;Sys Practice系统实践 65 新能源并网发电监控系统的设计 王小曼’王仁祥 (1.上海交通大学上海200030;2.青岛大学山东青岛266071) 摘要:智能电网的核心内容之一是解决各种新能源发电的接入问题。风能和光伏等新能源发电系统需要监 控系统运行,能够进行远程分析,获取系统数据,随时了解运行状态,并可记录和存储发电数据等。文献[1]已 较详细地介绍了终端用户的风能和光伏发电的特点及关键技术应用状况,本文拟在文献[1]基础上介绍新能源发 电系统的数据采集与传输及数据监控的通信问题,可为分布式新能源发电技术的应用提供一些参考。 关键词:新能源发电;监控;数据采集;通信;通信协议 一、引 言 新技术来完成整个系统设计,尝试用ARM9作整个系统 控制的主芯片来完成本设计。系统软件具有数据采集 智能电网的发展目标是能以平衡方式接入新能源 发电系统,并有充足的分布式存储系统,系统中具有先 进的数据通信、计算和能源信息管理系统,可对电网与 用户用电信息进行实时监控和采集,实现对电能的最 优配置与利用,提高电网运营的可靠性和能源利用效 率。目前,微小型风力发电和光伏发电技术已能满足并 网技术的要求,随着微网和物联网技术的发展,将实现 网络化控制。 与处理、数据储存和查询功能,以及发电系统并网控制 与监视等功能。这些功能是在智能电网中以平衡方式 接入新能源发电系统必备的,也是系统安全稳定运行 和可靠性的保证。 二、监控系统的硬件结构 本文设计的终端用户新能源发电系统由主电路和 控制电路两部分组成。主电路结构与原理与通用电力 电子装置类似,基本结构如图1所示。 1、系统控制器 本文所述的终端用户新能源发电监控系统 在配 电网低压侧(或用户侧)将新能源发电系统并网,由控 制器控制并网条件,当满足并网条件时自动并网,反 之,则随时脱网。这一运行系统应具备能够监控系统运 行、进行远程分析,获取系统数据等通信手段。通过通 信方式持续获得有关并网逆变器的所有数据,以随时 了解发电系统的运行状态,检测和记录运行故障,定时 记录、分析和存储发电数据,通过计算机进行数据诊断 新能源发电系统的核心是系统控制器,本翅 怕勺系 统晤弗峨深用ARM9系歹帕勺STR91 2FW44X6系统『乍粒封至制器。 STR91 2FW44X6芯片是基于ARM966E-S内核,片内 自带Fl ash、有1 1个通信接口(USB2.0通信接口、 CAN2.0通信接口、3个160550兼容UART通信接口,带 红外协议、10/1OOMAO,Mll以太网通信接口、2个l2C 接口、2个同步串口、8/1 6位外部总线接口)、3对PIt/M 输出、模数转换器ADC、实时时钟RTO、DMA控制器、8O 和系统配置等。文中主要介绍系统中的的数据采集与 传输系统的硬件结构及软件设计和实现。充分利用嵌 入式系统体积小、 陛能强、功耗低、可靠性高及面向行 个通用输入/输出GP1 0、向量中断控制器(VI C)、8通 道10位ADO、9个可编程DMA通道、JTAG调试接口等。 业应用的突出特征,再结合采用网络通信的一些关键 工作频率为96MHz,具有5级流水线和Harvard架构。 内置转速闭环、位置闭环、功率闭环三种反馈控制算 法,在ARM966E—s核里能够执行单周期DSP指令,同时 内置了路径规划系统,上层控制结构只需要发送期望 目标位置,控制器可以自动规划最优路径。3个UART通 信接口支持全双工异步通信。5~8位数据传输格式、校 验位的产生与否及停止位数目都可通过编程设定。为 信息系统工程f 2010.11.20 66 l Sy Practice系统实践 了提高数据传输的可靠性,UART通信接口还提供奇偶 校验、帧和溢出错误的检测。数据发送和接收时可以使 用双缓存或深度为1 6的F I F0。另外还支持回环测试。 一个可编程波特率发生器为UART通信接口提供一个 独立的时钟信号。以太网接口提供一组媒体独立接口 (M}1),Ml I接口是快速以太网MAC层与物理层之间的 标准接口,是I EEE 802.3定义的以太网标准,可实现 基于以太网的TCP/lP通信。 