可能引起MPPT控制器的故障信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的超時(shí)傳遞。本文采用多主通信方式的CAN總線替代主從通信方式的RS485總線，并基于CAN動(dòng)態(tài)優(yōu)先級分配算法，提出了一種記憶平衡設(shè)定初始優(yōu)先級的方法。采用該總線協(xié)議可有效降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提升網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性，并且節(jié)點(diǎn)配置靈活，可通用于不同MPPT個(gè)數(shù)的集散電源。

1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

集散電源采用分散控制、集中管理的方式，形成雙層自律協(xié)同的控制系統(tǒng)（圖1）。多臺DC/DC升壓變換器內(nèi)部的MPPT控制器組成了分散控制層，對該升壓變換器所接若干光伏組串進(jìn)行MPPT尋優(yōu)控制。各MPPT控制器完全獨(dú)立運(yùn)行，相互間無任何信息交換。系統(tǒng)控制器為集中控制層，接收每個(gè)光伏組串的工作參數(shù)并監(jiān)測各光伏組串的電壓和電流，以進(jìn)行系統(tǒng)級監(jiān)控和管理[5]?；诩夹g(shù)和成本方面的考慮，目前集散電源內(nèi)部MPPT控制器的個(gè)數(shù)NM一般為3～8個(gè)；但為了更好地適配光伏組串的輻照情況，提升系統(tǒng)的發(fā)電量，集散電源內(nèi)部MPPT控制器的個(gè)數(shù)可多達(dá)16個(gè)[5]。

圖1 集散電源雙層自律協(xié)同控制系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of double-layer cooperative control system for D&C PV system

集散電源在運(yùn)行過程中，若DC/DC升壓變換器存在故障停運(yùn)或組串未接現(xiàn)象，為不影響集散電源的正常運(yùn)行，可以將其從通信網(wǎng)絡(luò)中切除；一旦DC/DC升壓變換器模塊發(fā)生嚴(yán)重故障或異常，則立即通知系統(tǒng)控制器。

2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN總線具有如下特點(diǎn)[6-7]：（1）為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)都可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息；（2）采用CSMA/DC(載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測)協(xié)議，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級高的繼續(xù)發(fā)送，優(yōu)先級低的則主動(dòng)退出發(fā)送狀態(tài)，等待下一次發(fā)送機(jī)會；（3）采用短幀結(jié)構(gòu)并且每幀信息都有CRC校驗(yàn)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率小，并且具有極低的錯(cuò)誤率；（4）CAN總線具備錯(cuò)誤處理功能，在節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下可自動(dòng)關(guān)閉該節(jié)點(diǎn)的輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的通信不受影響。

雖然CAN總線在網(wǎng)絡(luò)利用率低時(shí)具備良好的通信實(shí)時(shí)性，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)增多、傳輸數(shù)據(jù)量增大時(shí)，CAN節(jié)點(diǎn)通信幀之間的碰撞可能導(dǎo)致低優(yōu)先級通信幀的通信延時(shí)過長，甚至一直無法成功發(fā)送。于是，學(xué)者們提出了時(shí)分復(fù)用及動(dòng)態(tài)優(yōu)先級分配的方法來提高周期性數(shù)據(jù)及非周期性數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性[8]?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種集散電源控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌▓D2），其CAN協(xié)議只包括了開放系統(tǒng)互連基本參考模型（open systems interconnection reference model, OSI/RM）的第一層(物理層)和第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)；在這兩層的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)應(yīng)用層協(xié)議，包括幀標(biāo)識符設(shè)計(jì)和幀數(shù)據(jù)段設(shè)計(jì)。

圖2 集散電源控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig. 2 Communication network topology of the control system for D&C PV system

2.1 幀標(biāo)識符設(shè)計(jì)

通信網(wǎng)絡(luò)中傳遞的數(shù)據(jù)主要為系統(tǒng)控制器的控制指令和MPPT控制器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及故障信息?；谶@些數(shù)據(jù)的優(yōu)先級及動(dòng)態(tài)優(yōu)先級分配方法，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)幀標(biāo)識符定義，如表1所示。

表1 幀標(biāo)識符定義Tab. 1 Definition of frame identifier

2.1.1 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級分配方法

CAN優(yōu)先級的意義在于在有限的通信帶寬中確保優(yōu)先級高（實(shí)時(shí)性要求高）的通信幀優(yōu)先發(fā)出，延時(shí)最短。但標(biāo)識符中一般也存在與實(shí)時(shí)性要求無關(guān)的部分，如源地址。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級分配法的主要思想為分離CAN標(biāo)識符的優(yōu)先級部分和標(biāo)示部分，在通信幀仲裁失敗時(shí)可提升其優(yōu)先級來減小通信延遲。

通信幀初始優(yōu)先級P0和提升后優(yōu)先級P的關(guān)系為[8]

