李 帥， 杜吉龍， 劉振國， 鄭伊笑， 吳遜怡

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所有限公司， 北京 100120）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，我國大力推進(jìn)光伏發(fā)電項目。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，僅在2022 年，太陽能發(fā)電新增8741 萬kW。23 年4 月，國家能源局發(fā)布了《2023 年能源工作指導(dǎo)意見》，明確提出“2023 年風(fēng)電、光伏裝機(jī)增加1.6 億千瓦左右”的目標(biāo)。 現(xiàn)如今，光伏發(fā)電地位日益突顯、行業(yè)發(fā)展迅速，很多企業(yè)和組織都開始嘗試投資建設(shè)光伏發(fā)電項目，大幅提高了清潔能源利用率，目前已成為引領(lǐng)我國新能源經(jīng)濟(jì)的龍頭行業(yè)之一。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中涉及的設(shè)備類型和數(shù)量通常很多，如光伏逆變器、光伏并網(wǎng)斷路器、監(jiān)測設(shè)備、傳感器等，這些設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)非常龐大。 隨著光伏系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，項目呈現(xiàn)地域分布廣、設(shè)備規(guī)模大、數(shù)據(jù)量劇增等特點(diǎn)，使得光伏系統(tǒng)的監(jiān)測和管理變得越來越復(fù)雜。 集成網(wǎng)關(guān)的出現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和上傳，從而實(shí)現(xiàn)對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)測和管理。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及深入，在光伏發(fā)電領(lǐng)域，同樣需要通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對光伏系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測和管理，并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)皆贫似脚_。 集成網(wǎng)關(guān)就是支撐這個互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺的核心設(shè)備， 集成了多種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，可以實(shí)現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行全面、高效的集中監(jiān)測和管理。

1 基于光伏集成網(wǎng)關(guān)的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于光伏集成網(wǎng)關(guān)的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，光伏板先將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，并將其輸送給匯流箱。匯流箱將多個光伏板的電流集中到一起， 并通過直流電纜輸送給逆變器的設(shè)備。 逆變器將收到的直流電轉(zhuǎn)換為交流電。它將直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)相匹配的交流電，并將其注入電網(wǎng)前端的光伏開關(guān)。 光伏開關(guān)根據(jù)發(fā)電及用電情況，控制光伏系統(tǒng)同電網(wǎng)的連接和斷開，起到保護(hù)電網(wǎng)，保護(hù)本地光伏發(fā)電設(shè)備的作用。集成網(wǎng)關(guān)是光伏系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)交互設(shè)備，負(fù)責(zé)監(jiān)控、控制和管理整個系統(tǒng)。它接收來自逆變器、光伏開關(guān)和匯流箱的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理、存儲、分析和上傳。集成網(wǎng)關(guān)通過4G 網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和發(fā)電管理功能。

圖1 基于光伏集成網(wǎng)關(guān)的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 集成網(wǎng)關(guān)的功能

2.1 數(shù)據(jù)采集

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中， 集成網(wǎng)關(guān)通常需要采集各個設(shè)備所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，包括電能質(zhì)量、電能數(shù)據(jù)、統(tǒng)計記錄、凍結(jié)數(shù)據(jù)等信息。 對于一些常見的設(shè)備，如光伏逆變器、光伏并網(wǎng)斷路器、電能數(shù)顯表等，可以通過485 通信并訪問各設(shè)備的寄存器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 以獲取更加全面的數(shù)據(jù)信息。

為了實(shí)現(xiàn)這一數(shù)據(jù)采集功能，本設(shè)計選擇了GD32F103RET6作為主控制器， 并采用SP485 作為485 通信芯片。 采用Modbus-RTU 串行協(xié)議， 通過RS-485 串行接口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)各光伏設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，首先需要獲取現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際總線地址，并進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置。 為此，筆者設(shè)計了一款集成網(wǎng)關(guān)配置軟件，可通過一鍵配置來實(shí)現(xiàn)。 該配置軟件示例如圖2 所示。

