光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

張衛(wèi)平，張 煒，毛 鵬，付得意

(北方工業(yè)大學綠色電源實驗室，北京100144)

光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

張衛(wèi)平，張 煒，毛 鵬，付得意

(北方工業(yè)大學綠色電源實驗室，北京100144)

為實現(xiàn)對光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的操作和實時監(jiān)控，分析了應用于工業(yè)控制的Modbus通信協(xié)議，介紹了TPC7062K型號的觸摸屏，利用MCGS組態(tài)軟件完成了觸摸屏控制界面的設計。以觸摸屏作為主機，DSP作為從機，實現(xiàn)了兩者之間基于Modbus協(xié)議的串口通信。通過實驗驗證：系統(tǒng)運行過程中，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠且實時性好，實現(xiàn)了良好的人機交互控制。

光伏并網發(fā)電系統(tǒng)；Modbus協(xié)議；觸摸屏；串口通信

Modbus通信協(xié)議是一種廣泛應用于工業(yè)領域控制的標準網絡通信協(xié)議。通過此協(xié)議，工業(yè)控制器之前、控制器與其它設備之間可以可靠地實現(xiàn)串行通信，完成工業(yè)控制。基于Modbus協(xié)議的TPC7062K嵌入式觸摸屏能夠簡單、方便、直觀、生動地顯示運行參數(shù)和運行狀態(tài)，可以直接在觸摸屏上修改系統(tǒng)運行參數(shù)，具有良好的人機交互性能。本文把TPC7062K觸摸屏應用于光伏并網發(fā)電系統(tǒng)，以觸摸屏作為上位機，光伏系統(tǒng)的控制器DSP作為下位機。其中觸摸屏實現(xiàn)對光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的操作和實時監(jiān)控，DSP完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，通過異步串行通信，實現(xiàn)兩者之間的交互通信。

1 單相光伏并網系統(tǒng)的設計

并網逆變器是光伏并網系統(tǒng)能量轉換和控制的核心，它負責將太陽電池所輸出的直流電轉換成符合電網要求的交流電再輸入電網。圖1為在項目中設計的一套單相光伏并網發(fā)電系統(tǒng)。

并網逆變器為雙級功率變換電路：前級采用雙Boost升壓斬波器完成直流側太陽電池板輸出電壓的升壓功能和最大功率點跟蹤，后級采用全橋逆變完成并網逆變功能。系統(tǒng)采用TMS320F28335型號的DSP作為控制器，實現(xiàn)對并網逆變器的數(shù)字控制。

圖1 單相光伏并網發(fā)電系統(tǒng)結構圖

為了實現(xiàn)對并網系統(tǒng)的監(jiān)控和操作，即實現(xiàn)人機交互通信，利用北京昆侖通態(tài)公司的產品——TPC7062K型的觸摸屏作為上位機系統(tǒng)，主要實現(xiàn)以下幾點功能：(1)實現(xiàn)DSP與觸摸屏的正常通信；(2)點擊觸摸屏上“啟動”和“停止”按鈕分別啟動和停止逆變器運行；(3)實時監(jiān)測并網系統(tǒng)運行時的參數(shù)：太陽電池板輸出電壓和電流、直流母線電壓、交流側電壓和電流、電網頻率、逆變器輸出功率；以及通信狀態(tài)、Boost和逆變器的工作情況；(4)記錄系統(tǒng)運行時出現(xiàn)的故障類型，如逆變電流過流、直流母線過壓、直流輸入欠壓等。

2 Modbus通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是工業(yè)控制器的網絡協(xié)議中的一種，它最早由莫迪康(Modicon)公司倡導，后來逐漸成為一種應用于工業(yè)控制器中的標準通信協(xié)議。該協(xié)議定義了控制器能識別和使用的信息結構。當在Modbus網絡上進行通訊時，協(xié)議能使每一臺控制器知道它本身的設備地址，并識別對它尋址的數(shù)據(jù)，決定應起作用的類型，取出包含在信息中的數(shù)據(jù)和資料，控制器也可組織回答信息，并使用Modbus協(xié)議將此信息傳送出去。

莫迪康控制器使用主從技術，即主機能啟動數(shù)據(jù)傳輸，成為查詢，而其他設備(從機)應返回對查詢做出的響應，或處理查詢所要求的動作。圖2為主從查詢-響應周期。

圖2 主從查詢-響應周期

在標準Modbus上通訊，控制器可使用ASCII或RTU通訊模式，本系統(tǒng)采用RTU模式?？刂破饕訰TU模式在Modbus總線上進行通訊時，信息中的每8位字節(jié)分成2個4位16進制的字符，該模式的主要優(yōu)點是在相同波特率下其傳輸?shù)淖址拿芏雀哂贏SCII模式，每個信息必須連續(xù)傳輸。Modbus信息以幀的方式傳輸，每幀有確定的起始點和結束點，使接收設備在信息的起點開始讀地址，并確定要尋址的設備(廣播時對全部設備)，以及信息傳輸?shù)慕Y束時間。可檢測部分信息，錯誤可作為一種結果設定。在RTU模式中，典型的信息幀見表1。

