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劉細鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:設(shè)計了一種分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機,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,通過RS485/232串口對光伏電站終端設(shè)備的實時數(shù)據(jù)進行采集并解析處理,采用以太網(wǎng)/GPRS與光伏電站控制系統(tǒng)的服務(wù)器相連,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程無線通訊和傳輸.軟件系統(tǒng)基于多任務(wù)實時系統(tǒng)Linux,采用模塊化設(shè)計,包含了任務(wù)管理、內(nèi)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(jiān)控數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、分析處理、上傳和轉(zhuǎn)發(fā)等功能.
關(guān)鍵詞:分布式光伏電站;數(shù)據(jù)管理機;嵌入式系統(tǒng);遠程無線;通訊與傳輸
光伏監(jiān)控系統(tǒng)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(shè)備進行實時監(jiān)測與控制,對與電站運行效率相關(guān)的各種環(huán)境參數(shù)、設(shè)備信息、電力參數(shù),進行采集、儲存、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)定運行和并網(wǎng)計量,是現(xiàn)代化光伏電站系統(tǒng)不能少的組成部分。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]到現(xiàn)在的無線實時監(jiān)控,數(shù)據(jù)儲存也由存儲卡儲存的方式發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和云存儲。近年來,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),針對這種分布式光伏電站的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)受到了重視。在分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)中光伏數(shù)據(jù)通訊管理單元負責(zé)采集光伏電站運行的所有相關(guān)數(shù)據(jù),并通過以太網(wǎng)/GPRS遠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時監(jiān)控光伏電站的運行狀態(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)計開發(fā)了一種分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機,對分布式光伏電站運行數(shù)據(jù)進行實時采集、分析處理、存儲,并遠程傳輸至光伏監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心,實現(xiàn)對分布式光伏電站的遠程管理和維護。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計
分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機的系統(tǒng)硬件基于SAM9X25嵌入式微處理器設(shè)計,通過RS485/232串口對逆變器、氣象環(huán)境監(jiān)測儀、匯流箱、電表等終端設(shè)備的實時數(shù)據(jù)進行采集并解析處理,通過GPRS/以太網(wǎng)與服務(wù)器相連,將數(shù)據(jù)傳輸至遠程數(shù)據(jù)中心.管理員通過登錄WEB界面實現(xiàn)對光伏數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1
圖1通訊管理機的硬件結(jié)構(gòu)圖
1.1串口電路
通訊管理機采用UART(UniversalAsyn-chronousReceiverTransmitter)和USART(Uni-versalSynchronousAsynchronousReceiverTransmitter)接口轉(zhuǎn)RS-485/RS-422串口的方式進行遠程數(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
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接口與四通道隔離器ADUM1400相連,將數(shù)據(jù)傳輸信號和收發(fā)器的控制信號分隔,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)傳輸信號線RX和TX與RS484/RS422/RS232收發(fā)器直連,收發(fā)器的控制信號EN需要經(jīng)過斯密特觸發(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變?yōu)榍逦?、無抖動的方波信號,增加系統(tǒng)的抗干擾能力.RS484/RS422/RS232收發(fā)器在端信號的控制下與設(shè)備進行數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)的讀寫,同時受DMAC(DirectMemoryAccessController)的控制,很大限度地保護處理器對數(shù)據(jù)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(tǒng)采用的是4位模式。
圖3 SD卡存儲電路結(jié)構(gòu)圖
1.3以太網(wǎng)口電路
通訊管理機包含兩個以太網(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RJ-45網(wǎng)口與媒體連接進行差分數(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,并過濾掉其他干擾信號,減少信息傳輸?shù)腻e誤率。網(wǎng)卡芯片的物理層接口接收濾波器傳來的輸出信號,將其轉(zhuǎn)換為MII(MediaIndependentInter—face)信號后通過數(shù)據(jù)接口將MII信號發(fā)送給ARM控制器的EMAC(EthernetMediaAccessController10/100)模塊.本系統(tǒng)使用標準網(wǎng)線,兩端一45接頭壓接的雙絞線的線序相同,用于終端設(shè)備到HUB或LANSwitch的連接。