圖2 集成網(wǎng)關(guān)配置軟件

在獲取設(shè)備配置后， 我們可以通過讀取和寫入寄存器的方式，向目標(biāo)設(shè)備發(fā)送讀取或?qū)懭朐O(shè)備數(shù)據(jù)的請求。一旦設(shè)備接收到請求，它會將相應(yīng)的數(shù)據(jù)放入寄存器中，并將寄存器中的數(shù)據(jù)返回至集成網(wǎng)關(guān)。通過這種方式，集成網(wǎng)關(guān)可以采集到各底層設(shè)備的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息。

2.2 數(shù)據(jù)上傳

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中， 數(shù)據(jù)上傳至云端平臺也是至關(guān)重要的一部分。為了實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)上傳和管理，集成網(wǎng)關(guān)在硬件設(shè)計上采用域格CLM920_YV9 通訊模塊。 該設(shè)備能夠支持GPRS、LTE 等多種通信方式， 采用最新的通訊技術(shù)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)上傳和下載。在軟件功能設(shè)計中，首先需要配置設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，包括APN、MAC 地址等信息。 然后通過調(diào)用相應(yīng)的AT 指令，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至云端平臺?？梢栽O(shè)置上傳周期，以實(shí)現(xiàn)定時上傳或?qū)崟r上傳。 在數(shù)據(jù)上傳時采用國際通用電力規(guī)約IEC104 協(xié)議， 它是一種常用于在自動化系統(tǒng)中傳輸遙測、遙信、遙控和保護(hù)信息的通訊協(xié)議。通過該協(xié)議，可以將采集到的光伏發(fā)電系統(tǒng)中的各項數(shù)據(jù)發(fā)送到對應(yīng)的云數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理。

2.3 系統(tǒng)管理

集成網(wǎng)關(guān)可以對光伏系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)測和管理，包括設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、異常報警等。 例如可實(shí)現(xiàn)報警檢測： 集成網(wǎng)關(guān)通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測來判斷系統(tǒng)是否有異常情況， 如系統(tǒng)的電壓是否過高、電流是否過載、溫度是否過高等。 如果檢測到異常情況，集成網(wǎng)關(guān)會及時報警并采取相應(yīng)措施。這樣光伏系統(tǒng)的運(yùn)行情況、故障信息、設(shè)備狀態(tài)等均可以通過互聯(lián)網(wǎng)及時傳遞到設(shè)備控制中心， 設(shè)備操作人員可以及時了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，及時進(jìn)行調(diào)整和控制。同時做到系統(tǒng)優(yōu)化：集成網(wǎng)關(guān)可以通過對數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、監(jiān)測等多個環(huán)節(jié)的優(yōu)化，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，從而減少系統(tǒng)的宕機(jī)時間，并降低運(yùn)維成本。

3 集成網(wǎng)關(guān)的特性

3.1 多協(xié)議和多設(shè)備支持

集成網(wǎng)關(guān)能夠與多種品牌和設(shè)備進(jìn)行通信， 并適配它們的通信協(xié)議，如華為、陽光等品牌逆變器，匯流箱，光伏開關(guān)等。通過支持多種通信協(xié)議，集成網(wǎng)關(guān)可以與不同品牌和設(shè)備之間進(jìn)行無縫的數(shù)據(jù)交換， 實(shí)現(xiàn)與各個光伏設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)采集。同時，集成網(wǎng)關(guān)可以同時管理光伏發(fā)電系統(tǒng)中的多種設(shè)備類型，包括光伏逆變器、光伏并網(wǎng)斷路器、 傳感器等， 將不同設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和匯總，實(shí)現(xiàn)對整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控。

3.2 高效穩(wěn)定性

集成網(wǎng)關(guān)具有高效的數(shù)據(jù)采集、處理和上傳功能，幫助光伏發(fā)電系統(tǒng)提高運(yùn)行效率和性能。同時，集成網(wǎng)關(guān)的高穩(wěn)定性保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性， 確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 這對于保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

3.3 物聯(lián)融合與集成化

現(xiàn)代光伏發(fā)電系統(tǒng)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求越來越高，集成網(wǎng)關(guān)能夠輕松實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合， 實(shí)現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)管和管理。另外，集成網(wǎng)關(guān)被設(shè)計成小型化和模塊化的插拔式結(jié)構(gòu)， 可以直接集成至現(xiàn)場光伏斷路器設(shè)備中，充分利用設(shè)備資源，為管理和監(jiān)控分布式光伏系統(tǒng)底層各設(shè)備提供硬件基礎(chǔ)， 使得整個系統(tǒng)更加緊湊和高效。