2、系统控制器的主要功能 主电路采用lR2111和TLP521作为l GBT的栅极 驱动电路,系统控制器输出的方向信号和PWM信号用 光耦进行放大驱动I GBT工作。并网工作主要由 STR912FW44X6芯片的捕捉中断(T…一lc1R)和PWM载波 周期的定时中断完成。电网电压产生的过零脉冲信号 加至捕捉中断输入口TIM0一ICAP1,以此时间点作为基 准给定正弦波信号的时间起点,同时根据PWM的实时 脉宽值与给定脉宽值修正载波周期,使并网输出与公 共电网同频、同相,符合并网技术标准。 使用UART接口和以太网接口实现网络控制。系统 控制器在整个通信网络中作为从机,上位机可根据发 电系统规模采用Pc机、PLC或人机界面等来完成,实现 主从机点对点通信。通过使用系统控制寄存器0(SCU— SCRO)的DART IRDA[2:0]位来配置3个独立的UART, 外围模块工作在UART模式。UART1接口与电表连接,以 采集并显示发电系统的发电量。UART2接口与用户端计 算机或人机界面连接,以传输发电系统的实时数据与 控制。UARTO接口与GSM模块的RS232串口相连,以实 现GPRS的无线传输。以太网接口通过TP电缆连接到 s7—1200PLC的PROFlNET接口。根据系统规模和需要, ¥7-1200PLC的上位机采用计算机或人机界面。利用 PLC的编程组态软件,可以实现功能强大的控制作用。 PLC与人机界面使用以太网(PROF l NET)连接,并与上位 计算机的通信。人机界面用于显示系统的测量参数及 控制状态,还可用于对发电系统的手动控制。上位机可 以显示发电系统的运行状态,并设定控制参数。通过以 太网接口,可以将发电系统接入互联网,实现网络化远 程监控。 三、监控系统的软件设计 本系统软件系统主要分为初始化模块、数据采集 与处理模块、中断模块、通信模块和显示模块等。系统 的主程序设计主要实现的是各模块程序的链接。系统 主程序流程如图2所示。 圈2主爱序藏毫 系统上电后,首先进入初始化模块,对 STR912FW44X6内部的A DC、中断、通信、显示等各参数 进行初始化;接下来进入数据采集与处理模块, STR91 2FW44X6通过传感器和采样电阻分别循环采样发 电系统的运行参数和故障参数。然后将采样值经AD转 化处理后进入显示模块,同时在中断模块中,将系统输 出反馈电压与预先设置的基准电压按一定比例进行比 较,调整脉宽,改变占空比,控制逆变器输出电压。并对 电能质量进行实时监测,以保证整个发电系统的安全 运行。以下主要介绍通信模块。 1、定义通信协议 上位机和下位机之间的通信可看作是一系列命令 流和数据流的流动,需要采用的统一的通信协议来保 证传输过程的可靠和高效。RS一485是应用最广泛的双 向、平衡传输标准接口,支持多点连接,最多可连接32 个节点,RS-485作为底层通信接口,具有传输距离远、 传输速率快、抗干扰能力强、稳定可靠、编程简单、组网 快速、价格低廉的优点,但在软件协议方面并没有一个 统一的规范,导致不同厂商的设备常常采用不同的通 信协议。因此,本文设计一种具有通用性的通信协议, 从而简化基于RS-485通信部分的设计,既能够保证通 信的稳定可靠。 上{ij【枫下能机 圈3瞄_485分晨壕构姐 通信协议的设计需要遵循lSO/OSl参考模型,采 Sys Prac ̄ce系统实践 67 用分层结构描述通信协议,参照局域网参考模型所定 时接收方的程序回到通信程序的开始,并清空缓冲区 义的物理层、介质访问控制子层和逻辑链路控制子层 及用户层的基本规范,力求做到满足开放系统设备和 软件的互操作性要求,协议采用l SO/OS I参考模型的 1、2和7层。如图3所示。 在图3中,物理层是利用物理媒介实现物理连接 的功能描述和执行连接的规约,主要规定了建立物理 连接的机械特性、电气特性、功能特性和时间特性。物 理层要完成发送及接收宇节流的任务,为数据链路层 提供接口(以子程序的形式来描述)。采用循环查询RI 标志位的方式,可以在规定的循环次数时间内实现一 个字节的接收。规定时间的长短由循环次数决定。如果 在规定的时间内未收到,则视为通信失败。 数据链路层建立、维持和拆除链路连接,向应用层 提供接口(以子程序的形式来描述),实现无差错传输 的功能。