光伏微網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的混合通信組網(wǎng)設(shè)計

唐劍飛，盧俊杰，佘 暢，蔡 濤

光伏微網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的混合通信組網(wǎng)設(shè)計

唐劍飛1，盧俊杰2，佘 暢2，蔡 濤2

（1. 中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；2. 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

本文提出光伏微網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的有線及無線混合通信組網(wǎng)方案。綜合考慮通信的速度要求和通信設(shè)備的建設(shè)維護成本，在不同的場合使用不同的通信方式。比如，在通信線路鋪設(shè)以及維護等綜合成本較低的場合，使用有線的方式通信；在有線通信搭建綜合成本較高的場合，采用無線的方式通信。對通信速度要求較高的場合，有線通信通過工業(yè)以太網(wǎng)，無線通信通過Wi-Fi技術(shù)實現(xiàn)。在此原則上進行硬件與軟件上的設(shè)計，最終將系統(tǒng)應(yīng)用于光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中進行實際測試。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)運行良好，通信網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)需求。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng) 微網(wǎng)能量管理系統(tǒng) 通信網(wǎng)絡(luò) 混合組網(wǎng)

0 引言

SCADA系統(tǒng)是微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的主要組成部分，故而微網(wǎng)中通信系統(tǒng)的高效穩(wěn)定地工作成為微網(wǎng)運行中的重要一環(huán)[1,2]。目前，通信網(wǎng)絡(luò)多采用有線通信方式，然而，有線傳輸存在建設(shè)、維護等綜合成本高、傳輸通信易受環(huán)境限制的缺點。相比之下，無線通信能夠完全彌補有線通信的不足[3,4]。但其相對前者較低的傳輸速率與穩(wěn)定性又限制了它的大規(guī)模建設(shè)。本文融合有線通信與無線通信兩大類通訊方式，合理分配組成綜合通訊系統(tǒng)能夠有效的克服各自弊端，滿足不同類型微網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與運行監(jiān)控的要求。

1　微網(wǎng)SCADA需求分析

如圖1所示，微網(wǎng)是一個連接在配電站后級的公共耦合點（Point of Common Coupling, PCC）上的低壓配電網(wǎng)絡(luò)，它由包括分布式電源、分布式儲能以及負載在內(nèi)的各種組件構(gòu)成，除此之外還有分散安裝用于氣象監(jiān)測的傳感器、設(shè)備等[5]。

圖1 典型光伏微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對光伏微網(wǎng)中各組件及其功能，可簡單將傳輸數(shù)據(jù)分為以下3類：

1）電氣信息，包括：分布式電源運行信息，光伏組件及其逆變器的交、直流側(cè)電壓、電流、功率等狀態(tài)；分布式儲能信息，蓄電池電量、以及儲能出力等；負載信息，主要是用電情況如有功、無功等。

2）環(huán)境信息，多種氣象信息如溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、輻照度以及光伏電池板板溫等環(huán)境狀態(tài)信息；

3）控制指令，包括微網(wǎng)中控制執(zhí)行設(shè)備的控制指令以及指令的執(zhí)行反饋等，主要為分布式源以及可控負荷的投切指令。

上述三類基本信息，單次傳輸數(shù)據(jù)量小，不到1k byte，且傳輸間隔時間較長：電氣信息傳輸間隔時間為秒級，環(huán)境信息傳輸間隔時間為分鐘級，而控制指令只有在需要對各組件的投切運行狀態(tài)進行改變時才發(fā)送指令。此三類信息對傳輸速率要求較低。

但在需要進行短期發(fā)電預(yù)測的微網(wǎng)系統(tǒng)中，終端會將云層的圖像或視頻信息傳輸給中央控制器處理，這一信息數(shù)據(jù)量較大，對通信網(wǎng)絡(luò)的速度有較高要求。

2　通信組網(wǎng)方案

2.1 整體構(gòu)成與功能

系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 有線無線混合通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1）系統(tǒng)主機，微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主機，負責(zé)信息收集匯總、分析、處理、下達控制指令；

2）協(xié)議轉(zhuǎn)換器，能將主機不兼容的通信協(xié)議與接口轉(zhuǎn)化為主機兼容的協(xié)議與接口；

3）遠程IO，接收主機下達的控制指令，遠程控制系統(tǒng)中各設(shè)備投切、系統(tǒng)并網(wǎng)開關(guān)。

4）電氣信息采集設(shè)備，包括數(shù)字電表、電壓電流傳感器等設(shè)備，采集來自光伏電池、蓄電池組、系統(tǒng)交流母線、負荷、交流電網(wǎng)上的電壓電流頻率功率等電氣參數(shù)。