表1 RTU信息幀

信息開始至少需要3.5個字符的靜止時間，這個靜止時間根據(jù)波特率計算得到。接著，第一個區(qū)的數(shù)據(jù)為從機設備地址。有效的從機設備地址范圍0～247(十進制)，各從機設備的尋址范圍為1～247。主機把從機地址放入信息幀的地址區(qū)，并向從機尋址。從機響應時，把自己的地址放入響應信息的地址區(qū)，讓主機識別已作出響應的從機地址。地址0為廣播地址，所有從機均能識別。功能碼包括字符(ASCII)或8位(RTU)。有效范圍1～255(十進制)。其中有些代碼適用全部型號的Modicon控制器，而有些代碼僅適用某些型號的控制器，還有些代碼留作將來使用。TPC7062K觸摸屏支持的常用功能碼為01、02、03、04、05、06、15、16。本系統(tǒng)中用到三個功能碼01(讀線圈狀態(tài))、03(讀保持寄存器)、05(強制單個線圈)，具體使用方法見中文Modbus說明。采用RTU方式時，使用CRC算法計算錯誤校驗碼和校驗傳送的全部數(shù)據(jù)，它忽略信息中單個字符數(shù)據(jù)的奇偶校驗方法。發(fā)送完最后一個字符后，也有一個3.5個字符的靜止時間，然后才能發(fā)送一個新的信息。

整個信息必須連續(xù)發(fā)送。如果在發(fā)送幀信息期間，出現(xiàn)大于1.5個字符的靜止時間時，則接受設備刷新不完整的信息，并假設下一個地址數(shù)據(jù)。同樣一個信息后，立即發(fā)送的一個新信息(沒有3.5個字符的靜止時間)，這將會產生一個錯誤。這是因為合并信息的CRC校驗碼無效而產生的錯誤。

3 觸摸屏控制界面設計

3.1 TPC7062K型觸摸屏簡介

TPC7062K是北京昆侖通態(tài)公司開發(fā)的一款觸摸屏，它是一套以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻400 MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產品設計采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏(分辨率800×480)，四線電阻式觸摸屏(分辨率1 024×1 024)。該觸摸屏具有強大的狀態(tài)檢測和參數(shù)設定等功能，可以用數(shù)據(jù)、圖形、動畫等各種形式來反映多種工業(yè)控制器的內部狀態(tài)、存儲器數(shù)據(jù)，因此能夠直觀反映工業(yè)控制系統(tǒng)的流程和走向。同時它具有控制功能，即可以通過觸摸來改變系統(tǒng)內部狀態(tài)為，修改系統(tǒng)運行時的參數(shù)，從而參與工程控制。該觸摸屏同時支持RS-232和RS-485兩種通訊接口，支持標準的Modbus協(xié)議。用戶可以在Modbus協(xié)議的基礎上使用觸摸屏和單片機、DSP或PLC來自主開發(fā)通信系統(tǒng)。表2為觸摸屏的串口引腳定義。

表2 觸摸屏串口引腳定義

3.2 MCGS嵌入版組態(tài)軟件

MCGS嵌入版組態(tài)軟件是昆侖通態(tài)公司專門開發(fā)用于mcgsTpc的組態(tài)軟件，與其它相關的硬件設備結合，可以快速、方便地開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設備。如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據(jù)采集模塊、無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場采集站、人機界面等專用設備。

MCGS嵌入式體系結構分為組態(tài)環(huán)境、模擬運行環(huán)境和運行環(huán)境三種。組態(tài)環(huán)境和模擬運行環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，可以在PC機上運行。用戶可以根據(jù)實際需求裁剪其中內容。它幫助用戶設計和構造自己的組態(tài)工程并進行功能測試。運行環(huán)境是一個獨立的運行環(huán)境，它按照組態(tài)工程中用戶指定的方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。