在数据链路层上实现正确生成为传输各种命 令、数据所需的帧格式,把数据帧发送到物理层上。数 据链路层的基本通信单位是帧,帧体封装来自应用层 的数据报,长度是1 ̄255B,数据链路层对这一部分不 做处理,由应用层处理。但可以通过帧长度检查进行差 错处理。对发送的每个字节可以采用CRC校验等方法 进行校验。通信采用上位机轮询,下位机应答方式。上 位机通过发送一次命令帧启动一次通信,下位机收到 资料后,判断地址是否和本机地址相同,若相同,识别 命令作出应答,若不同则不予理采。在数据采集系统 中,帧格式主要分为发送信息帧格式和晌应信息帧格 式。发送信息帧格式为由上位机向下位机发送命令信 息帧的格式。 应用层利用链路层提供的服务,完成不同通信节 点之间的通信。应用层数据报的格式一般包括类型域 和数据域两部分。类型域指定数据报的类型,共可表示 256种类型,其中,0用来表示数据;其它用来表示命 令。数据域是通信中传输的采集数据、系统参数等。数 据报可以分成命令型数据报(类型域不为0)和数据型 数据报(类型域为0)两类。具体命令根据具体应用由具 体程序负责解释。应用层采用冗余类型字节进行差错 检查,数据域字节采用CRC校验方法进行校验。 通信机制可以是面向握手的或无握手的两种。面 向握手的通信机制每发出一帧,总是要等待确认帧,否 则将认为是通信出错。用于传输系统命令和一些非常 重要的系统参数。无握手的通信机制发送方无须等待 确认帧而不停地发送,用于采集数据的发送。若接收方 在规定的时间内不能接收到数据,则可发送复位帧,同 数据;而发送方的收到复位帧后也回到通信程序的开 始,并清空缓冲区中数据。然后,双方重新同步。 2、数据1.r令帧格式 RS-485通信接口采用串行异步通信协议标准的起 止式异步通信协议,数据的基本帧格式如图4所示。 起 数据位 校 停 停 始 验 J卜二 止 位 I SB MSB 位 位 位 1 0 1 2 3 4 5 6 7 偶X1 l 1 圈4数据帧格式 在本系统中规定1个起始位、8位数据位、1个可 选的偶校验位、2个停止位、波特率38.4 Kbps,COM1对 应中断号为IR04,中断地址OxOC。在通信过程中接收 数据以中断方式接收,发送资料以查询方式发送。通过 线控制寄存器(ULCONn)编程来设定。主机命令帧格式 如图5所示。从机命令帧格式如图6所示。;争数据区帧 格式如图7所示。 净数据区 STX LEN ADR CoMD BCC 1.I 2 l 3 I n 02H lB 2B 2B 0~256B 1B 净数据区 STX LEN ADR RESP BCC 1. 2. 3. 03H 1B 2B 2B 0~256B 1B 圈6从棚1I|令帧掐l式 <一一一PKW一一一>I<一一PZD一一一> 圈7净姗区帧格式 在图5~图6中,STX是起始字符,固定为02H。LEN 是报文长度。ADR是站地址及报文类型。BCC是校验符。 PKW区包含参数识别码PKE、参数下标IND、参数值 PWE,PKE是一个16位区域,用来控制主电路参数设定。 PWE根据PKE命令传回相应的参数值,故障代码,错误 码。PZD区包含从站控制字STW和主设定值HSW,分别 是16位区域用来控制主电路运行并对控制命令的响 应。从机应答时的字符分别为ZSW和…W。处理PZD的 优先级高于处理PKW的优先级,在主机和从机中收到 的PZD总是以最高的优先级加以处理。发送前,将要发 送的报文逐位进行异或生成BCC位效验,每条报文首 字节为02 H,次字节为报文长度,接下来是地址和命令 信息系统工程f 2010.11 20 I 68 I Prac ̄ce系统实践 //返回值为1成功发送,返回值为0发送不成功, 超时等待时间l OOms; //i nt SendRESP(uns i gned char data): 字,随后为报文,BCC在最后一个字节。 协议中有效字符集为1~9、A~F及十六进制数 ODH,小写ASCll字母为非法。有效命令帧长为14或18 字节。从机的本机地址为双字节,ASCll格式。默认设 置O1。