雙485通訊系統應用于農光互補光伏電站

作者 平川 無(wú)錫昊陽(yáng)新能源科技有限公司(江蘇 無(wú)錫 214200)

　　平川 (1976-)，男，工程師，研究方向：負責光伏物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品研發(fā)

摘要：雙485通訊系統應用于農光互補光伏發(fā)電站，打破了傳統系統無(wú)通訊功能的框架，或單一485通訊功能模式。通過(guò)硬件整合，軟件上通過(guò)信道獨立分開(kāi)方式完成兩路485通訊，物理上獨立，互不干涉。硬件上模塊化設計，軟件上統一管理控制。在斜單和連推平單上已經(jīng)大批量使用。一路用于支架轉動(dòng)信息獲取，提高了安全和可靠性，另外一路主要用于電站管理中心數據交互，控制指令下發(fā)，當前支架運行主要信息上傳。實(shí)時(shí)把數據和信息上傳，完成整個(gè)光伏電站前端和后臺數據交互，信息傳遞，控制指令及時(shí)下發(fā)，為光伏電站的智能化、網(wǎng)絡(luò )化、自動(dòng)化提供基本的技術(shù)保障。

0 引言

　　在目前的光伏電站系統構建中，信息網(wǎng)絡(luò )化，智能化管理，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)越來(lái)越受到重視，被使用大范圍使用，光伏電站建設也不例外，涉及到系統中各個(gè)功能模塊信息共享和管理，光伏電站前端的控制終端信息的傳遞有無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)、光纖等方式，本系統通過(guò)兩路485通訊實(shí)現，控制信息的上傳下達。其中一路用于支架運轉控制，另一路用于電站后臺控制，區別于傳統無(wú)線(xiàn)通信方式或單路通信模式，使整個(gè)系統信息傳遞更完善、更智能化，為整個(gè)電站物聯(lián)網(wǎng)建設提供了基本的技術(shù)保障。

1 網(wǎng)絡(luò )系統架構

　　該網(wǎng)絡(luò )系統包括組件支架，驅動(dòng)電機，角度儀傳感器及跟蹤控制盒，PLC集中控制箱、箱變、光交換機及電站管理、無(wú)線(xiàn)發(fā)射站，如圖1所示。跟蹤控制盒采集角度儀傳感器信號，控制電機驅動(dòng)及兩路485通訊，實(shí)現了與光伏電站管理中心和無(wú)線(xiàn)發(fā)射站之間數據交互。第一路無(wú)線(xiàn)485通訊鏈路接收無(wú)線(xiàn)發(fā)射站信號結合已經(jīng)設置的經(jīng)、緯度和時(shí)間芯片提供的時(shí)間，啟動(dòng)電機驅動(dòng)組件支架運行。太陽(yáng)能電池板組件自動(dòng)跟隨太陽(yáng)高度角和方位角而運行，停止角度設置由角度傳感器獲取。第二路有線(xiàn)485通訊鏈路經(jīng)過(guò)PLC集中控制箱、光交換機、光纖與電站管理數據中心數據的交互。在一晝夜的時(shí)間周期內，白天實(shí)現自動(dòng)跟蹤，夜晚自動(dòng)夜返，完成一個(gè)周期后再等待下一個(gè)自動(dòng)跟蹤周期的開(kāi)始。如果異常情況發(fā)生，電站管理中心通過(guò)有線(xiàn)通訊鏈路下發(fā)控制指令，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )智能管理。跟蹤控制盒把當前支架運行數據信息實(shí)時(shí)上傳至電站管理中心^[2,3]。系統如圖1。

2 跟蹤控制原理架構

　　跟蹤控制系統采用AVR處理器，該處理器資源豐富，性?xún)r(jià)比高，完全滿(mǎn)足實(shí)際功能需求。低功耗AVR 處理器，先進(jìn)的RISC結構， 精簡(jiǎn)指令集;16 MIPS指令速度，兩路可編程的USART串口，可工作于主機/從機模式的SPI串口接口，鑒于該處理器具有適用于兩路485通訊的USART串口，不再需要軟件方式模擬串口通訊，可以滿(mǎn)足光伏電站前端光伏組件跟蹤控制盒物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)的物理需求。跟蹤控制盒分別控制兩路485通訊，采集角度儀傳感器，人機交互參數設置，及界面參數實(shí)時(shí)顯示，電機驅動(dòng)控制信息的輸出，兩路485通訊功能主要實(shí)現與無(wú)線(xiàn)發(fā)射站，與電站管理中心數據交互，完成自動(dòng)控制功能，完成物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)功能^[3]。前端跟蹤控制盒外圍功能結構如圖2。

3 技術(shù)創(chuàng )新點(diǎn)

