基于Modbus協(xié)議的光伏電站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

俞 昊

（上海電氣分布式能源科技有限公司，上海 201199）

0 引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，自然資源的使用量越來越大，一些不可再生資源存在有限性。對(duì)此，為了加快社會(huì)的發(fā)展，開發(fā)新能源顯得具有重要意義。為了推動(dòng)社會(huì)的可持續(xù)運(yùn)作，新能源的開發(fā)項(xiàng)目越來越多，開發(fā)過程的核心在于經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性?；诖?，太陽光伏電站具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，如具有獲取容易、污染小以及廣泛分布等特點(diǎn)。但為了能夠有效進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用光伏電站控，仍需要科學(xué)合理地規(guī)劃設(shè)計(jì)，注重協(xié)議的可靠。本文基于Modbus協(xié)議論述光伏電站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，希望能夠?yàn)橛嘘P(guān)單位提供參考。

1 Modbus通信協(xié)議規(guī)范

1.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

結(jié)合Modbus TCP協(xié)議分析，其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)主要分為網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)層能夠從報(bào)文中提取通信設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)層的信息，分析字段信息，并將特征描述出來，如N=(SIP,DIP)，以SIP為通信設(shè)備的源址，DIP為IP地址。傳輸層在網(wǎng)絡(luò)通信交互過程中負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠地傳遞，該環(huán)節(jié)的作用為提取傳輸層中的源端口號(hào)、目的端口號(hào)以及序列號(hào)。應(yīng)用層為協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹行牟糠?，主要作用是提取Modbus應(yīng)用層的信息，深度檢測(cè)模塊解析后的數(shù)據(jù)流[1]。

1.2 Modbus串行鏈路分析

對(duì)于Modbus模型來說，數(shù)據(jù)源信息在其代碼部分封裝，書寫一次的這類代表可實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，如手機(jī)移動(dòng)端、電腦網(wǎng)頁的不同視圖，能夠順利獲取重用性更高的代碼。具體串行鏈路分析中，主要對(duì)Modbus應(yīng)用層報(bào)文進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)每個(gè)字節(jié)的大小。與此同時(shí)，可以將各類協(xié)議字段的字節(jié)大小以S向量給予標(biāo)志，如長(zhǎng)度、線圈、功能碼、協(xié)議標(biāo)志符、單元標(biāo)志符以及事務(wù)處理標(biāo)志符等，通過這種處理方式便能夠得到同一數(shù)據(jù)包內(nèi)的各個(gè)字段語法關(guān)系。

對(duì)于工業(yè)總線通信來說，其中的關(guān)鍵當(dāng)屬串行Modbus通信協(xié)議，需得到數(shù)據(jù)交互模型的支持，模型為主從式Slave-Master。一般情況下的物理通信模式接口與協(xié)議可選擇RS485和RS232，Slave通信請(qǐng)求能夠由Master節(jié)點(diǎn)提供支持，最大數(shù)量為247個(gè)[2]。設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，多采用標(biāo)準(zhǔn)的32接口支持模式，這種協(xié)議具有方便和簡(jiǎn)潔優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)交互的質(zhì)量在工業(yè)總線物理鏈路下能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)足提升，同時(shí)取能夠得更快的速率。

1.3 Modbus/TCP鏈路分析

分析Modbus/TCP鏈路，結(jié)合流量相位差特性可以得到Modbus TCP網(wǎng)絡(luò)流量中主、從通信數(shù)據(jù)包具有相位特性。在封裝處理通信協(xié)議數(shù)據(jù)包環(huán)節(jié)，在數(shù)據(jù)包分割技術(shù)支持下，以太網(wǎng)TCP/IP可分割協(xié)議數(shù)據(jù)包為多個(gè)數(shù)據(jù)段，MBAP數(shù)據(jù)段標(biāo)記能夠由協(xié)議技術(shù)Modbus/TCP提供。數(shù)據(jù)段如果所處的Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)包相同，則可通過復(fù)合式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成結(jié)構(gòu)定義統(tǒng)一[3]。因此，在處理單元PDU/ADU的過程中，技術(shù)應(yīng)用還需要關(guān)注標(biāo)記單元MBAP的針對(duì)性處理。Modbus/TCP協(xié)議技術(shù)數(shù)據(jù)包處理模型如圖2所示。

圖2 Modbus/TCP協(xié)議技術(shù)數(shù)據(jù)包處理模型

常規(guī)網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)下，會(huì)計(jì)算Response數(shù)據(jù)包和Query數(shù)據(jù)包之間的間隔時(shí)間，分析得到同一功能行為中的數(shù)據(jù)包周期。在數(shù)據(jù)平臺(tái)中，不同類簇的功能行為存在不同的相位特性，利于提高檢測(cè)精度。