圖4以太網(wǎng)口電路結(jié)構(gòu)圖
2系統(tǒng)軟件設(shè)計
通訊管理機軟件系統(tǒng)采用多任務(wù)實時系統(tǒng)的模塊化設(shè)計,包括任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、時間管理和任務(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)上通過設(shè)計驅(qū)動程序模塊、操作系統(tǒng)的API函數(shù)、系統(tǒng)任務(wù)、任務(wù)調(diào)度模塊對操作系統(tǒng)進行擴展.按照各個功能的關(guān)聯(lián)性,將程序分為多個任務(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。
系統(tǒng)主程序需要完成ARM芯片及外設(shè)、Linux的系統(tǒng)和信號量的初始化設(shè)置并啟動系統(tǒng),同時主程序需要啟動驅(qū)動調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)通訊以及數(shù)據(jù)庫等任務(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)是完成各個終端設(shè)備數(shù)據(jù)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(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序初始化接口。此時采集任務(wù)通過向數(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
圖6數(shù)據(jù)采集任務(wù)流程圖
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)送部分主要將后臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)發(fā)送至前端WEB頁面,數(shù)據(jù)接收部分主要接收網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行解析執(zhí)行,數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖7。
2.3數(shù)據(jù)存儲
數(shù)據(jù)存儲主要完成上傳數(shù)據(jù)的存儲,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)庫中所有變量的信息,根據(jù)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)類型的不同選擇不同的存儲方案。首先,判斷內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)類型,若內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是產(chǎn)生變化的狀態(tài)量(O或1),則將當前數(shù)據(jù)寫入歷史數(shù)據(jù)存儲緩存隊列。之后,如果內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是模擬量,則根據(jù)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(huán)判斷周期時間是否達到,達到設(shè)定的周期時間則將數(shù)據(jù)寫入歷史數(shù)據(jù)存儲緩存隊列;若是按照精度存儲,則按照旋轉(zhuǎn)門算法對當前數(shù)據(jù)進行判斷,將符合條件的數(shù)據(jù)寫入歷史數(shù)據(jù)存儲緩存隊列。
圖7數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)流程圖
圖8數(shù)據(jù)存儲流程圖
3應(yīng)用
采用上述設(shè)計方案設(shè)計開發(fā)了Chitic分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機,該通訊管理機本地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)維護等7大功能,每個功能模塊下又包含若干子功能,如圖9。
數(shù)據(jù)視圖下電站可以查看當前電站的電量參數(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前電站設(shè)備的數(shù)量以及各個設(shè)備的運行狀況。
圖9Chitic分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機WEB配置界面
串口配置可以配置串口各項參數(shù),實現(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,將每個設(shè)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l(xiāng)6個設(shè)備,系統(tǒng)對設(shè)備數(shù)據(jù)集中采集。網(wǎng)絡(luò)配置可以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)上傳至規(guī)定數(shù)據(jù)中心IP。服務(wù)項查看系統(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)維護用于查看系統(tǒng)版本及序列號,實現(xiàn)系統(tǒng)升級、時間校對和設(shè)備重啟等功能。
4 安科瑞網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò)接口,用于將一個目標區(qū)域內(nèi)所有的智能監(jiān)控/保護裝置的通信數(shù)據(jù)整理匯總后,實時上傳主站系統(tǒng),完成遙信、遙測等能源數(shù)據(jù)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(tǒng)下達的命令,并轉(zhuǎn)發(fā)給目標區(qū)域內(nèi)的智能系列單元,完成對廠站內(nèi)各開關(guān)設(shè)備的分、合閘遠方控制或裝置的參數(shù)整定,實現(xiàn)遙控和遙調(diào)功能,以達到遠動輸出調(diào)度命令的目標。
4.1.2產(chǎn)品介紹
名稱 | 型號 | 圖片 | 功能 |