由MCGS嵌入版生成的用戶應用系統(tǒng)，其結構由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五個部分構成。其中，主控窗口確定了工業(yè)控制中工程作業(yè)的總體輪廓，以及運行流暢、特性參數(shù)和啟動特性等項內容，是應用系統(tǒng)的主框架。設備窗口專門用來放置不同類型和功能的設備構件，實現(xiàn)對外部設備的操作和控制。設備窗口通過設備構件把外部設備的數(shù)據(jù)采集進來，送入實時數(shù)據(jù)庫，或把實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸出到外部設備。用戶窗口中可以放置三種不同類型的圖形對象：圖元、圖符和動畫構件。通過在用戶窗口內放置不同的圖形對象，用戶可以構造各種復雜的圖形界面，用不同的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)和流程的“可視化”。實時數(shù)據(jù)庫相當于一個數(shù)據(jù)處理中心，同時也起到公共數(shù)據(jù)交換區(qū)的作用。從外部設備采集來的實時數(shù)據(jù)送入實時數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)其它部分操作的數(shù)據(jù)也來自實時數(shù)據(jù)庫。運行策略是系統(tǒng)提供的一個框架，其里面放置由策略條件構件和策略構件組成的“策略行”，通過對運行策略的定義，使系統(tǒng)能夠按照設定的順序和條件完成操作任務，實現(xiàn)對外部設備工作工程的精確控制。

3.3 光伏逆變器控制界面設計

使用MCGS完成一個實際的應用系統(tǒng)，首先必須在MCGS嵌入版的組態(tài)環(huán)境下進行系統(tǒng)的組態(tài)生成工作，然后將系統(tǒng)放在MCGS嵌入版的運行環(huán)境下運行。其過程包括：工程整體規(guī)劃；工程建立；構造實時數(shù)據(jù)庫；組態(tài)用戶窗口；組態(tài)主控窗口；組態(tài)設備窗口；組態(tài)運行策略；組態(tài)結果檢查；工程測試。這個過程只是一般性的描述，其先后順序并不是固定不變的。

打開MCGS嵌入版組態(tài)環(huán)境軟件后，首先新建一個工程“光伏逆變控制界面”。在生成的用戶應用系統(tǒng)中，主控窗口和運行策略按照系統(tǒng)默認，不用修改。在用戶窗口中按照自己的構思制作控制界面，圖3為最后生成的圖畫界面。

圖3 光伏逆變器控制界面

用戶窗口控制界面創(chuàng)建好之后，需要定義數(shù)據(jù)對象，即構造實時數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫需要根據(jù)實現(xiàn)的功能來確定，建立的實時數(shù)據(jù)庫如圖4所示。

圖4 實時數(shù)據(jù)庫

在設備窗口中添加“通用串口父設備”和“標準Modbus-RTU設備”，從而建立系統(tǒng)與外部硬件設備的連接關系，使系統(tǒng)能夠從外部設備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對工業(yè)過程的實時監(jiān)控。然后打開父設備編輯屬性，如圖5所示。

圖5 父設備屬性編輯窗口

雙擊“設備0—[標準ModbusRTU設備]”，在出現(xiàn)的對話框中將“通訊等待時間”設置為“800”。同時需要設置“內部屬性”，并為每一個通道連接變量。設計完所有窗口以后，就可以將工程下載到觸摸屏中。

4 DSP與觸摸屏的通信設計

4.1 DSP與觸摸屏的硬件連接

在項目中，采用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F28335作為控制芯片，完成光伏并網控制。同時使用它的串行通信接口 (SCI)來完成與觸摸屏的通信。TMS320F28335的串行接口外圍有3個串行通信接口(SCI)模塊，其功能與TMS302F2812的一樣。它是一個采用發(fā)送、接收雙線制的異步串行通信接口，即通常所說的UART口，它支持16級的接收發(fā)送FIFO，從而降低了串口通信時CPU的開銷。SCI模塊支持CPU和其它使用非歸零制(NRZ)的外圍設備之間的數(shù)字通信。在不使用FIFO的情況下，SCI接收器和發(fā)送器采用雙級緩沖模式，此時SCI接收器和發(fā)送器都有獨立的使能和中斷位，也都可以設置成獨立操作或同時進行的全雙工通信模式。為了保證數(shù)據(jù)的完整性，SCI模塊對接收到的數(shù)據(jù)進行間斷檢測、奇偶校驗、超限檢測以及幀的錯誤檢測。通過對16位的波特率控制寄存器進行編程，可以配置不同的SCI通信速率。

通常，觸摸屏不能直接與PLC或DSP等微處理器通信，但可以通過串行通信接口(SCI)和主從通訊協(xié)議(Modbus)進行通信。這里采用一對一通信，即一個觸摸屏與一個DSP之間的通信，觸摸屏作為主機，DSP作為從機。我們采用RS485通信方式，使用ADM2843實現(xiàn)RS485的電平轉換。圖6為觸摸屏TPC7062K與TMS320F28335之間的硬件連接圖。

4.2 DSP的軟件編程

首先，要根據(jù)觸摸屏的串口參數(shù)來設置DSP的SCI模塊，即根據(jù)需要向寄存器的特定位寫入狀態(tài)值從而初始化SCI模塊，設置SCI協(xié)議。其中設置主要包括：運行模式、協(xié)議、波特率、字符長度、奇偶校驗、停止位的個數(shù)，中斷使能及級別確定等。本文中SCI初始化子程序如下：