式中：f(n)——優(yōu)先級提升的大??；n——仲裁失敗的次數(shù)。

若采用線性方式提升優(yōu)先級，則f(n)=kn，k為優(yōu)先級提升系數(shù)。

2.1.2 記憶平衡方法

綜上可知，動(dòng)態(tài)優(yōu)先級分配方法增加了低優(yōu)先級通信幀在仲裁失敗重發(fā)時(shí)的成功率。但是，該節(jié)點(diǎn)在下次發(fā)送通信幀時(shí)依然會變回初始優(yōu)先級，這使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)發(fā)出的同幀類別信息的通信幀其優(yōu)先級排序大體上還是按照該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的源地址的大小進(jìn)行。為此，本文提出一種記憶平衡的方法來動(dòng)態(tài)定義初始優(yōu)先級：當(dāng)某節(jié)點(diǎn)由于仲裁失敗導(dǎo)致優(yōu)先級升級為Pn時(shí)才發(fā)送成功，則下一次該節(jié)點(diǎn)發(fā)送同類型通信幀時(shí)，初始優(yōu)先級直接為Pn；若其依然仲裁失敗，則按原優(yōu)先級提升方法繼續(xù)提升。

2.1.3 特殊初始優(yōu)先級定義

所有通信幀中，優(yōu)先級最高的為觸發(fā)發(fā)送的系統(tǒng)控制器的控制指令和MPPT控制器的故障信息。這些數(shù)據(jù)觸發(fā)發(fā)送時(shí)，初始優(yōu)先級最高，為0000(B)。

2.2 幀數(shù)據(jù)段設(shè)計(jì)

由于每個(gè)幀數(shù)據(jù)段內(nèi)部最多可傳遞8個(gè)字節(jié)，而單個(gè)MPPT控制器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及故障信息超過8個(gè)字節(jié)，單幀無法完成傳輸，所以本文采用多數(shù)據(jù)幀分節(jié)傳輸?shù)姆绞?。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)段的構(gòu)成如表2所示，其中前2個(gè)字節(jié)（DATA7和DATA6）為數(shù)據(jù)組序號，后6個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)內(nèi)容。

表2 幀數(shù)據(jù)段的構(gòu)成Tab. 2 Composition of frame data segment

3 應(yīng)用計(jì)算分析

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是衡量網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能的指標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)排隊(duì)理論，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的利用率增大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)引起的時(shí)延也會增大，甚至在極端情況下會導(dǎo)致時(shí)延變?yōu)闊o窮大[7-8]。因此，本文對集散電源控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用RS485協(xié)議及CAN協(xié)議的總線利用率和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延這兩個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行分析。

3.1 總線利用率

在不考慮非周期性通信幀及通信錯(cuò)誤的情況下，NMMPPT集散電源控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)使用Modbus-RS485協(xié)議和CAN協(xié)議的總線利用率U的計(jì)算分別見式（2）和式（3）：

式中：ND和TD——實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和發(fā)送周期；NF和TF——故障信息的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和發(fā)送周期；NC和TC——控制指令的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和發(fā)送周期；NB——一幀數(shù)據(jù)包含的位數(shù)(包含幀間隔)；若數(shù)據(jù)段含8個(gè)字節(jié)，則NB的最大值和最小值分別為135(NBmax)和111(NBmin)[9]；S——通信網(wǎng)絡(luò)速率。

式（2）未包含系統(tǒng)控制器和MPPT控制器的收發(fā)切換時(shí)間、MPPT控制器的應(yīng)答延時(shí)及系統(tǒng)控制器的請求間隔時(shí)間。式（3）中，ND，NF，NC為3的倍數(shù)。

假定ND，NF和NC分別為18、18和3，TD，TF和TC分別為250 ms、100 ms和100 ms，RS485(不含延時(shí))、RS485Delay(含收發(fā)延時(shí)1 ms)、CANMin(NB取NBmin)、CANMax(NB取NBmax)在網(wǎng)絡(luò)速率為100 kb/s和250 kb/s時(shí)總線利用率的計(jì)算值分別見表3和表4。分析結(jié)果表明：在節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)量大時(shí)，RS485總線利用率略低于CAN的，但若考慮控制器的收發(fā)延時(shí)，則RS485總線利用率會大幅增加。

表3 100 kb/s速率時(shí)總線利用率估算值Tab. 3 Estimate values of bus utilization at 100 kb/s

表4 250 kb/s速率時(shí)總線利用率估算值Tab. 4 Estimate values of bus utilization at 250 kb/s

3.2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延由發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延4個(gè)部分組成[7]。由于通信總線布置在集散電源內(nèi)部，總線長度較短，并且現(xiàn)代處理器的運(yùn)算速度較快，故本節(jié)估算時(shí)忽略傳播時(shí)延和處理時(shí)延，則網(wǎng)絡(luò)時(shí)延[10-11]為

