穆 娜，馬 亮，林 錐，李旭陽(yáng)，梁海

（北京京儀綠能電力系統(tǒng)工程有限公司，北京 100009）

光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，大中型光伏電站已經(jīng)成為太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)的最佳選擇。目前光伏電站一般占地比較大，地點(diǎn)偏僻，維護(hù)人員少，設(shè)備分散且相互距離遠(yuǎn)，因此光伏電站必須具備完善的監(jiān)控系統(tǒng)。近年來(lái)光伏電站監(jiān)控朝著智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展，而傳統(tǒng)逆變器簡(jiǎn)單的單點(diǎn)通訊方式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)有方式，而485總線通訊距離長(zhǎng)，配置靈活的特點(diǎn)，很好的適應(yīng)光伏電站設(shè)備距離遠(yuǎn)，位置分散的特點(diǎn)。 而Modbus[3]是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一種，通過(guò)此協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)電站多種設(shè)備（逆變器、智能匯流箱、升壓變）的通信?；谏鲜鲈?，文中設(shè)計(jì)了一套光伏逆變器通信系統(tǒng)[4]，采用Modbus RTU通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，達(dá)到能夠同時(shí)4個(gè)逆變器設(shè)備通訊的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成以及原理

在光伏逆變器通訊過(guò)程中，逆變器通訊板是通訊系統(tǒng)一個(gè)重要組成部分。一般通過(guò)微處理器控制電機(jī)繼而達(dá)到實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的。而上位機(jī)通過(guò)串行或者并行通信協(xié)議控制逆變器理器，來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[5]。具體框圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)光伏逆變器通信系統(tǒng)框圖Fig.1 Communication system block diagram of traditional photovoltaicinverter

文中提出了一種新的光伏逆變器通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用ModbusRTU協(xié)議，使上位機(jī)（PC）直接可以和光伏逆變器通信系統(tǒng)進(jìn)行通信，其框圖如圖2所示。本設(shè)計(jì)上位機(jī)采用一般PC即可，最好帶RS485接口。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中節(jié)省了微處理器，所以不僅在數(shù)值處理運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送上運(yùn)行速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，而且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了成本。

圖2 基于Modbus RTU通信協(xié)議的通信系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of based on Modbus RTU communication protocol system

由于有的PC不自帶RS485接口，因此上位機(jī)不能利用Modbus通信協(xié)議來(lái)控制光伏逆變器通信系統(tǒng)。雖然市場(chǎng)沒(méi)有專門接口轉(zhuǎn)換電路，但是由于一般上位機(jī) （PC或者工控機(jī)等）都自帶 USB接口，自己根據(jù)Modbus協(xié)議和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器件，自行設(shè)計(jì)接口轉(zhuǎn)換電路，接口圖如圖3所示。

圖3 接口電路轉(zhuǎn)換示意圖Fig.3 Interface converter circuitdiagram

2 Modbus RTU協(xié)議及實(shí)現(xiàn)

2.1 Modbus協(xié)議

Modbus是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機(jī)/服務(wù)器通信[6]。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)?？刂破髂苤苯踊蚪?jīng)由Modem組網(wǎng)?？刂破魍ㄐ攀褂弥?從技術(shù)，即僅主設(shè)備能初始化傳輸（査詢）。從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)反應(yīng)。光伏電站典型的主設(shè)備：中控主機(jī)和通訊管理機(jī)。典型的從設(shè)備：逆變器、匯流箱、配電柜、升壓變、電表等。本系統(tǒng)中主設(shè)備指上位機(jī)，從設(shè)備主要指光伏逆變器。

上位機(jī)可單獨(dú)和光伏逆變器通信，也能以廣播方式和所有光伏逆變器通信。如果單獨(dú)通信，光伏逆變器返回同樣的消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式査詢，則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了上位機(jī)查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤檢測(cè)域。光伏逆變器回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回的數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤檢測(cè)域。如果在消息接收過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，或不能執(zhí)行其命令，光伏逆變器將建立錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。

通信過(guò)程主要分查詢和響應(yīng)。查詢指從上位機(jī)通過(guò)功能代碼告之被選中的光伏逆變器要執(zhí)行的何種功能；響應(yīng)指光伏逆變器對(duì)査詢信息功能代碼的回應(yīng)。通信是由來(lái)自上位機(jī)的查詢開(kāi)始的。光伏逆變器之間不能進(jìn)行查詢。

控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）之中的任意一種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信[1]。文中選用RTU（遠(yuǎn)程終端設(shè)備）模式，還包括設(shè)置其他串口通信參數(shù)（波特率，校驗(yàn)方式等）。需要注意的是，在同一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上所有的設(shè)備都必須有相同的傳輸模式和串口參數(shù)。RTU模式下，數(shù)據(jù)幀格式是:地址+功能代碼+信息+CRC-16校驗(yàn)。CRC校驗(yàn)的全稱是循環(huán)冗余校驗(yàn)，其特點(diǎn)是：檢錯(cuò)能力極強(qiáng)，花費(fèi)CPU開(kāi)銷小。

2.2 參 數(shù)

2.2.1 運(yùn)行參數(shù)