2 系統(tǒng)總體方案概述

在設(shè)計(jì)光伏電站環(huán)節(jié)，生產(chǎn)和運(yùn)維管理的實(shí)現(xiàn)離不開運(yùn)維管理平臺(tái)支持，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的，需要給予科學(xué)合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)，能夠滿足大量數(shù)據(jù)的傳輸，配備多種功能模塊。運(yùn)維管理平臺(tái)能夠顯示電站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等各類信息，如匯流箱、光伏組件、逆變器、輻射強(qiáng)度以及發(fā)電量統(tǒng)計(jì)等實(shí)時(shí)運(yùn)行的重要設(shè)備狀態(tài)。結(jié)合具體數(shù)據(jù)，操作人員則能夠?qū)﹄娬镜倪\(yùn)行狀態(tài)給予監(jiān)測(cè)，快速、準(zhǔn)確地判定故障，及時(shí)給予維修和處理等。

2.1 系統(tǒng)功能需求分析

2.1.1 采集質(zhì)量檢查功能需求

光伏電站控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，對(duì)此在電力電流等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集過程中，很容易因各類非計(jì)劃因素出現(xiàn)用電信息異常、錯(cuò)誤等問題。為了避免這些問題的發(fā)生，需要在設(shè)計(jì)中注重方法，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件統(tǒng)籌考慮，確保采集的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[4]。

2.1.2 設(shè)備監(jiān)測(cè)管理功能需求

系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，元件和設(shè)備的數(shù)量相對(duì)較多，對(duì)此為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和科學(xué)管理，應(yīng)給予實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理。進(jìn)行系統(tǒng)信息的采集需要對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，并建立設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)。

2.1.3 手動(dòng)采集管理功能需求

系統(tǒng)運(yùn)行中，除了自動(dòng)采集數(shù)據(jù)外，還應(yīng)設(shè)置手動(dòng)采集方式，可以在系統(tǒng)采集異?；蝌?yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性上提供另一種備選方案。

2.1.4 數(shù)據(jù)收集功能需求

針對(duì)光伏電站的建設(shè)而言，應(yīng)具備數(shù)據(jù)收集功能，以能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)的數(shù)據(jù)分析，形成分析結(jié)果，作出相關(guān)反應(yīng)，確保系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定、安全。由于電站設(shè)備數(shù)量較多，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也具有多元化特征，對(duì)此應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類采集和處理[5]。為了確保電站所處的環(huán)境具有健康特性，還需要對(duì)環(huán)境給予監(jiān)測(cè)，包括環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)向變化以及輻射強(qiáng)度等。相關(guān)數(shù)據(jù)采集過程，都可以結(jié)合現(xiàn)代化自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，形成數(shù)據(jù)，輸送到數(shù)據(jù)處理中心，再做相關(guān)邏輯對(duì)比，發(fā)出相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。

2.1.5 數(shù)據(jù)服務(wù)功能需求

電站運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)服務(wù)是重要的一環(huán)，對(duì)電站的運(yùn)行質(zhì)量具有重要影響。為了能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠運(yùn)輸，設(shè)有數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)接收電站數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，數(shù)據(jù)服務(wù)層對(duì)外主要展示數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的維護(hù)，內(nèi)部數(shù)據(jù)需得到數(shù)據(jù)調(diào)度、數(shù)據(jù)組織模型以及存儲(chǔ)策略等功能的支持。

2.1.6 數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)展示功能需求

光伏電站系統(tǒng)基于大量數(shù)據(jù)的分析、對(duì)比，確保系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行的穩(wěn)定、可靠。電站運(yùn)行過程中也會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，對(duì)于電站的長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。具體而言，結(jié)合電站設(shè)備管理系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)圖對(duì)比分析，利于加強(qiáng)對(duì)電站運(yùn)行狀態(tài)的了解。具體而言，查詢統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)過程中能夠細(xì)致展示設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)也能夠展示歷史數(shù)據(jù)，以此開展針對(duì)性對(duì)比，可供管理者針對(duì)提供的信息更好地決策，電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行也能夠更好得到保障[6]。此外，還需要做好技術(shù)履歷和狀態(tài)管理工作，以此管理電站智能設(shè)備，并保證查詢能夠基于區(qū)域進(jìn)行，即可直觀了解詳細(xì)設(shè)備信息。大幅降低日常生產(chǎn)中管理員在設(shè)備維護(hù)方面耗費(fèi)的時(shí)間和精力。

