基于Modbus协议的远程光伏逆变监控系统设计(自动保存的)4-solarbe文库

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基于 Modbus协议的远程光伏逆变监控系统的设计海涛，陈凯，梁挺兴（广西大学，电气工程学院，广西南宁 530004）摘要针对传统光伏逆变监控系统结构简单、智能化程度低、传输速度慢、节点受限制，不能实现对设备的远程监控。设计了基于 Modbus 通信协议的远程光伏逆变监控系统，加入了外部采集模块对光伏阵列温度和环境因素进行监测，数据通过以太网传入远程监控中心，成功实现了对光伏逆变系统运行状态的监控。经过实验测试，结果表明该系统运行稳定，符合设计要求。关键字光伏逆变； Modbus 协议；以太网；监控中图分类号 TM615 文献标识码 A Design of PV inverter remote monitoring system based on Modbus protocol HAI-Tao ， CHEN-Kai， LIANG-Tingxing （ Institute of Electrical Engineering ， Guangxi University ， Nanning Guangxi 530004 China ）Abstract As simple structure, poor intelligence, slow transmission speed, limited node, without equipment remote monitoring of traditional PV inverter monitoring system, the PV inverter remote monitoring system based on Modbus communication protocol was designed ， adding the function of monitoring PV array temperature and environmental factors via the external acquisition module. The data was collected by remote monitoring center via Ethernet, successfully monitoring the running status of PV inverter system. According to the results of experimental tests, the system runs stably, and meets the design requirements.Keywords PV inverter; Modbus protocol; Ethernet; monitoring引言可视化和智能化的实现加速了现代科技的发展，远程监控系统是人们实现可视化和智能化的代表产物之一，广泛应用于航天，航海，交通，工业生产和人们的生活中，未来也有很大的发展空间和潜力。光伏发电技术是国内外重要研究课题，随着能源危机的出现，光伏发电站的规模和数量快速增加，目前大多数光伏发电站都建在偏远地区或高楼顶层，面临的问题是如何采用最少的人力物力实现统一集中化管理，能对光伏发电站的运行情况进行可视化和智能化监控 [1]。光伏逆变器是光伏发电系统中关键环节，其运行状态决定整个光伏发电系统的稳定性和可靠性。目前大多数光伏逆变器厂家考虑到生产成本，只给出近距离监控方案。本文以可视化，远程，集中管理为设计准则，利用 DSP 处理器强大的数据处理能力和通信能力，设计了基于 Modbus 通信协议，通过RS485转以太网的传输形式的远程光伏逆变监控系统。1 光伏逆变监控系统设计方案1.1 监控系统简介监控系统按是否采用通讯介质分为有线监控和无线监控，按距离远近可分为远程监控和近程监控 [2]。有线监控系统，需要采用通讯总线，数据传输稳定，投资成本低，传输距离近，不利于系统扩展，适用于小规模光伏发电系统；无线监控系统，不需要通讯总线，传输距离远，但数据传输不够稳定，实时性差，需要串口设备都具备无线通信能力，成本较高。