圖6 觸摸屏TPC7062K與TMS320F28335之間的硬件連接圖

其次，就是用C語言編寫從機DSP28335的通信主程序。這里的通信程序是嵌套在中斷里面，即通過中斷函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和響應。通信主程序軟件流程圖如圖7所示。實現(xiàn)觸摸屏與DSP的正常通信分為六個階段：從機空閑階段、從機接收數(shù)據(jù)階段、從機接收數(shù)據(jù)完畢階段、從機發(fā)送起始幀階段、從機發(fā)送響應數(shù)據(jù)階段和從機發(fā)送停止幀階段，這六個階段在程序中用標識位ModPhase=0，1，2，3，4，5分別來標識。

圖7 通信主程序軟件流程圖

通信時，主機觸摸屏首先發(fā)送信息幀，即與功能碼相對應的數(shù)據(jù)，接著需要從機進行接收并數(shù)據(jù)處理，然后響應回送數(shù)據(jù)給主機。如果從機響應正確，則主機發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)；若從機響應錯誤或者0.8 s內無響應，則主機重復發(fā)送上一幀信息，直到從機響應正確。

程序中用到的功能碼為01(讀線圈狀態(tài))、03(讀保持寄存器)和05(強制單個線圈)，本文中以功能碼01為例說明通信過程中的六個階段。

(1)從機空閑階段。ModPhase=0時，從機處于空閑階段，這里只需修改ModPhase=1，轉到從機接收數(shù)據(jù)階段即可。

(2)從機接收數(shù)據(jù)階段。ModPhase=1，說明主機在向從機發(fā)送信息幀，即功能碼01所包含的數(shù)據(jù)信息，如從機地址、功能代碼、線圈起始地址、線圈個數(shù)和CRC校驗值。圖8為DSP接收數(shù)據(jù)的過程。

圖8 從機接收數(shù)據(jù)階段流程圖

(3)從機接收數(shù)據(jù)完畢階段。ModPhase=2，說明從機接收數(shù)據(jù)完畢，這是就需要檢查從機地址和數(shù)據(jù)個數(shù)是否正確，并需要重新校驗所接受到的數(shù)據(jù)，判斷校驗得到的值是否與從機接收的校驗值相等。

(4)從機發(fā)送起始幀階段。ModPhase=3，從機首先應發(fā)送起始幀，即3.5個字符的時間間隔。

(5)從機發(fā)送響應數(shù)據(jù)階段。ModPhase=4，這時從機向主機發(fā)送響應信息，包括從機地址、功能代碼、數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù)、數(shù)據(jù)和CRC校驗值。圖9為發(fā)送過程流程圖。

圖9 從機發(fā)送響應數(shù)據(jù)階段流程圖

(6)從機發(fā)送停止幀階段。ModPhase=5，表示從機已經發(fā)送完響應數(shù)據(jù)，這時從機應發(fā)送停止幀，即3.5個字符的時間間隔，表示從機發(fā)送一幀數(shù)據(jù)結束。

以上即為觸摸屏與DSP的正常通信的六個階段，對于功能碼03和功能碼05，其通信過程與功能碼01的過程相同，只是從機向主機發(fā)送響應數(shù)據(jù)階段的數(shù)據(jù)內容不同而已。

5 結論

利用觸摸屏設計的人機交互控制界面，實現(xiàn)了對光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的操作和實時監(jiān)控，經過現(xiàn)場測試驗證該控制系統(tǒng)通信穩(wěn)定可靠。同時，基于Modbus協(xié)議的C語言通信程序，可移植性好，方便以后系統(tǒng)維護和升級[1-3]。

[1]陳在平.現(xiàn)場總線及工業(yè)控制網絡技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發(fā)[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3]劉陵順.TMS320F28335 DSP原理及開發(fā)編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

Development of photovoltaic grid power system monitoring and control system

To achieve the operation and real-time monitoring to the grid-connected PV system, the Modbus communication protocol applied in industry control was analyzed, and the TPC7062K type of touch screen was introduced.The touch-screen control interface was designed through using the MCGS configuration software.The master was touch-screen,and the slave was DSP.In addition,serial communication between the two was realized based on Modbus protocol.The related experiment shows that the data transmission communication system is stable,reliable,high real-time and can be used for man-machine interactive control in the running process of the system.

grid-connected PV system;Modbus protocol;touch-screen;serial communication

TM 615

A

1002-087 X(2016)03-0633-05

2015-08-30

張衛(wèi)平(1957—)，男，陜西省人，教授，主要研究方向為電力電子技術相關領域。