淺談光伏電站數據通訊管理機的設計與應用

張穎姣

江蘇安科瑞電器制造有限公司江蘇江陰214405

摘要：設計了一種分布式光伏電站數據通訊管理機，包括硬件系統和軟件系統．硬件系統基于ARM嵌入式處理器設計，通過RS485／232串口對光伏電站終端設備的實時數據進行采集并解析處理，采用以太網／GPRS與光伏電站控制系統的服務器相連，實現數據的遠程無線通訊和傳輸．軟件系統基于多任務實時系統Linux，采用模塊化設計，包含了任務管理、內存管理、時間管理和同步通信等功能模塊．該通訊管理機具有對分布式光伏電站監控數據的實時采集、存儲、分析處理、上傳和轉發等功能．

關鍵詞：分布式光伏電站；數據管理機；嵌入式系統；遠程無線；通訊與傳輸

光伏監控系統可以對太陽能光伏電站的電池陣列、匯流箱、逆變器、交直流配電柜、電表等設備進行實時監測與控制，對與電站運行效率相關的各種環境參數、設備信息、電力參數，進行采集、儲存、分析、管理和通訊傳輸，以確保光伏發電系統的安全可靠穩定運行和并網計量，是現代化光伏電站系統必不可少的組成部分。光伏電站監控系統經歷了早期的有線數據采集]到現在的無線實時監控，數據儲存也由存儲卡儲存的方式發展到網絡數據傳輸和云存儲。近年來，隨著工業屋頂電站和家庭戶用屋頂電站的大量建設和并網，針對這種分布式光伏電站的數據監控系統的開發受到了重視。在分布式光伏監控系統中光伏數據通訊管理單元負責采集光伏電站運行的所有相關數據，并通過以太網／GPRS遠程傳輸至光伏電站監控中心，以便光伏電站用戶及管理者實時監控光伏電站的運行狀態，是光伏電站監控中心與光伏電站設備之間的聯系橋梁．本文基于ARM嵌入式處理器設計開發了一種分布式光伏電站數據通訊管理機，對分布式光伏電站運行數據進行實時采集、分析處理、存儲，并遠程傳輸至光伏監控系統的數據中心，實現對分布式光伏電站的遠程管理和維護。

1系統硬件設計

分布式光伏電站數據通訊管理機的系統硬件基于SAM9X25嵌入式微處理器設計，通過RS485／232串口對逆變器、氣象環境監測儀、匯流箱、電表等終端設備的實時數據進行采集并解析處理，通過GPRS／以太網與服務器相連，將數據傳輸至遠程數據中心．管理員通過登錄WEB界面實現對光伏數據管理機的配置管理。用戶在WEB終端或移動終端通過登錄可以查看電站實時運行情況和實時歷史數據。其硬件結構如圖1

圖1通訊管理機的硬件結構圖

1．1串口電路

通訊管理機采用UART(UniversalAsyn-chronousReceiverTransmitter)和USART(Uni-versalSynchronousAsynchronousReceiverTransmitter)接口轉RS-485/RS-422串口的方式進行遠程數據采集，圖2為該串口電路結構圖。

圖2串口電路結構圖

串口數據傳輸采用平衡發送和差分接收的方式．ARM芯片的UART接口和USART接口與四通道隔離器ADUM1400相連，將數據傳輸信號和收發器的控制信號分隔，支持多種通道配置和數據傳輸速率，保障系統的安全和穩定．經隔離器后的數據傳輸信號線RX和TX與RS484／RS422／RS232收發器直連，收發器的控制信號EN需要經過斯密特觸發器再連接RS484／RS422／RS232收發器，控制收發器工作模式．斯密特觸發器將緩慢變化的輸入信號變為清晰、無抖動的方波信號，增加系統的抗干擾能力．RS484／RS422／RS232收發器在端信號的控制下與設備進行數據傳輸。

1．2 SD卡存儲電路

通訊管理機包含一個SD卡插口，圖3為其電路結構圖。SD卡與ARM芯片的HSMCI(HighSpeedMultimediaCardInterface)模塊的物理層接口PIO相連，HSMC1支持流、塊、多塊數據的讀寫，同時受DMAC(DirectMemoryAccessController)的控制，很大限度地保護處理器對數據傳輸效率。SD卡共支持三種傳輸模式：SPI模式，1位模式和4位模式，本系統采用的是4位模式。

圖3 SD卡存儲電路結構圖

1．3以太網口電路

通訊管理機包含兩個以太網口，圖4為其電路結構圖．以太網由共享傳輸媒體，通過RJ-45網口與媒體連接進行差分數據傳輸，濾波器將RJ-45網絡接口的電壓轉換成網卡芯片DM9161所需的電壓，并過濾掉其他干擾信號，減少信息傳輸的錯誤率。網卡芯片的物理層接口接收濾波器傳來的輸出信號，將其轉換為MII(MediaIndependentInter—face)信號后通過數據接口將MII信號發送給ARM控制器的EMAC(EthernetMediaAccessController10／100)模塊．本系統使用標準網線，兩端一45接頭壓接的雙絞線的線序完全相同，用于終端設備到HUB或LANSwitch的連接。