5）氣象信息采集設(shè)備，用于實時采集氣象環(huán)境要素如，水平輻照度、環(huán)境溫度、風(fēng)速風(fēng)向、氣壓、濕度等信息的設(shè)備以及用于短時氣象預(yù)測的全天空成像儀。

6）無線接入點（Access Point, AP），無線網(wǎng)絡(luò)接入點，并實現(xiàn)有線、無線通信信號的雙向變換傳輸。

實際微網(wǎng)系統(tǒng)中，由于光伏、儲能、負荷分布分散，組件與系統(tǒng)主機或通信總線距離不等，為此無法單一地僅靠有線或者無線的方式搭建通信網(wǎng)絡(luò)，需結(jié)合現(xiàn)場情況，合理配置，在距離較近，且容易鋪設(shè)線路的場合使用有線通信連接，在距離較遠或環(huán)境條件惡劣以至于無法或難以進行有線通信的場合則采用無線通信的方式組網(wǎng)。

氣象采集設(shè)備則安裝在與系統(tǒng)主機相距較遠或較為空曠的位置，在這些情況下，我們選擇采用無線通信實現(xiàn)信息的傳輸，從而達到系統(tǒng)綜合成本最低的效果。

2.2 有線傳輸及組網(wǎng)

前述分析可知，在有線通信組網(wǎng)中，控制指令與電氣信息對傳輸速率要求較低，故此類通信網(wǎng)絡(luò)選用RS-485總線進行組網(wǎng)通信。而傳回至系統(tǒng)主機側(cè)的氣象信息因包含傳感器信息以及云層圖像、視頻信息，對傳輸速率要求較高，故此類通信網(wǎng)絡(luò)選用工業(yè)以太網(wǎng)進行組網(wǎng)通信。

2.3 無線傳輸及組網(wǎng)

氣象信息因包含圖像、視頻信息，傳輸速率要求較高，故在傳感器側(cè)，先通過以太網(wǎng)連接，通過Wi-Fi將數(shù)據(jù)傳回給系統(tǒng)主機側(cè)AP，后者再將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳給系統(tǒng)主機。

遠方現(xiàn)場的光伏陣列及儲能側(cè)的電氣及其他傳感器信息，由于不便進行有線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，又因為傳輸數(shù)據(jù)較小，對速率要求不高，故采用ZigBee技術(shù)進行低速無線通信搭建，組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。利用ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點，實現(xiàn)有線信號與無線信號的雙向轉(zhuǎn)換傳輸[6,7]。其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，其中系統(tǒng)近端的傳感器信息可直接通過上述的RS485總線傳輸。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.4 協(xié)議轉(zhuǎn)換與網(wǎng)關(guān)

由本系統(tǒng)架構(gòu)可知，整個微網(wǎng)系統(tǒng)為一主多從形式，故考慮為保證系統(tǒng)檢測信息具有更優(yōu)的實時性，需盡可能提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，故在RS-485總線上使用Modbus RTU協(xié)議進行通信，為方便與系統(tǒng)主機進行通信，則使用協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成Modbus TCP協(xié)議，而氣象信息為更好兼容系統(tǒng)通信系統(tǒng)，選擇使用Modbus TCP協(xié)議進行傳輸。系統(tǒng)主機接受到信息后通過OPC服務(wù)器將數(shù)據(jù)記錄存儲，交由微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)處理，SCADA系統(tǒng)的通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 微電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)通信系統(tǒng)架構(gòu)

3　系統(tǒng)軟件實施

3.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換與網(wǎng)關(guān)

要實現(xiàn)基本的滿足系統(tǒng)要求的ZigBee網(wǎng)關(guān)，需要使用ZigBee的串口透傳技術(shù)[9]。如圖5所示， ZigBee的作用就相當(dāng)于是把中間傳輸過程中的有線信號轉(zhuǎn)換成無線信號進行傳輸，從OSI七層模型上而言，ZigBee串口透傳技術(shù)僅只在物理層與數(shù)據(jù)鏈路層上做出改變，對兩個在上層的通信的終端而言，通信過程不存在任何變化。

圖5 ZigBee串口透傳示意圖

要實現(xiàn)這一點，需將一塊ZigBee網(wǎng)關(guān)在初始化位置配置為協(xié)調(diào)器（Coordinator）連接在接近系統(tǒng)主機的RS-485總線側(cè)，另外一塊作為路由器（Router）。