主机发送的命令,从机对命令的应答为双字节, //data:发送给上位机的数据; //返回值为1成功发送,返回值为0发送不成功。 ASCll格式。响应命令码=‘‘10”,主机请求从机反馈当 前的准备状态和控制使能情况。命令码=‘‘1 1”~“15”, 为了能正确传输数据,在网络层上必须对在物理 层上传输的比特流进行校验。在这一层提供完整程序 流程,在流程中调用数据链路层中提供的接口进行数 主机向从机发出读取从机参数、运行控制与调节功能、 读取功能码参数设置、功能码参数和查询命令等功能 命令,协议命令列表从略。 通信数据存放在两个1 6位的FIF0队列里,在接 收FlF0中,每个字符还有另外四位用来表示字符的状 态信息。发送数据时,需要把数据写入发送FIF0中。如 果UART使能,将产生一个数据帧,并根据UART LCR寄 存器中设定的参数开始发送数据。数据将连续发送,直 到发送FlF0中没有数据。一旦数据写入发送FlF0, UART—FR寄存器的BUSY位就为…GH,并且在数据发送 的时候一直为…GH。只有当发送FIF0为空,并且最后 一个字符包括停止位从移位寄存器中发送出去,BUSY 位才取反。即使UART不再使能,BUSY位仍可以为 …GH。对于每个数据样本将取值三次,并保留占多数的 值。对于需要采样的数据,首先定义采样的中点并在中 点取值,然后再在中点两边分别取值。当接收者空闲 (在屏蔽状态UART—RX引脚连续为1)并且在数据输入 端检测到一个LOW(接收到开始位)的时候,接收计数器 将开始运行,并且数据在计数器的第8个周期被采样。 其中,该计数器带有一个由Baudl 6使能的时钟。在 Baudl 6的第8个周期,如果UART—RX引脚仍然为 LOW,开始位就是有效的,否则将认为检测到的开始位 是错误的并且忽略。如果开始位有效,那么将根据数据 字符的编程长度在每个Baud16的第1 6个周期对数据 位进行采样。如果校验模式使能,还将检查校验位。最 后,如果UARTRX引脚为…GH,一个停止位将得到确认 (否则发生一个帧错误)。接收到一个完整的字后,将把 数据包括与这个字相关的错误位存放在接收F l F0中。 3、程序流程 为了在数据链路层中向应用层提供服务,定义两 个函数: i ntSendOOMD(uns i gned char addr.uns i gned char comd,uns i gned char data); //addr:下位机目的地址; //comd:命令码; //data:发送的数据; 信息系统工程I 2010.11.20 据的收发。程序流程如图8和图9所示。 &¨ … ■8上位机洼爱■ 四、结论 本文通过参考相关文献和初步设计对新能源发电 监控系统进行了研究,并在STR912开发板和实验逆变 器上进行了相关实验。得到如下结论:自定义的RS一485 通信协议已经成功运用到并网逆变器的电力参数监测 中,通信可靠,易操作。可以与第三方设备相连接,基本 实现了设计目的,为后续系统设计打下了基础。在-陛能 方面,在继续优化硬件基础上,通过软件的继续开发, 本系统可以对新能源发电系统的主要参数进行设置和 控制。因此,对从事类似工作的工程技术人员有一定的 参考价值。 参考文献 【1]王仁祥,王小曼.终端用户分布式新能源接入 智能配电网技术研究[J].电气应用,201 0(8):58-62. 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(下转125页) i Information Technology信息化建设 工具”>‘‘Internet信息服务(1Is管理器)”,服务器名 上右击>“属性”>“MlME类型”>“新建”,在新建扩 展名框内输入“.dwg”,“iIME类型”框中输入‘‘appI ica— t i on/autocad”。 }1 25 (4)将控件productnumber的值嵌入word文档中 相应标签的位置 var form=document.a l I.forml: productnumber=form.productnumber.va I ue: range =wdapp.Act i veDocument.Bookmarks Wi ndows 2003 Server默认文件上限为200K,而 大多数图纸文件超过这个限制,因此需要在服务器端 对I l S进行一些修改: a:直接编辑配置数据库设为允许:在lIS中右键 (,,productnumberⅣ)。