圖4以太網口電路結構圖

2系統軟件設計

通訊管理機軟件系統采用多任務實時系統的模塊化設計，包括任務管理、任務調度、內存管理、時間管理和任務間的通信和同步等功能模塊．系統在Linux提供的任務內核的基礎上通過設計驅動程序模塊、操作系統的API函數、系統任務、任務調度模塊對操作系統進行擴展．按照各個功能的關聯性，將程序分為多個任務模塊，包括主程序、數據采集、數據傳輸以及數據存儲。

系統主程序需要完成ARM芯片及外設、Linux的系統和信號量的初始化設置并啟動系統，同時主程序需要啟動驅動調度、網絡通訊以及數據庫等任務線程．主程序流程圖如圖5。

2．1數據采集

數據采集任務是完成各個終端設備數據的采集。如圖6程序讀取變量信息，完成后啟動串口通訊線程，再調用設備驅動程序初始化接口。此時采集任務通過向數據總線發送讀取“采集數據”接口數據命令，所有連接在數據總線上的傳感器接到讀取命令后根據數據包判斷是否是向自己發送的讀取命令，如果是就會向系統返回設備參數數據，直到數據發送完畢。

圖5主程序流程圖

圖6數據采集任務流程圖

2．2數據傳輸

數據傳輸包含數據發送和數據接收兩部分，其中數據發送部分主要將后臺數據庫中的數據發送至前端WEB頁面，數據接收部分主要接收網絡上傳的數據并對數據進行解析執行，數據傳輸流程圖如圖7。

2．3數據存儲

數據存儲主要完成上傳數據的存儲，如圖8程序接收到網絡通訊層的通訊中斷消息后，讀取內存數據庫中所有變量的信息，根據內存數據庫中數據類型的不同選擇不同的存儲方案。首先，判斷內存數據庫中的數據類型，若內存數據庫中的數據是產生變化的狀態量(O或1)，則將當前數據寫入歷史數據存儲緩存隊列。之后，如果內存數據庫中的數據是模擬量，則根據所要求的存儲方式對模擬量進行存儲。若選擇周期存儲，則循環判斷周期時間是否達到，達到設定的周期時間則將數據寫入歷史數據存儲緩存隊列；若是按照精度存儲，則按照旋轉門算法對當前數據進行判斷，將符合條件的數據寫入歷史數據存儲緩存隊列。

圖7數據傳輸任務流程圖

圖8數據存儲流程圖

3應用

采用上述設計方案設計開發了Chitic分布式光伏電站數據通訊管理機，該通訊管理機本地WEB配置界面包含數據視圖、串口配置、通道配置、網絡設置、傳輸配置、服務和系統維護等7大功能，每個功能模塊下又包含若干子功能，如圖9。

數據視圖下電站可以查看當前電站的電量參數、環境參數以及節能參數；設備信息下可以查看當前電站設備的數量以及各個設備的運行狀況。

圖9Chitic分布式光伏電站數據通訊管理機WEB配置界面

串口配置可以配置串口各項參數，實現數據采集和本地查看功能。

通道配置可以配置設備通道信息，將每個設備呈樹狀連接，每個串口為一個通道，共有4個通道，一個通道下可以掛至多l6個設備，系統對設備數據集中采集。網絡配置可以IP，數據上傳方式有NET，GPRS，WIFI三種方式可選．傳輸配置可以配置遠程數據中心IP，系統根據所配置的上傳方式將電站數據上傳至指定數據中心IP。服務項查看系統支持的協議類型以及ModBus保持寄存器的部分功能．系統維護用于查看系統版本及序列號，實現系統升級、時間校對和設備重啟等功能。

4 安科瑞網關介紹

4.1通信管理機

4.1.1概述

本系列智能通信管理機是一款采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口，用于將一個目標區域內所有的智能監控/保護裝置的通信數據整理匯總后，實時上傳主站系統，完成遙信、遙測等能源數據采集功能。

同時，本系列智能通信管理機支持接收上級主站系統下達的命令，并轉發給目標區域內的智能系列單元，完成對廠站內各開關設備的分、合閘遠方控制或裝置的參數整定，實現遙控和遙調功能，以達到遠動輸出調度命令的目標。

4.1.2產品介紹

名稱	型號	圖片	功能
通信管理機	ANet-1E1S1		通用網關，1路網口，1路RS485，可選配4G通訊、LORA通訊
	ANet-1E2S1		通用網關，1路網口，2路RS485，可選配4G通訊，LORA通訊
	ANet-2E4S1		通用網關，2路網口，4路RS485
	ANet-2E8S1		通用網關，2路網口，8路RS485
	ANet-2E4SM		通用網關，2路網口，4路RS485，可選配LORA通訊，斷電告警