　　3.1　兩路485通訊，硬件上相互獨立，模塊化，最大限度增強抗干擾性能。創(chuàng )造性選用具備兩路UART硬件的處理器及有針對性的外設電路設計：兩路UART硬件全雙工操作，波特率可設置，具備硬件支持的奇偶檢驗，幀錯誤檢測，噪聲濾波，硬件中斷方式。AVR處理器具備兩路UART硬件串口，并具備上述功能，進(jìn)而簡(jiǎn)化了過(guò)去需要軟件模擬串口通訊的工作量和工作難度;外設電路的匹配負載阻抗的設計，收發(fā)端與控制端口的整合^[1,2]，相關(guān)電路設計在下文的原理設計中再做具體分析。所有這些都使得通訊的可靠性得到很大提高，遠遠優(yōu)于軟件模擬通訊方式。雙硬件UART通訊口處理器的選用和外設電路的簡(jiǎn)化設計為實(shí)現雙485通訊提供了可靠的硬件技術(shù)保障。

　　3.2　兩路485通訊，通訊數據須分開(kāi)處理，須執行兩套不同協(xié)議，基于這樣的需求，創(chuàng )造性的開(kāi)發(fā)出兩路通訊協(xié)議，軟件上配合硬件完成兩路通訊。一路是基于目前行業(yè)內的ModBus協(xié)議，用于行業(yè)內數據通訊，兼容只要遵守ModBus協(xié)議的所有設備終端，可與不同廠(chǎng)家設備終端之間進(jìn)行數據傳遞。與光伏發(fā)電站中的通訊柜，逆變器、數據采集系統相連接。對于其他特殊需求可以基于其軟件高兼容性做適當擴展。另外一路為企業(yè)內部自定義協(xié)議，主要用于系統內部數據通訊傳輸，具體協(xié)議制定，規則可以自由定義，通訊模式有很大的自由度。比如，首字節為設備地址，可選擇數據累計方式來(lái)效驗，摒棄復雜的CRC效驗，幀結束符可固定為某個(gè)數據。其中可以由多組數據串組成，只要滿(mǎn)足數據累加和即可，在本系統中使用了太陽(yáng)的高度角和方位角這兩個(gè)數據，可組裝成兩對數據，編入通訊幀中。主、從機按既定的規則進(jìn)行傳輸、解析，即可完成數據交互，完成控制信息的傳遞和采集，為整個(gè)系統的自動(dòng)化、智能化處理提供了必要的信息支持。

4 原理設計

　　4.1 第一路無(wú)線(xiàn)485通訊鏈路

　　通過(guò)光耦隔離，處理器與485通訊芯片進(jìn)行數據交換，485芯片的A、B接口與外界無(wú)線(xiàn)通訊模塊對接。A/B 兩端雙向TVS管，瞬態(tài)抑制高壓，保護通訊線(xiàn)路的異常電壓。在本系統中采用120歐姆負載匹配阻抗，如圖三中電阻R8所示。485通訊芯片與處理器之間收發(fā)端經(jīng)過(guò)光耦隔離，可以增強抗干擾能力。在本系統中，控制收發(fā)端RE/DE，并聯(lián)到芯片的發(fā)送端，受控于三極管Q1，確保收發(fā)狀態(tài)切換。三路整合到兩路光耦隔離，減少PCB板空間和節省元器件。收發(fā)數據經(jīng)光耦傳輸至處理器相應的UART端口。處理器在中斷機制的觸發(fā)下，完成數據的接收和發(fā)送。

　　4.2 第二路有線(xiàn)485通訊鏈路

　　第二路485通訊基于第一路485電路基礎上如圖4，做適當簡(jiǎn)化，去除光耦隔離部分，其他保持不變，唯一區別是控制收發(fā)端直接受控于處理器的端口，采用4.7 K電阻上拉確保電平平穩。這路通訊鏈路用于系統內部數據通訊，獨立于外界，干擾相對少些，故去掉光耦隔離，簡(jiǎn)化電路，降低成本。其他元器件作用如上述第一路485電路。

　　4.3 軟件上兩套通訊協(xié)議并行運作

　　軟件上采用中斷加查詢(xún)方式完成兩路485通訊。中斷方式負責接收單個(gè)數據，采用查詢(xún)方式負責數據包的解析和數據裝載處理。處理流程如圖5。

5 結論

　　該雙485通訊系統目前已經(jīng)成功運行于山東新泰農光互補領(lǐng)跑者光伏電站，系統功能運行情況良好，智能跟蹤支架通過(guò)雙485通訊系統實(shí)時(shí)把數據上傳至光伏電站的數據管理中心，光伏電站的控制指令及時(shí)傳遞到前端智能跟蹤支架，完成對智能跟蹤支架的智能化操作，尤其是對智能跟蹤支架故障信息的獲取，進(jìn)而為后續故障的排除提供了有力的保障。在特殊天氣情況下，實(shí)時(shí)地操作智能跟蹤支架的運行，規避了惡劣天氣情況下運行的風(fēng)險。該雙485通訊系統在智能跟蹤支架信息的上傳下達通訊組網(wǎng)中提供必要的技術(shù)基礎，基于這樣的兩個(gè)通訊鏈路，前端的跟蹤器支架與后臺電站管理中心和無(wú)線(xiàn)發(fā)射站形成了一個(gè)完整的智能物聯(lián)網(wǎng)系統，實(shí)現了整個(gè)電站管理系統的智能化、網(wǎng)絡(luò )化、自動(dòng)化;同樣為今后的云技術(shù)、大數據提供了基本數據通訊鏈路。

　　參考文獻：

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第54頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。