式中：tm——信息m的排隊(duì)時(shí)延；Cm——信息m的發(fā)送時(shí)延。

若使用Modbus-RS485協(xié)議，則當(dāng)m為控制指令時(shí)，tm為上一請求及應(yīng)答幀占用總線的時(shí)長；當(dāng)m為故障信息時(shí)，tm為從故障信息生成到輪詢時(shí)間之間的時(shí)間差，均值可取TF/2；當(dāng)m為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，在不考慮通信異常（即：輪詢周期完全固定）時(shí)，tm可忽略?？刂浦噶詈头强刂浦噶钚畔⒌陌l(fā)送時(shí)延分別為式（5）和式（6）：

式中：Nm——信息m中包含的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

若使用CAN協(xié)議，則tm的數(shù)學(xué)期望見式（7）[10-11]：

式中：h(m)——優(yōu)先級高于信息m的報(bào)文集合；Tj——優(yōu)先級高于信息m的報(bào)文平均傳輸周期，Cj——平均傳輸時(shí)間；τbit——總線上傳輸一個(gè)位所需要的時(shí)間。

假定通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議內(nèi)容(數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)及時(shí)間周期)與3.1節(jié)所述的一致，且CAN動(dòng)態(tài)優(yōu)先級分配方法中的初始優(yōu)先級P0和提升后優(yōu)先級P的關(guān)系為P=P0-n。在不考慮非周期性通信幀及通信錯(cuò)誤的情況下，4 MPPT集散電源控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)在通信速率為100 kb/s時(shí)，估算觸發(fā)發(fā)送的控制指令和故障信息及周期發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，具體見表5～表7。

表5 4 MPPT集散電源(通信速率100 kb/s）控制指令報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延估算值Tab. 5 Network delay estimate values of control instruction message for 4 MPPT D&C PV system(Communication rate is 100 kb/s) （單位：μs）

表6 4 MPPT集散電源(通信速率100 kb/s）故障信息報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延估算值Tab. 6 Network delay estimate values of fault information message for 4 MPPT D&C PV system(Communication rate is 100 kb/s) （單位：μs）

表7 4 MPPT集散電源(通信速率100 kb/s）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延估算值Tab. 7 Network delay estimate values of real-time data message for 4 MPPT D&C PV system(Communication rate is 100 kb/s) （單位：μs）

表5～表7分析結(jié)果表明：（1）以CAN協(xié)議中優(yōu)先級最低、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最長的控制器4為例，使用CAN協(xié)議替代RS485協(xié)議后，其故障信息、控制指令和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分別縮短了約82.7%、52.1%和65.8%（NB取均值）。CAN獨(dú)特的短幀結(jié)構(gòu)使得在單次需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少時(shí)，傳輸時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延有效縮短；多主工作方式的CAN協(xié)議使得MPPT控制器的故障信息可以主動(dòng)發(fā)送，從而有效縮短了故障信息的排隊(duì)時(shí)延。（2）以CAN協(xié)議中優(yōu)先級最低、仲裁失敗概率最高的控制器4為例，使用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級分配方法后，其故障信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分別縮短了約17.2%和3.1%，而且MPPT控制器之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延縮短了約57.9%（NB取NBmin）。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級分配方法和特殊初始優(yōu)先級的定義，減少了觸發(fā)發(fā)送的故障信息及周期發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的排隊(duì)時(shí)延，并且縮短了MPPT控制器之間發(fā)出數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，有效避免了編號最大MPPT控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)幀總是仲裁失敗的情況。（3）記憶平衡方法進(jìn)一步優(yōu)化了動(dòng)態(tài)優(yōu)先級分配算法的結(jié)果。采用記憶平衡方法后，MPPT控制器之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延縮短了約12.5%（NB取NBmin）。

4 結(jié)語

本文采用多主通信方式的CAN總線替代原有主從通信方式的RS485總線，大幅縮短了通信總線的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；在采用了動(dòng)態(tài)優(yōu)先級分配方法和記憶平衡方法后，最大限度地縮短了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)時(shí)性要求最高的通信幀的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，并縮短了MPPT控制器之間發(fā)出數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)差。替代后，總線的實(shí)時(shí)性有很大提高，并且節(jié)點(diǎn)配置靈活，可通用于不同MPPT個(gè)數(shù)的集散電源。但在本文的分析過程中，未考慮通信錯(cuò)誤的情況且忽略了處理器的處理時(shí)延，后續(xù)將繼續(xù)對這部分進(jìn)行分析試驗(yàn)，并依據(jù)通信幀的詳細(xì)優(yōu)先級需求，優(yōu)化動(dòng)態(tài)優(yōu)先級的提升方式及初始優(yōu)先級的定義方法。