4.2數據轉換模塊

4.2.1概述

AF-GSM是安科瑞電氣推出的新型的4G遠程無線數據采集設條，采用嵌入式設計。內嵌TCP/IP協議棧，同時采用了功能強大的微處理芯片，配合內置看門狗，性能可靠穩定。

本產品提供標準RS485數據接口，可以方便的連接RTU、PLC、工控機等設備，僅需一次性完成初始化配置。就可以完成對MODBUS設備的數據采集，并且與安科瑞服務器進行通訊。

5.2.2產品介紹

名稱	型號	圖片	功能
AF-GSM數據轉換模塊	AF-GSM300		通用版，1路網口，1路LORA，可選轉4G、CE通訊
	AF-GSM400		通用版，1路網口，1路LORA，可選轉4G、CE、NB、2G通訊
	AF-GSM500		點陣液晶顯示、4G通訊、全網通7模、LORA通訊、斷點續傳、U盤拷貝、內嵌8G SD卡、事件記錄，可選擇2路串口或6路串口

4.3無線通訊終端

4.3.1概述

AWT100數據轉換模塊是安科瑞電氣推出的新型數據轉換DTU，通訊數據轉換包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN，GPS,WiFi,CE,DP 等通訊方式，下行接口提供了標準RS485數據接口，可以方便的連接電力儀表、RTU、PLC、工控機等設備，僅需一次性完成初始化配置，就可以完成對MODBUS設備的數據采集；同時AWT100系列無線通訊終端采用了功能強大的微處理芯片，配合內置看門狗技術，性能可靠穩定。

AWT200數據通訊網關應用于各種終端設備的數據采集與數據分析。實現設備的監測、控制、計算，為系統與設備之間建立通訊紐帶，實現雙向的數據通訊。實時監測并及時發現異常數據，同時自身根據用戶規則進行邏輯判斷，大大的節省了人力和通訊成本。

4.4.2產品介紹

名稱	型號	圖片	功能
AWT100無線通訊終端	AWT100-4G		4G通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485設備無線通訊
	AWT100-4GHW		4G通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485設備無線通訊
	AWT100-NB		NB-IoT通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485設備無線通訊
	AWT100-LoRa		LoRa通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485設備無線通訊
	AWT100-LW		LoRaWAN通訊、RS485通訊接口，用于輔助RS485設備無線通訊
	AWT100-LW868		海外，下行RS485，上行LoRaWAN無線通訊
	AWT100-LW923		海外，下行RS485.上行LoRaWAN無線通訊
	AWT100-CE		RS485通訊接口，以太網通訊雙向透明傳輸
	AWT100-GPS		RS485通訊接口，GPS定位
	AWT100-WiFi		RS485通訊接口，WiFi無線雙向透明傳輸
	AWT100-DP		RS485通訊接口，Profibus通訊雙向透明傳輸
AWT200無線通訊終端	AWT200-1E4S		4路串口，不帶顯示按鍵
	AWT200-1E4S-4G		4路串口，不帶顯示按鍵，4G通訊
	AWT200-1E4S-4G/K		4路串口，不帶顯示按鍵，4G通訊、開關量功能
	AWT200-1E4S-4G/LR		4路串口，不帶顯示按鍵，4G通訊、LORA通訊
	AWT200-1E4SL		4路串口，帶顯示按鍵
	AWT200-1E4SL-4G		4路串口，帶顯示按鍵，4G通訊
	AWT200-1E4SL-4G/K		4路串口，帶顯示按鍵，4G通訊、開關量功能
	AWT200-1E4SL-4G/LR		4路串口，帶顯示按鍵，4G通訊、LORA通訊
	AWT200-1E8SL		8路串口，帶顯示按鍵
	AWT200-1E8SL-4G		8路串口，帶顯示按鍵，4G通訊

5結論

設計了一種分布式光伏電站數據通訊管理機，其硬件系統基于ARM嵌入式處理器設計，通過RS485／232串口對光伏電站終端設備的實時數據進行采集并解析處理，采用以太網／GPRS與光伏電站控制系統的服務器相連，實現了數據的遠程無線通訊和傳輸．軟件系統基于多任務實時系統Linux，采用模塊化設計，包含了任務管理、內存管理、時間管理和同步通信等功能模塊。該通訊管理機具有對分布式光伏電站監控數據的實時采集、存儲、分析處理、上傳和轉發等功能．該系統使用WEB網頁查看和配置光伏電站數據，支持多種通訊規約，支持斷點續傳，擁有數據采集、解析處理、結合歷史數據存儲、同步上傳和本地轉發等多項功能．同時，本系統具有成本低、功耗小、數據存儲量大、數據處理速度快、能同時實現實時多任務操作等優點，是分布式光伏電站監控系統的重要組成部分。

參考文獻

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審核編輯 黃宇