韩华
双485通讯系统应用于农光互补光伏电站
发表于:2018-02-07 14:06:01
来源:索比光伏网

双485通讯系统应用于农光互补光伏发电站,打破了传统系统无通讯功能的框架,或单一485通讯功能模式。通过硬件整合,软件上通过信道独立分开方式完成两路485通讯,物理上独立,互不干涉。硬件上模块化设计,软件上统一管理控制。在斜单和连推平单上已经大批量使用。一路用于支架转动信息获取,提高了安全和可靠性,另外一路主要用于电站管理中心数据交互,部分控制指令下发,当前支架运行主要信息上传。实时把数据和信息上传,完成整个光伏电站前端和后台数据交互,信息传递,控制指令及时下发,为光伏电站的智能化、网络化、自动化提供基本的技术保障。

一、硬件系统构成

该系统包括钢架结构(斜单、平单、连推平单),驱动部分(三相电机(380V AC)、直流电机(24V DC)、回转驱动电机(24V DC)),角度仪传感器及控制模块,PLC集中控制箱,箱变,光交换机及电站管理,无线发射站。角度仪传感器及控制模块在处理器的软件驱动下,实现与光伏电站管理中心和无线发射站数据交互。第一路无线485通讯链路接收无线发射站信号结合已经设置的经、纬度和时间芯片提供的时间,启动电机驱动钢架结构运行。太阳能电池板组件在钢架结构的运行下自动跟随太阳高度角和方位角而运行,停止角度设置由角度传感器获取。第二路有线485通讯链路经过PLC集中控制箱、光交换机、光纤与电站管理数据中心数据的交互。在一昼夜的时间周期内,白天实现自动跟踪,夜晚自动夜返,完成一个周期后再等待下一个自动跟踪周期的开始。如果异常情况发生,电站管理中心通过有线通讯链路下发控制指令,实现网络智能管理。跟踪控制盒把当前支架运行数据信息实时上传至电站管理中心。系统如图一


图一

二、ATmega 处理器系统

基于ATmega 处理器系统,可以省略高成本的PLC控制系统。ATmega 处理器系统资源丰富,性价比高,完全满足农光互补光伏电站的智能处理需求。 ATmega 处理器高性能、低功耗AVR 处理器,先进的RISC结构,高达16MIPS指令速度,只需两个时钟周期的硬件乘法器,高达128K 字节系统内可编程Flash,4K 字节的EEPROM,寿命:100,000次写/擦除周期,4K字节的内部SRAM;SPI实现系统内编程,JTAG支持片内调试,可对Flash,EEPROM等定位编程,两个具有预分频的器和比较器的8位定时器/计算器,16位定时器/计数器,两路8位PWM,6路分辨可编程的PWM,输出比较调制器,8路10位ADC,面向字节的两路接口,两路可编程的USART串口,可工作于主机/从机模式的SPI串口接口,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,片内模拟比较器,上电复位及可编程掉电监测。片内经过标定的RC振荡器,片内/片外中断源,6种睡眠模式,可以通过软件进行选择的系统主频时钟。鉴于该处理器功能全面、处理能力强大,可以满足光伏电站前端光伏组件运行的智能化、网络化技术要求。

三、技术创新点

1、两路485通讯,物理上相互独立,模块化,最大限度增强抗干扰性能。需选用具备两路UART硬件的处理器,且全双工操作,波特率可设置,具备硬件支持的奇偶检验,帧错误检测,噪声滤波,硬件中断方式。ATmega 处理器具备两路UART硬件串口,并具备上述功能,进而简化了过去需软件模拟串口通讯的工作量和工作难度,所以通讯的可靠性得到很大提高,远远优于软件模拟通讯方式。双硬件UART通讯口为实现双485通讯提供了可靠的硬件保障。

2、两路485通讯,通讯数据须分开处理,须执行两套不同协议,基于这样的需求,创造性的开发出两路通讯协议,配合硬件完成两路通讯。一路是基于目前行业内的Modbus协议,用于行业内数据通讯,兼容只要遵守Modbus协议的所有设备终端,可与不同厂家设备终端之间进行数据传递。与光伏发电站中的通讯柜,逆变器、数据采集系统相连接。对于其他特殊需求可以基于其高兼容性做适当扩展。另外一路为企业内部自定义协议,主要用于系统内部数据通讯传输,具体协议制定,规则可以自由定义,通讯模式有很大的自由度。比如,首字节为设备地址,可选择数据累计方式来效验,摒弃复杂的CRC效验,帧结束符可固定为某个数据。其中可以由多组数据串组成,只要满足数据累加和即可,在本系统中使用了太阳的高度角和方位角这两个数据,可组装成两对数据,编入通讯帧中。主、从机按既定的规则进行传输、解析,即可完成数据交互,控制太阳能组件实时跟踪太阳而转动,进而提供发电效率。

四、原理解析

1、硬件原理图——第一路无线485通讯链路


图二

通过光耦隔离,处理器与485通讯芯片进行数据交换,485芯片的A、B接口与外界无线通讯模块对接。A/B 两端双向TVS管,瞬态抑制高压,保护通讯线路的异常电压。在本系统中采用120欧姆负载匹配阻抗,如图二中电阻R8所示。485通讯芯片与处理器之间收发端经过光耦隔离,可以增强抗干扰能力。在本系统中,控制收发端RE/DE,并联到芯片的发送端,受控于三极管Q1,确保收发状态切换。三路整合到两路光耦隔离,减少PCB板空间和节省元器件。收发数据经光耦传输至处理器相应的UART端口。处理器在中断机制的触发下,完成数据的接收和发送。

2、第二路有线485通讯链路

图三

第二路485通讯基于第一路485电路基础上,做适当简化,去除光耦隔离部分,其他保持不变,唯一区别是控制收发端直接受控于处理器的端口,采用4.7K电阻上拉确保电平平稳。这路通讯链路用于系统内部数据通讯,独立于外界,干扰相对少些,故去掉光耦隔离。简化电路,降低成本。其他元器件作用如上述第一路485电路。

五、总结:

该双485通讯系统目前已经成功运行于山东、青海等农光互补光伏发电站,该系统功能运行情况良好,智能跟踪支架通过双485通讯系统实时把数据上传至光伏电站的数据管理中心,光伏电站的控制指令及时传递到前端智能跟踪支架,完成对智能跟踪支架的智能化操作,尤其对智能跟踪支架故障信息的获取,进而为后续故障的排除提供了有力的保障。在特殊天气情况下,实时地操作智能跟踪支架的运行,规避了恶劣天气情况下运行的风险。该双485通讯系统在智能跟踪支架信息的上传下达通讯组网中提供必要的技术基础,基于这样的两个通讯链路,前端的跟踪器支架与后台电站管理中心形成了一个完整的物联网系统,实现了整个电站管理系统的智能化、网络化、自动化;同样为今后的云技术、大数据提供了基本数据通讯链路。

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