2.1.7 App視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控功能需求

光伏電站通常會(huì)建設(shè)在人煙稀少的區(qū)域，以確保安全，而且為了確保光伏電站的運(yùn)行安全，進(jìn)行實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)督也具有十分重要的意義。與此同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)代化通信技術(shù)，采用App方式進(jìn)行監(jiān)控變得可行。在光伏電站應(yīng)用該系統(tǒng)設(shè)備，有利于維護(hù)電站的運(yùn)行穩(wěn)定、健康可持續(xù)，避免發(fā)生有關(guān)問題。如結(jié)合App軟件，工作人員可以隨時(shí)查看每個(gè)監(jiān)控位置，進(jìn)行記錄和跟蹤，確保巡檢質(zhì)量。

2.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

光伏電站系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)過程中，主要結(jié)合6種元器件，具體為光伏組件、匯流箱、配電柜、逆變器、變壓器以及蓄電池。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 光伏電站發(fā)電系統(tǒng)流程圖

2.3 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

在Modbus通信方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通信功能的科學(xué)設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵，具體涉及現(xiàn)場(chǎng)硬件與采集點(diǎn)設(shè)備的Modbus通信功能以及各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)與Web服務(wù)器的以太網(wǎng)通信功能[7]。具體設(shè)計(jì)采用串行Modbus協(xié)議和Modbus/TCP協(xié)議，在協(xié)議約束下，通信數(shù)據(jù)包格式能夠有效規(guī)范，同時(shí)存在沒有固定要求的底層物理通信介質(zhì)，發(fā)送前和接收后的數(shù)據(jù)包僅需要滿足協(xié)議規(guī)范要求即可發(fā)揮預(yù)期效果，具體處理需結(jié)合協(xié)議的數(shù)據(jù)域幀格式與頭部格式進(jìn)行。

2.4 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

光伏電站涉及的設(shè)備較多，形成的數(shù)據(jù)分為多種，相關(guān)數(shù)據(jù)的有效收集需要子系統(tǒng)的合理發(fā)揮作用。收集過程主要結(jié)合各個(gè)傳感器，通過已構(gòu)建好的網(wǎng)絡(luò)收集、轉(zhuǎn)換以及處理各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制分析。對(duì)于數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，在采集數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，依托網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)安裝的傳感器和通信設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和自動(dòng)記錄存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)庫的分析也能夠依托數(shù)據(jù)庫高效開展，這對(duì)工作效率提升能夠帶來積極影響，數(shù)據(jù)分析人員的工作效率和質(zhì)量也能夠隨之有效提升。

2.5 遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)不僅要服從電網(wǎng)的電調(diào)指令，并從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況出發(fā)，以并網(wǎng)點(diǎn)的電表作為實(shí)際值，以電調(diào)指令作為目標(biāo)值，根據(jù)兩者的差值，進(jìn)行不間斷地修正。使實(shí)際值在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)逐漸逼近目標(biāo)值，并達(dá)到最后的收斂，保證其滿足目標(biāo)值的合理偏差。

2.6 通信模塊設(shè)計(jì)方案

雖然Modbus通信報(bào)文比較通俗易懂，但是很多設(shè)備制造商提供的Modbus協(xié)議都會(huì)有稍許的出入。有些起始地址不是從默認(rèn)的“0”地址開始，而有些數(shù)據(jù)的格式，高低字節(jié)會(huì)互相顛倒，特別是長(zhǎng)整型數(shù)據(jù)，有ABCD、BADC、CDAB以及DCBA這4種。更有甚者，通信的幀序號(hào)只能計(jì)數(shù)到128。為此需要設(shè)計(jì)一個(gè)能兼容上述情況，并根據(jù)不同設(shè)備的Modbus“變種”協(xié)議進(jìn)行可配置的通信采集模塊。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)時(shí)緩存設(shè)計(jì)

光伏電站中的設(shè)備僅僅能采集到數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足統(tǒng)計(jì)分析和遠(yuǎn)程控制的要求。每一種設(shè)備之間都有一定的層次關(guān)系和邏輯關(guān)系。需要將“共性”和“個(gè)性”數(shù)據(jù)融合在一起，組成一個(gè)新的數(shù)據(jù)模型。在這個(gè)新的數(shù)據(jù)模型中包含了不同種類的設(shè)備，和同一種類下的多個(gè)設(shè)備。每一次的數(shù)據(jù)采集都是維護(hù)了該數(shù)據(jù)模型最新的數(shù)據(jù)庫快照。同時(shí)該數(shù)據(jù)模型提供了統(tǒng)一的對(duì)外訪問接口，其他子系統(tǒng)可以按照不同的業(yè)務(wù)需求和權(quán)限進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。按照系統(tǒng)的存儲(chǔ)機(jī)制，可以定期將緩存的數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中作為數(shù)據(jù)持久化的基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)緩存起到了一個(gè)承上啟下的作用[8]。