综合两者优点，本文将采用有线和无线监控相结合的方式实现远程监控。1.2 传统光伏逆变监控方案传统光伏逆变监控方案只能实现近距离监控， DSP处理器将采集到的实时数据通过串口通信接口走 RS485总线的形式直接和上位机实现通讯，其通讯方式采用自定义通讯协议。其整体结构框图如图 1 所示。上位机DSP处理器通信电路光伏阵列DSP处理器通信电路光伏阵列DSP处理器通信电路光伏阵列逆变器 1逆变器 2逆变器 n485总线图 1 传统系统结构框图该监控模式结构简单，智能化程度不够高，节点数受限制，不能满足大型光伏发电系统的设计要求。因为协议规范和节点的限制，其兼容性和扩展性差。1.3 改进后光伏逆变监控方案针对传统光伏逆变监控方案的不足，本文采用统一规范的 Modbus 通信协议，简化了通信协议中的功能码，同时采用 CRC校验方式保证数据的传输的准确性，提高系统的可靠性，通信协议规范的统一也提高的系统的兼容性。加入带 WIFI 功能的串口服务器，实现了 RS485转以太网的通信形式，将有线和无线监控有机的结合，使每个串口通信设备具有良好的无线网络通信能力。解决节点受限的问题，构成了一套多总线和应用范围广的远程光伏逆变监控系统，易于工作人员实现智能化和可视化管理。其整体结构如图2 所示。逆变器 1.RS485 转以太网RS485 转以太网RS485 转以太网远程监控主机逆变器 2逆变器 3.逆变器 n逆变器 1逆变器 2逆变器 3.逆变器 n逆变器 1逆变器 2逆变器 2逆变器 2.图 2 改造后系统结构框图光伏电池板温度和光照辐射量影响光伏逆变器的直流侧输入，因此本系统加入了两个辅助测量模块，对整个系统工作状态进行全面实时监控。2. 监控系统硬件2.1 实验硬件平台构成如图 3 所示是整个实验硬件平台实物图，选择 6 块标称为 200W的光伏电池板，总输入功率达 1200W,输出的直流电经 1kW光伏并网逆变器实现逆变，最后并入电网或者供给负载使用。通过光伏逆变器内部的采样模块可对逆变过程的电量参数进行检测。选用WP3066ADAM 温度采集模块，该模块有 8路温度传感器 DS18B20输入，温度分辨率为0.1 摄氏度，可实现对 6 块光伏电池板的温度测量。光照辐射量测量选用 YJ-SR100简易总辐射传感器，测量范围是 0-1500W/m2, 分辨率为 1W/m2。检测到的数据通过 485 总线传入串口服务器，远程监控主机再接受串口服务器以太网端传输的数据。图 3 硬件平台实物图2.2 逆变器构成及数据采集逆变器在整个光伏发电系统中实现的功能是将光伏阵列产生的直流电逆变为可供用户使用或并入电网的交流电，在光伏逆变监控系统中主要负责实现数据采集、数据处理和数据传输，逆变器硬件主要包括逆变器内部的霍尔传感器、温度传感器、 DSP控制器、相应电压电流采样电路，通讯接口电路和外围电路等 [3]。DSP 处理器通信接口电路温度传感器输入侧电压输入侧电流并网侧电压并网侧电流RS485转以太网并网电流频率母线电压监控主机图 4 数据采集流程图如图 4 所示为逆变器内部 DSP处理器采集数据的流程图，首先需要检测的电量参数为输入侧电压电流，以及并网侧输出电压电流，还需检测母线电压，霍尔传感器配合相应的采样电路采集光伏逆变过程中的电压和电流参数。温度传感器用来检测机箱温度，交流侧频率通过过零比较器和 DSP中断程序获得。采集到的模拟信号送到 DSP内部 A/D转换器转换成数字数据，交流信号参数则计算出有效值。同时 DSP处理器还负责与 PC上位机之间实现通讯， DSP处理器的 SCI接口接上转换电路可设计为串口 RS485通信接口 ,通过 RS485 转以太网的形式，采用Modbus 通讯协议实现 DSP处理器和远程监控主机之间的数据传输。3.监控系统软件3.1Modbus 协议3.1.1Modbus 协议简介Modbus 协议已成为一种广泛用于工业生产现场的总线协议。该协议详细定义了功能码，校验码，数据序列等，这些都是特定数据交换必要内容。本系统采用 Modbus 协议 ,可以保证数据传输的正确性和稳定性 [4]。3.1.2Modbus 传输方式Modbus 传输方式分为 Modbus 串行通信协议和 Modbus TCP/IP 协议两种形式 [5] 。