協(xié)調(diào)器的程序流程如圖6所示，在進行相關(guān)初始化結(jié)束后開始循環(huán)判斷是否有任務(wù)被觸發(fā)，直到外界有通信信號輸入，觸發(fā)任務(wù)管理器登記相應(yīng)任務(wù)號，程序進入執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)函數(shù)；對于系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤或其他未知因素而觸發(fā)的任務(wù)登記，程序進行判斷后認定錯誤并回到循環(huán)判斷中；當(dāng)RS-485總線上有數(shù)據(jù)傳輸時，程序通過判斷首幀地址幀數(shù)據(jù)判斷目標(biāo)地址，并進行響應(yīng)地處理；對于無線信號輸入，說明其信號來自于下層的ZigBee路由器的應(yīng)答報文，則無需判斷，直接將信號發(fā)送到RS-485總線上；在所有任務(wù)處理完后程序再次回到循環(huán)判斷中，等待下次任務(wù)的執(zhí)行。

圖6 ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程圖

路由器程序流程圖如圖6所示，其中初始化與協(xié)調(diào)器初始化大致相同，僅在基本射頻功能初始化中被配置為路由器功能；在任務(wù)號溢出與接收到來自協(xié)調(diào)器的無線數(shù)據(jù)時，采取與協(xié)調(diào)器相同的處理方法；而從有線的RS-485轉(zhuǎn)換為無線的ZigBee協(xié)議上，由于路由器之間不能進行通信，故其只向協(xié)調(diào)器對點傳輸無線信號，為保證通信數(shù)據(jù)的有效性，ZigBee路由器在接收到RS-485通信線上信號后對信息進行確認，確定符合Modbus通信協(xié)議后再將數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。

通常情況下，系統(tǒng)中低速無線通信網(wǎng)絡(luò)一次主從輪詢流程如圖7所示。主機需向某從機設(shè)備獲取信息，通過有線通信發(fā)出請求報文，指令經(jīng)由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為Modbus RTU協(xié)議傳輸?shù)絉S-485總線上；ZigBee協(xié)調(diào)器在總線上獲取并識別到并信息后觸發(fā)任務(wù)1，并將該報文通過無線形式發(fā)送給對應(yīng)的ZigBee路由器；ZigBee路由器收到信息后觸發(fā)任務(wù)2，并將無線報文轉(zhuǎn)換成有線請求報文發(fā)送給與之連接的從機設(shè)備。當(dāng)從機設(shè)備產(chǎn)生應(yīng)答報文時，ZigBee路由器觸發(fā)任務(wù)1，將應(yīng)答報文以無線形式對點傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器；ZigBee協(xié)調(diào)器最終將此應(yīng)答報文反饋回系統(tǒng)主機。

圖7 系統(tǒng)低速無線通信網(wǎng)絡(luò)主從輪詢應(yīng)答流程

數(shù)據(jù)信息經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換器之后送到主機的OPC服務(wù)器上，在OPC服務(wù)器里面經(jīng)過處理之后將通訊值轉(zhuǎn)化為工程值，然后在組態(tài)軟件中建立I/O Server作為OPC Client與已建立的OPC服務(wù)器進行連接使得OPC服務(wù)器里面的數(shù)據(jù)可以共享到組態(tài)軟件中進行數(shù)據(jù)實時顯示，并進行存儲[10]。

4　系統(tǒng)測試結(jié)果

4.1 ZigBee網(wǎng)關(guān)通信質(zhì)量測試

對ZigBee網(wǎng)關(guān)通信質(zhì)量測試分為兩個部分，一個部分是在固定傳輸距離上分別對有無大的障礙物遮擋進行測試；第二個部分是在無障礙物遮擋時不同傳輸距離上進行測試。

對于固定傳輸距離上有無障礙物傳輸質(zhì)量對比，實驗設(shè)定傳輸距離為15m，有無障礙物遮擋定義為兩個模塊之間能否直接可視。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 ZigBee無線網(wǎng)關(guān)通信質(zhì)量對比

由于有障礙物遮擋，無線信號必須經(jīng)過外界物體的多次反射才能傳遞到另外一端，故無論是掉包率還是信號接收強度，均比無障礙物遮擋時要差了很多。所以在安裝低速無線通信網(wǎng)絡(luò)時，需盡可能地保證兩個傳輸節(jié)點中無較大的障礙物直接阻擋。