3.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了提高采集系統(tǒng)的采集頻率，同時(shí)又要滿足采集系統(tǒng)的可靠性，采集子系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)成多線程的模式。每一個(gè)采集線程負(fù)責(zé)管理某一個(gè)具體設(shè)備的通信交互，需要具有斷線重連的機(jī)制。另外需要有一個(gè)守護(hù)進(jìn)程來管理采集線程，當(dāng)采集線程出現(xiàn)奔潰或者異常的時(shí)候能夠重新啟動(dòng)。最后采集線程需要和實(shí)時(shí)緩存中的模型對(duì)應(yīng)，將采集的數(shù)據(jù)映射到模型中。

3.3 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)按照不同的數(shù)據(jù)維度、數(shù)據(jù)內(nèi)容以及類型，采用了和采集子系統(tǒng)類似的多線程的模式。每一個(gè)線程只負(fù)責(zé)一個(gè)維度或者類型的數(shù)據(jù)加工、重組與統(tǒng)計(jì)。對(duì)于很多的歷史數(shù)據(jù)，無需每一次都從數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查詢，直接從數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中就可以獲得。

3.4 遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制子系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，由于需要24 h不間斷地運(yùn)行，因此對(duì)其穩(wěn)定性、可靠性以及實(shí)時(shí)性提出了很高的要求[9]。針對(duì)這種特殊的應(yīng)用，需要將此子模塊設(shè)置成主從熱備的方案，主從兩套系統(tǒng)可以同時(shí)收到電調(diào)指令，但是同一時(shí)刻只能有一套系統(tǒng)發(fā)出調(diào)整指令。當(dāng)其中一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障，由另一套備用系統(tǒng)來接管，并發(fā)出調(diào)整指令，同時(shí)重啟故障系統(tǒng)，重啟成功后作為備用系統(tǒng)互為冗余。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試與驗(yàn)證

光伏設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以電站運(yùn)營(yíng)需求作為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)利用MVC的設(shè)計(jì)模式，控制平臺(tái)中的模型層、視圖層以及控制層，這樣的分離方式縮小了成本的預(yù)算，平臺(tái)具有了更高的擴(kuò)展性。當(dāng)電站在需求上發(fā)生了變化時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)功能的及時(shí)調(diào)整，經(jīng)過測(cè)試系統(tǒng)性能后，得到的檢測(cè)結(jié)果使得系統(tǒng)各個(gè)模塊之間工作都十分順暢。所抓取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高，數(shù)據(jù)的輸出也具有較高的合理性。

原先的海外光伏電站項(xiàng)目，由于信息的不對(duì)稱，90%以上的監(jiān)控軟件都是由國(guó)內(nèi)的少數(shù)幾家電企壟斷。特別是最近幾年帶有儲(chǔ)能的光伏項(xiàng)目居多，根據(jù)電站的規(guī)模，采集的點(diǎn)位數(shù)量往往在50 W以上，需要加裝大量的通信管理機(jī)，從成本和實(shí)時(shí)性上不能滿足項(xiàng)目的需求[10]。而在項(xiàng)目周期上來說，可以將系統(tǒng)的調(diào)試周期縮短到兩周，缺少了額外的采集裝置，實(shí)時(shí)性上也得到了極大地提升。

5 結(jié) 論

系統(tǒng)的后期調(diào)試部分與之前的項(xiàng)目相比周期得到了縮短，資金的投入也較少，實(shí)時(shí)性也得到了提高。例如，在平臺(tái)中的故障管理模塊中，對(duì)定位、檢測(cè)以及類別檢測(cè)都進(jìn)行了分開計(jì)算，研制出了適合光伏電站設(shè)備運(yùn)維的平臺(tái)算法，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏信息化的管理及對(duì)故障的判斷，而且提高了判斷的準(zhǔn)確性，使得光伏電站的運(yùn)行情況可以被更加直觀地展現(xiàn)，同時(shí)可以及時(shí)準(zhǔn)確地了解出現(xiàn)故障的位置，排除了運(yùn)行過程中危險(xiǎn)因素，保證了光伏電站的安全運(yùn)行。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏電站診斷算法會(huì)更加智能化，而且智能化診斷算法的種類也會(huì)隨之增加，越來越多的新型算法會(huì)推動(dòng)光伏電站得到更好發(fā)展。