通信管理機 | ANet-1E1S1 | 通用網(wǎng)關(guān),1路網(wǎng)口,1路RS485,可選配4G通訊、LORA通訊 | |
ANet-1E2S1 | 通用網(wǎng)關(guān),1路網(wǎng)口,2路RS485,可選配4G通訊,LORA通訊 | ||
ANet-2E4S1 | 通用網(wǎng)關(guān),2路網(wǎng)口,4路RS485 | ||
ANet-2E8S1 | 通用網(wǎng)關(guān),2路網(wǎng)口,8路RS485 | ||
ANet-2E4SM | 通用網(wǎng)關(guān),2路網(wǎng)口,4路RS485,可選配LORA通訊,斷電告警 |
4.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集設(shè)條,采用嵌入式設(shè)計。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧,同時采用了功能強大的微處理芯片,配合內(nèi)置看門狗,性能可靠穩(wěn)定。
本產(chǎn)品提供標準RS485數(shù)據(jù)接口,可以方便的連接RTU、PLC、工控機等設(shè)備,僅需一次性完成初始化配置。就可以完成對MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)采集,并且與安科瑞服務(wù)器進行通訊。
5.2.2產(chǎn)品介紹
名稱 | 型號 | 圖片 | 功能 | |
AF-GSM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊 | AF-GSM300 | 通用版,1路網(wǎng)口,1路LORA,可選轉(zhuǎn)4G、CE通訊 | ||
AF-GSM400 | 通用版,1路網(wǎng)口,1路LORA,可選轉(zhuǎn)4G、CE、NB、2G通訊 | |||
AF-GSM500 | 點陣液晶顯示、4G通訊、全網(wǎng)通7模、LORA通訊、斷點續(xù)傳、U盤拷貝、內(nèi)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊是安科瑞電氣推出的新型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換DTU,通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)接口,可以方便的連接電力儀表、RTU、PLC、工控機等設(shè)備,僅需一次性完成初始化配置,就可以完成對MODBUS設(shè)備的數(shù)據(jù)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(nèi)置看門狗技術(shù),性能可靠穩(wěn)定。
AWT200數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于各種終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析。實現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)測、控制、計算,為系統(tǒng)與設(shè)備之間建立通訊紐帶,實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通訊。實時監(jiān)測并及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù),同時自身根據(jù)用戶規(guī)則進行邏輯判斷,大大的節(jié)省了人力和通訊成本。
4.4.2產(chǎn)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(shè)備無線通訊 | |
AWT100-4GHW | 4G通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設(shè)備無線通訊 | ||
AWT100-NB | NB-IoT通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設(shè)備無線通訊 | ||
AWT100-LoRa | LoRa通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設(shè)備無線通訊 | ||
AWT100-LW | LoRaWAN通訊、RS485通訊接口,用于輔助RS485設(shè)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(wǎng)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(guān)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(guān)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(jié)論
設(shè)計了一種分布式光伏電站數(shù)據(jù)通訊管理機,其硬件系統(tǒng)基于ARM嵌入式處理器設(shè)計,通過RS485/232串口對光伏電站終端設(shè)備的實時數(shù)據(jù)進行采集并解析處理,采用以太網(wǎng)/GPRS與光伏電站控制系統(tǒng)的服務(wù)器相連,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程無線通訊和傳輸.軟件系統(tǒng)基于多任務(wù)實時系統(tǒng)Linux,采用模塊化設(shè)計,包含了任務(wù)管理、內(nèi)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(jiān)控數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、分析處理、上傳和轉(zhuǎn)發(fā)等功能.該系統(tǒng)使用WEB網(wǎng)頁查看和配置光伏電站數(shù)據(jù),支持多種通訊規(guī)約,支持斷點續(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、同步上傳和本地轉(zhuǎn)發(fā)等多項功能.同時,本系統(tǒng)具有成本低、功耗小、數(shù)據(jù)存儲量大、數(shù)據(jù)處理速度快、能同時實現(xiàn)實時多任務(wù)操作等優(yōu)點,是分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。
參考文獻
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作者簡介
劉細鳳,女,本科,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研發(fā)與應(yīng)用。