對于無障礙物下不同傳輸距離的通信質(zhì)量檢測，設(shè)定7組實驗，距離從0 m開始，以5 m為一段，進行傳輸質(zhì)量的測試，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 低速無線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量對比

實驗中發(fā)現(xiàn)，在較短距離傳輸時，ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點尚有較好的傳輸特性，而當(dāng)距離較遠時，傳輸非常不穩(wěn)定，稍有一點移動，就可能使ZigBee節(jié)點從網(wǎng)絡(luò)中斷開。由此數(shù)據(jù)可以看出，在實際安裝過程中，為保證通信質(zhì)量，單節(jié)點間傳輸距離最好不要超過15m，如果節(jié)點間距離較長，可考慮加裝中繼節(jié)點，以增強信號強度。

(a)A相電壓(b)A相電流 (c)A相有功(d)陣列斜面總輻射

圖8 光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.2 系統(tǒng)整體運行效果

在系統(tǒng)軟件硬件制作、安裝完畢后，對系統(tǒng)整體進行測試。圖8分別為光伏逆變器與電網(wǎng)并網(wǎng)側(cè)A相電壓、光伏逆變器輸出在A相的電流、有功功率、光伏電池板板溫、斜面總輻射量參數(shù)。

5　結(jié)束語

文中對微網(wǎng)SCADA系統(tǒng)中各通信量進行分析后，設(shè)計了一套有線及無線混合組網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為一主多從模式，其中有線通信網(wǎng)絡(luò)選擇RS-485總線與以太網(wǎng)進行組網(wǎng)通信；將無線通信網(wǎng)絡(luò)分為高速的Wi-Fi與低速的ZigBee技術(shù)實現(xiàn)組網(wǎng)通信。最終對設(shè)計的系統(tǒng)進行測試與分析，結(jié)果顯示，系統(tǒng)運行良好。

[1] 張佳斌, 楊歡, 趙榮祥, 等. 微電網(wǎng)通信系統(tǒng)研究綜述[J]. 華東電力, 2011, 39(10): 1619-1625.

[2] 姚虹春. 適于多類型光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的綜合通信技術(shù)[J]. 電力系統(tǒng)通信, 2012, 33(231): 129-133.

[3] 馬銀濤. 基于ZigBee的風(fēng)光互補發(fā)電微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[D]. 內(nèi)蒙古: 內(nèi)蒙古大學(xué), 2013.

[4] 賀興, 艾芊, 解大. 基于有線/無線混合模式的微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的研究與開發(fā)[J]. 低壓電器, 2011, (19): 20-25.

[5] Su W, Wang J. Energy management systems in micro grid operations [J]. The Electricity Journal, 2012, 25(8): 45-60.

[6] 章楨, 李然. 基于ZigBee無線組網(wǎng)的交流微網(wǎng)集中式保護方案[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2014, 30(6): 33-38.

[7] 查申森, 竇曉波, 王李東, 等. 微電網(wǎng)監(jiān)控與能量管理裝置的設(shè)計與研發(fā)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014, 38(9): 232-239.

[8] 張穎, 聶佳. 無線 ZigBee 技術(shù)在家庭能源管理系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J]. 低壓電器, 2013 (15): 63-66.

[9] Texas Instruments Incorporated. A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications[R]. Dallas, TX, USA: Texas Instruments Incorporated, 2011.

[10]Weimer J, Xu Y, Fischione C, et al. A Virtual Laboratory for Micro-Grid information and communication infrastructures[C] Innovative Smart Grid Technologies (ISGT Europe), 2012 3rd IEEE PES International Conference and Exhibition on. IEEE, 2012:1 - 6.

[11]Liang H, Choi B J, Zhuang W, et al. Multiagent coordination in microgrids via wireless networks [J]. IEEE Wireless Communications, 2012, 19(3):14-22.

Hybrid Communication Networking of Photovoltaic Microgrid’s SCADA System

Tang Jianfei1, Lu Junjie2, She Chang2, Cai Tao2

(1. China Ship Development & Design Center, Wuhan 430064, China 2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (College of Electric and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China)

TM933

A

1003-4862（2019）08-0005-05

2019-01-15

國家重點研發(fā)計劃（2018YFB0904200）促進可再生能源消納的風(fēng)電/光伏發(fā)電功率預(yù)測技術(shù)及應(yīng)用

唐劍飛（1977-），男，碩士，工程師。研究方向：艦船電氣。E-mail： tjf407@sohu.com