4 集成網(wǎng)關(guān)的主要研究內(nèi)容

集成網(wǎng)關(guān)的主要研究內(nèi)容包括： 對主控板和通訊板的硬件設(shè)計；對上行IEC104 規(guī)約以及下行各設(shè)備協(xié)議解讀的軟件設(shè)計。 實(shí)現(xiàn)服務(wù)于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的集成網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，如圖3 所示。

圖3 光伏集成網(wǎng)關(guān)的主要研究內(nèi)容

4.1 集成網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計

硬件共有兩部分組成：主控板和通訊板。光伏集成網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。根據(jù)實(shí)際需求，硬件采用小型化、集成化、可插拔設(shè)計。在主控板中下行設(shè)備通訊部分采用485 通訊方式，利用485 通訊芯片，同單片機(jī)的UART的TXD、RXD 引腳，以及R/T 控制腳相連接， 實(shí)現(xiàn)485 通訊控制。485 原理如圖5所示。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖5 485 通訊原理圖

在通訊板采用性價比高、體積小的域格YV9上行通訊模塊，同時為了確保穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，光伏集成網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計采用大功率的開關(guān)電源設(shè)計， 這既可以提高光伏集成網(wǎng)關(guān)的性能， 也可以降低系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障的風(fēng)險。 利用TD1482AP 開關(guān)電源芯片及外圍相應(yīng)電路滿足其供電需求。 電路圖如圖6 所示。

圖6 供電電源原理圖

以上設(shè)計滿足了光伏集成網(wǎng)關(guān)的硬件需求，可以保證系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和高可靠性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全、快速的數(shù)據(jù)傳輸。

4.2 集成網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

在集成網(wǎng)關(guān)設(shè)備初始啟動時，會首先進(jìn)行初始化，并檢索所有配置的信息參數(shù)并將其加載到內(nèi)存中， 然后根據(jù)配置情況開始輪詢下行485 設(shè)備。 依靠IEC104 規(guī)約，集成網(wǎng)關(guān)設(shè)備開始與電力管理平臺相連， 通過首先發(fā)送MAC 地址來完成注冊和激活操作。 此時，集成網(wǎng)關(guān)設(shè)備已準(zhǔn)備就緒，可以向電力管理平臺發(fā)送采集到的遙測、遙信等數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

圖7 軟件具體流程設(shè)計

在設(shè)備連接上電力管理平臺后， 集成網(wǎng)關(guān)會自動開始定時每7 分鐘上傳遙測數(shù)據(jù)， 并實(shí)時檢測遙信數(shù)據(jù)是否存在突發(fā)情況。 如果遙信數(shù)據(jù)產(chǎn)生突變，例如出現(xiàn)設(shè)備故障或下行通信中斷等情況， 集成網(wǎng)關(guān)會立即上傳突發(fā)數(shù)據(jù)信息。 在這種情況下， 平臺可以快速響應(yīng)并采取必要的行動來保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 集成網(wǎng)關(guān)應(yīng)用驗證

本光伏集成網(wǎng)關(guān)已應(yīng)用在在浙江衢州某些產(chǎn)業(yè)園的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，結(jié)合光伏云平臺，本設(shè)計在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)得到了驗證，同時也說明本文所設(shè)計的光伏集成網(wǎng)關(guān)具有廣泛的適用性及穩(wěn)定性， 如圖8～圖11 所示。

圖8 光伏集成網(wǎng)關(guān)成品

圖9 集成網(wǎng)關(guān)后臺IEC104 協(xié)議數(shù)據(jù)解析

圖10 平臺根據(jù)集成網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)繪圖

6 結(jié)論

綜上所述，在光伏應(yīng)用中，集成網(wǎng)關(guān)作為分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心通信部件起到了至關(guān)重要的作用。 使用者通過集成網(wǎng)關(guān)可對光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池組、光伏逆變器、 光伏并網(wǎng)開關(guān)等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程管理，從而實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)的數(shù)字化、智能化和自動化的綜合管理。