雙485通訊系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站

作者 平川 無錫昊陽新能源科技有限公司(江蘇 無錫 214200)

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

摘要：雙485通訊系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)光互補(bǔ)光伏發(fā)電站，打破了傳統(tǒng)系統(tǒng)無通訊功能的框架，或單一485通訊功能模式。通過硬件整合，軟件上通過信道獨(dú)立分開方式完成兩路485通訊，物理上獨(dú)立，互不干涉。硬件上模塊化設(shè)計(jì)，軟件上統(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)交互，控制指令下發(fā)，當(dāng)前支架運(yùn)行主要信息上傳。實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)和信息上傳，完成整個(gè)光伏電站前端和后臺數(shù)據(jù)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(tǒng)構(gòu)建中，信息網(wǎng)絡(luò)化，智能化管理，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)越來越受到重視，被使用大范圍使用，光伏電站建設(shè)也不例外，涉及到系統(tǒng)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線、有線、光纖等方式，本系統(tǒng)通過兩路485通訊實(shí)現(xiàn)，控制信息的上傳下達(dá)。其中一路用于支架運(yùn)轉(zhuǎn)控制，另一路用于電站后臺控制，區(qū)別于傳統(tǒng)無線通信方式或單路通信模式，使整個(gè)系統(tǒng)信息傳遞更完善、更智能化，為整個(gè)電站物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供了基本的技術(shù)保障。

1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

　　該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括組件支架，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，角度儀傳感器及跟蹤控制盒，PLC集中控制箱、箱變、光交換機(jī)及電站管理、無線發(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(jī)驅(qū)動(dòng)及兩路485通訊，實(shí)現(xiàn)了與光伏電站管理中心和無線發(fā)射站之間數(shù)據(jù)交互。第一路無線485通訊鏈路接收無線發(fā)射站信號結(jié)合已經(jīng)設(shè)置的經(jīng)、緯度和時(shí)間芯片提供的時(shí)間，啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件支架運(yùn)行。太陽能電池板組件自動(dòng)跟隨太陽高度角和方位角而運(yùn)行，停止角度設(shè)置由角度傳感器獲取。第二路有線485通訊鏈路經(jīng)過PLC集中控制箱、光交換機(jī)、光纖與電站管理數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的交互。在一晝夜的時(shí)間周期內(nèi)，白天實(shí)現(xiàn)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)跟蹤周期的開始。如果異常情況發(fā)生，電站管理中心通過有線通訊鏈路下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能管理。跟蹤控制盒把當(dāng)前支架運(yùn)行數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)上傳至電站管理中心^[2,3]。系統(tǒng)如圖1。

2 跟蹤控制原理架構(gòu)

　　跟蹤控制系統(tǒng)采用AVR處理器，該處理器資源豐富，性價(jià)比高，完全滿足實(shí)際功能需求。低功耗AVR 處理器，先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)， 精簡指令集;16 MIPS指令速度，兩路可編程的USART串口，可工作于主機(jī)/從機(jī)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(jī)交互參數(shù)設(shè)置，及界面參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制信息的輸出，兩路485通訊功能主要實(shí)現(xiàn)與無線發(fā)射站，與電站管理中心數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(dú)立，模塊化，最大限度增強(qiáng)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(shè)電路設(shè)計(jì)：兩路UART硬件全雙工操作，波特率可設(shè)置，具備硬件支持的奇偶檢驗(yàn)，幀錯(cuò)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)而簡化了過去需要軟件模擬串口通訊的工作量和工作難度;外設(shè)電路的匹配負(fù)載阻抗的設(shè)計(jì)，收發(fā)端與控制端口的整合^[1,2]，相關(guān)電路設(shè)計(jì)在下文的原理設(shè)計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)電路的簡化設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)須分開處理，須執(zhí)行兩套不同協(xié)議，基于這樣的需求，創(chuàng)造性的開發(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(nèi)的ModBus協(xié)議，用于行業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)通訊，兼容只要遵守ModBus協(xié)議的所有設(shè)備終端，可與不同廠家設(shè)備終端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。與光伏發(fā)電站中的通訊柜，逆變器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(dāng)擴(kuò)展。另外一路為企業(yè)內(nèi)部自定義協(xié)議，主要用于系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊傳輸，具體協(xié)議制定，規(guī)則可以自由定義，通訊模式有很大的自由度。比如，首字節(jié)為設(shè)備地址，可選擇數(shù)據(jù)累計(jì)方式來效驗(yàn)，摒棄復(fù)雜的CRC效驗(yàn)，幀結(jié)束符可固定為某個(gè)數(shù)據(jù)。其中可以由多組數(shù)據(jù)串組成，只要滿足數(shù)據(jù)累加和即可，在本系統(tǒng)中使用了太陽的高度角和方位角這兩個(gè)數(shù)據(jù)，可組裝成兩對數(shù)據(jù)，編入通訊幀中。主、從機(jī)按既定的規(guī)則進(jìn)行傳輸、解析，即可完成數(shù)據(jù)交互，完成控制信息的傳遞和采集，為整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化處理提供了必要的信息支持。

4 原理設(shè)計(jì)

　　4.1 第一路無線485通訊鏈路

　　通過光耦隔離，處理器與485通訊芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，485芯片的A、B接口與外界無線通訊模塊對接。A/B 兩端雙向TVS管，瞬態(tài)抑制高壓，保護(hù)通訊線路的異常電壓。在本系統(tǒng)中采用120歐姆負(fù)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)過光耦隔離，可以增強(qiáng)抗干擾能力。在本系統(tǒng)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(jié)省元器件。收發(fā)數(shù)據(jù)經(jīng)光耦傳輸至處理器相應(yīng)的UART端口。處理器在中斷機(jī)制的觸發(fā)下，完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

　　4.2 第二路有線485通訊鏈路

　　第二路485通訊基于第一路485電路基礎(chǔ)上如圖4，做適當(dāng)簡化，去除光耦隔離部分，其他保持不變，唯一區(qū)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(wěn)。這路通訊鏈路用于系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊，獨(dú)立于外界，干擾相對少些，故去掉光耦隔離，簡化電路，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(yùn)作

　　軟件上采用中斷加查詢方式完成兩路485通訊。中斷方式負(fù)責(zé)接收單個(gè)數(shù)據(jù)，采用查詢方式負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的解析和數(shù)據(jù)裝載處理。處理流程如圖5。

5 結(jié)論

　　該雙485通訊系統(tǒng)目前已經(jīng)成功運(yùn)行于山東新泰農(nóng)光互補(bǔ)領(lǐng)跑者光伏電站，系統(tǒng)功能運(yùn)行情況良好，智能跟蹤支架通過雙485通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)上傳至光伏電站的數(shù)據(jù)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(xù)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(yùn)行，規(guī)避了惡劣天氣情況下運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。該雙485通訊系統(tǒng)在智能跟蹤支架信息的上傳下達(dá)通訊組網(wǎng)中提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)，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線發(fā)射站形成了一個(gè)完整的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電站管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)提供了基本數(shù)據(jù)通訊鏈路。

　　參考文獻(xiàn)：

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