運(yùn)行參數(shù)具有只讀功能，其通訊應(yīng)用格式如表1～表2。

讀數(shù)據(jù)（功能碼04）

表1 主機(jī)讀取運(yùn)行參數(shù)格式Tab.1 The format of host reading operating parameters

表2 從機(jī)讀取運(yùn)行參數(shù)格式Tab.2 The format of slave reading operating parameters

2.2.2 控制參數(shù)

運(yùn)行參數(shù)具有可讀可寫功能，其通訊應(yīng)用格式如表3～表6。

讀數(shù)據(jù)（功能碼03）

表3 主機(jī)讀取控制參數(shù)格式Tab.3 The format of host reading control parameters

表4 從機(jī)讀取運(yùn)行參數(shù)格式Tab.4 The format of slave reading control parameters

寫數(shù)據(jù)（功能碼06）

表5 主機(jī)寫控制參數(shù)格式Tab.5 The format of host writing control parameters

寫數(shù)據(jù)（功能碼06）

表6 從機(jī)寫運(yùn)行參數(shù)格式Tab.6 The format of slave writing control parameters

寫控制參數(shù)成功，逆變器（從機(jī)）原樣返回。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

基于Modbus RTU通信協(xié)議的光伏逆變器通訊系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用C#軟件編譯[3]。上位機(jī)軟件打開(kāi)后，選擇端口號(hào)，波特率為默認(rèn)值9 600，點(diǎn)擊“open”后選擇運(yùn)行模式。運(yùn)行模式分為兩種：調(diào)試模式和自動(dòng)運(yùn)行模式。調(diào)試模式下，根據(jù)Modbus RTU通訊協(xié)議和要完成的內(nèi)容，進(jìn)行指令操作，運(yùn)行參數(shù)和控制參數(shù)界面無(wú)顯示和界面刷新。而自動(dòng)運(yùn)行模式下，會(huì)根據(jù)內(nèi)設(shè)好的指令自動(dòng)發(fā)送運(yùn)行參數(shù)和控制參數(shù)的讀取，且運(yùn)行參數(shù)和控制參數(shù)界面會(huì)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)刷新顯示。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of the program

4 實(shí) 驗(yàn)

文中研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室完成了軟硬件的聯(lián)調(diào)測(cè)試，系統(tǒng)的調(diào)試連接如圖5所示。該測(cè)試系統(tǒng)是由供電穩(wěn)壓電源、通訊板、控制板、液晶觸摸屏、RS485組成。主要完成的實(shí)驗(yàn)有：在觸摸屏與控制板的通信正常，驗(yàn)證控制板能正常采集到數(shù)據(jù)，顯示屏能顯示正確的參數(shù)和曲線并能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和查詢歷史數(shù)據(jù)的情況下，上位機(jī)與通訊板的通信測(cè)試，驗(yàn)證上位機(jī)與通訊板之間通訊正常，可以完成發(fā)送指令和接受指令的正常進(jìn)行。

圖5 實(shí)驗(yàn)調(diào)試系統(tǒng)Fig.5 Experimental debugging system

系統(tǒng)上電后，通過(guò)查看終端是否正確接收了下位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，圖6給出了上位機(jī)主界面的測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，觸摸屏能夠正確接收到下位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。

通過(guò)上位機(jī)測(cè)試光伏逆變器采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可以看到上位機(jī)工作正常，能夠正常顯示參數(shù)，并能夠正確收發(fā)指令。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上位機(jī)可成功的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的通訊，將下接子設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)信息傳送給上位機(jī)。電站的管理人員只要通過(guò)上位機(jī)便可查看數(shù)據(jù)參數(shù)，了解電站的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。

5 結(jié) 論

圖6 主界面Fig.6 The main interface

文中介紹了基于Modbus RTU通信協(xié)議的光伏逆變器通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅通信可靠性髙，運(yùn)算速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，而且硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本文最大創(chuàng)新之處在于根據(jù)光伏逆變器功能和原理，進(jìn)行巧妙的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的目的。此外，本文中提及的設(shè)計(jì)思路，已經(jīng)在設(shè)備中采用，并且寧夏、格爾木等多個(gè)光伏電站現(xiàn)場(chǎng)得到驗(yàn)證。

[1]上海景利數(shù)碼科技有限公司．Modbus通信協(xié)議的原理和標(biāo)準(zhǔn) [EB/0L]. （2010-06-12）.http://wenku.baidu.com/view/61b3691b227916888486d769.html.

[2]李江全.Visual C#.NET串口通信及測(cè)控應(yīng)用典型實(shí)例[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[3]Modbus協(xié)議中文版（完整版）[EB/OL].（2011-06-14）.http://wenku.baidu.com/view/f2fc7ce86294dd88d0d26b36.html.

[4]李躍峰.基于Verilog HDL的SPI可復(fù)用IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].四川成都：西南交大碩士學(xué)位論文，2008．

[5]Kimura K H H.A novel low-power-consumption all-digital system-on-glass display with serialinterface [J].SID International Symposium 2010（DOI#10.1889/JSID18.1.30）:30-36.

[6]王瑋，蔡鏈紅.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定方法的研究[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2002，23（4）:435-437.WANG Wei，CAI Lian-hong.Study of determ ining bayesian network topology structures[J].Mini-micro System，2002，23（4）:435-437.