Range: range.Text=productnumber: “本地计算机”选择“属-I生”,钩选“允许直接编辑配置数 四、结束语 据库”。 b:关闭“llS Admin Service”服务:“控制面板一 管理工具一服务”,在其中右边找到“llS Admin Ser- Vice”,选中该项并点击鼠标右键,选中“停止”即可关 闭该服务。 c:修改“MetaBase.xnll”文件:“X:\wlNDOWS\sys— tem32\i netsrv”,在该文件夹中找到“MetaBase.xmI” 文件,将“MetaBase.xmI”用记事本打开,在其中搜索 “AspMaxRequestEntityAl lowed”,将后面的“204800” 改成“1 024000000’,保存文件。 d:开启“llS Admin Service”服务:修改完成后再 按照a的操作将“lIS Admi n Service”服务开启。 2.3生成word文档 (1)设计一个word文档,在需要嵌入数据的地方 设计标签,如productnumber。 (2)生成Actjvex对象 var wdapp=new Act i veXObj ect( Word.App I i ca— t i on ): wdapp.Vi Si bIe=true: (3)打开word文档 wddoc=wdapp.Documents.Open(form1.addr.va l— Me): addr指向(1)中的word文件。 (上接68页) [5]STR9lx编程参考手册V1.0[M].STMicroelec— tronics,2007. [6]STR91x Soltware 1 ibrary.No UM02 33,User manua【s].STMicroelectroniCS,2006. [7]STR91 2-EVAL Eva1uation Board,No Um01 74,STMicroelect roniCS[S].2 006. [8]STR91xF Prel iminary data User manua1. STMicroelect roniCS[S],2006. [9]STR9 In—Application Programming USing 本文介绍了基于Web的机械设备设计、制造及管 理系统信息化控制软件的系统设计思想关键技术和设 计实现,该系统使用基于Web的B/S模式架构,按照项 目研发、制造、销售流程进行住处管理与跟踪,适应了 个性化项目管理的需要,系统为每一个项目创建一个 新任务,实施从项目设计、采购管理、生产控制、现场安 装调试、售后服务等全站式管理,在管理的内容上包含 了项目实施过程中的全部人员、相关文档与图纸、相关 零件与原材料、状态转换信息等,达到随时跟踪项目进 展的目的,便于项目研发结束后的信息归档;该系统通 过嵌入Office组件的方式,提供相关打印功能。软件 系统可以直接将相关数据导入Word模板实现各种打 印或归档功能,从而实现与lS09001:2000国际质量管 理体系认证中要求的各种文档规范的无缝接轨,使得 相关文档管理规范严谨,也避免了重复工作。该系统目 前已通过验收,达到了公司预期目标。 臻 参考文献 [1】B/S架构[[DB/OL】.http://baike.baidu. com/view/268862.htm,201 O一1 0-8. [2]郑阿奇.ASP程序设计教程[M].北京:机械工业 出版社,2007. UART,STMicroelect roniCS[S],2 007. [i0]谈蓓月,杨金焕,葛亮.太阳能光伏并网系统 的设计和数据通信….华东电力,2004,32(9):ll一1 3. [11]余运江,杨波,等.全数字化控制光伏并网逆 变器的设计与实现[c].机电工程,2008,2 5(1 O):6—9.