Modbus 串行通信协议分为 RTU模式和ASCII模式 ,在同样的波特率下，采用 RTU 模式可比 ASCII模式传输更多数据，光伏逆变监控系统需要采集大量电量参数，所以本系统采用 RTU模式。 Modbus RTU 模式数据帧如表 1 所示表 1 Modbus RTU 模式数据帧从机地址功能码数据串 CRC校验码1 字节 1 字节 n 字节 2 字节Modbus TCP/IP协议是将 Modbus 数据帧进行封装处理放入 TCP/IP 应用层，让Modbus 数据帧能在以太网中传输。在 TCP/IP数据帧中，用 IP 地址取代了从机地址，且取消 CRC校验码，添加了一个 MABPModbus应用帧头。3.1.3 有线和无线监控结合的实现本设计采用的是有线和无线通信的相结合的方式，在串口设备和 RS485总线端采用的是 Modbus 串行通信协议，在以太网到远程服务器端采用的是 Modbus TCP/IP协议 [5]，其中就会涉及到两个协议格式的转换。串口服务器用以实现一个面向连接的串口通信和面向无连接以太网之间的数据通信的存储控制，可实现两个协议之间的转换。本系统加入带 WIFI 的串口服务器，减少程序编写的难度，同时还能让每个串口设备都具备良好的无线通信能力，可达到有线和无线监控相结合的目的。远程监控主机只需对串口服务器（ Modbus TCP服务器）的以太网端口进行控制，采用 Socket 和 Modbus TCP 协议进行网络通信。3.2 系统主程序远程监控主机通过 Modbus 协议实现与光伏逆变器数据通讯，串口服务器可以看作第三方存储和转换媒介。系统初始化发送周期性命令响应中断数据格式是否错误接受数据并处理开始接受放回数据报警数据是否超过预警值是否否是显示结果图 5 软件流程图软件流程如图 5 所示，首先进行系统初始化，串口设备、串口服务器和远程监控主机连接好后，远程监控主机发送相应指令给串口服务器以太网端，串口服务器将指令转换后发送到 DSP 处理器和两个采集模块中的主控处理器，处理器接受到指令就会响应中断，然后返回数据，辨别格式是否错误，是否超过预警值，超过预警值就提醒工作人员系统发生异常，及时维护，并将异常时间和异常数据存入异常数据库，若接受数据正常，则接受数据并进行处理，然后显示结果，将数据存入数据库。3.3 上位机界面图 6 上位机界面在 Visual Studio 2008 开发环境下，采用目前比较流行面向对象的程序设计语言 C进行上位机界面编写，同时采用 SQL SERVER 2003 进行数据库编写。下图为上位机显示界面，该界面可显示逆变器工作状态下的直流侧电压电流、并网侧电压电流、母线电压、设备实际功率，机箱温度、频率、光照强度、总发电量和异常情况。点击上位机界面中的光伏电池温度控件，可弹出光伏电池温度显示界面如图 7 所示。图 7 光伏电池温度显示界面4. 结束语针对传统逆变监控系统的不足，采用Modbus 通信协议，通过 RS485转以太网的传输形式，完成了有线和无线相结合的远程光伏逆变监控系统的设计。实验证实该监控系统运行稳定，数据传输和存储可靠，稍加扩展，可运用其他工程领域，有重要的实践意义。参考文献[1]彭继慎，李文帅，李秋香 . 太阳能光伏发电无线远程监控系统的研究与设计 [J].计算机测量与控制 ,2012,12 3228-3231. [2] 罗存 . 太阳能分布式发电站远程监控设计 [J]. 东北电力技术 ,2009,08 50-52. [3]赵立辉，曲平平，房帅 . 基于 DSP和 3G技术的屋顶光伏发电监控系统设计 [J]. 电气应用 ,2014,01 28-30. [4]李永强，单鸣雷，朱昌平等 .基于 Modbus协议的多功能数据采集器设计 [J].计算机测量与控制 ,2014,03 839-841862. [5]俞野秋，陈坚 . Modbus 和 Modbus-TCP 协议转换研究 [J]. 仪表技术 ,2013,01 28-31. 作者简介海涛 1963- ，男，广西桂林人，工学学士，高级工程师，硕士生导师，主要从事自动控制与检测装置及太阳能综合应用的研究。联系方式联系作者陈凯地址广西大学电气工程学院 410 房邮编 530004 E-mail chenkaizc163.com 电话 / 手机 15578965110 基金资助国家自然科学基金资助项目51267001