基于微能源網的物聯網管理平臺設計

王文龍 張自雷 袁航航

摘要：文章以微能源網優化運行系統為研究背景，設計了一種基于數字信號處理器（DSP）的微能源網物聯網管理平臺。文章簡述了監控管理平臺以DSP為控制核心的主控模塊、數據采集模塊、網絡通信等硬件設計；詳細介紹了軟件設計流程和相應控制策略，系統控制策略包括并網和離網；通過軟件設計搭建虛擬管理平臺LabVIEW，將系統采集數據接入物聯網云平臺，達到實現遠程監控的目標。結果表明，物聯網監控管理系統具有良好的實用性，便于系統的管理和故障排查，確保管理平臺的穩定運行。

關鍵詞：微能源網；物聯網管理平臺；云平臺；DSP；LabVIEW

中圖分類號：TP31文獻標志碼：A

0 引言

在當前節能減排的大環境下，將進一步減少非清潔資源的利用率。光伏發電作為一種清潔、低碳的清潔能源技術，提高其效率便顯得尤為重要。在清潔能源的有效利用方面，光伏發電和分布式能源技術能滿足低碳高效的要求，而微能源網技術的引入加快了清潔能源消耗的刺激［1］。微能源網基于微型電網通過將地熱泵集成到地源以及太陽能熱泵形成了3種能源：冷、熱和電，這種協調的方法包括制冷系統、加熱、蓄熱和供電等，可以有效地改進能源的高效利用，并降低用戶成本，減少環境污染。以微能源網系統數據為基礎，將管理與監控一體化，達到微能源網系統智能化運行操作的要求［2］。本文論述了熱電聯產與網絡建設的重要性，利用物聯網實現了能源與網絡的高效融合。相較于傳統的微能源網監控系統使用單片機和A/D轉換電路，雖在成本上較低，但檢測的可靠性也較低；由于單片機主頻限制，系統對于檢測的反應速度較慢，在復雜環境下容易受到影響。

本文提出一種基于DSP的微能源網數據采集管理平臺設計，系統具有良好的穩定性、可靠性及較高精度，能夠滿足監控系統平臺的需求。通過DSP硬件設計和軟件設計以及物聯網云平臺，上位機設計，將采集的數據上傳物聯網平臺，實現相關數據的采集、系統運行狀態監控和數據聯網處理等，滿足當前微能源網數據檢測的要求。

1 物聯網監控系統的總體設計

本文設計微能源網的物聯網管理系統，可實現數據采集、操作控制、狀態控制和物聯網連接的功能。為了達到監測設備之間穩定運行的目標，對微能源網控制系統進行了結構規劃，包括網頁端與移動端。在設計硬件框架的基礎上，開發了物聯網監控平臺的軟件設計，其中，含有軟件與硬件的數據傳輸、虛擬平臺的設計與數據的分析等，大大提高了操作的直觀性。DSP控制器可以通過WiFi模塊將收到的數據傳送到物聯網云平臺，并通過連接顯示和儲存傳送到手機終端，可在手機終端顯示和控制單元的數據信息，以及對被控單元進行遠程操作［3］。

物聯網監控平臺的總體結構設計如圖1所示，系統設計包括硬件數據采集和上位機管理；上位機采用虛擬儀器LabVIEW，包括數據管理、數據分析以及輔助模塊等。其中，交互操作的功能，即在系統中通過遠程云平臺進行人機交互，在物聯網系統中顯示和控制顯示界面端的虛擬工具是兩種實現模式。

2 硬件設計

微能源網的物聯網管理平臺硬件部分由控制端和DSP核心控制器構成。在微能源網中，將大電壓和大電流轉化為可用于芯片工作的小電壓信號，這部分被稱為信號調節。WiFi單元將采集到的數據傳輸至互聯網平臺，并在創建的人機操作模塊顯示數據信息。控制端的通信管理模塊主要由RS-485構成，用于采集數據和控制命令的傳輸；控制端包括DSP中央控制器，各單元模塊包括數據采集、控制保護、網絡通信；輔助功能包含控制單元、界面交互以及設備通信和數據處理 ［4］。其中，核心控制器采用TMS320C28X系列浮點DSP控制器。物聯網管理平臺硬件結構如圖2所示。

2.1 通信模塊

控制端的通信模塊主要組成部分為RS-485和SCI，RS-485能夠實現數據采集和控制指令的傳輸；SCI能夠實現交流電能芯片將采集到的電能數據傳輸到DSP控制器中，并通過RS-485總線將所有采集數據傳輸至核心控制器；核心控制器的通信模塊由RS-485通信單元和ESP通信單元組成。RS-485通信單元負責傳遞到上位機，實現電腦端物聯網管理平臺的監測，包括實現與控制端的通信連接；ESP通信單元負責完成將采集的數據通過無線傳輸方式上傳到物聯網平臺，進而實現微能源網的物聯網管理平臺的數據監測。

2.2 DSP核心系統

TMS320F28335具有高達150 MHz的快速處理能力，處理器擁有浮點數為32位，支持ADC，McBSP和EMIF在6個DMA通道與18個PWM的輸出，其中有6個特定的HRPWM和16個12位ADC通道。此控制器使用浮點運算單元，不僅用戶能夠快速編寫控制算法，不必在小數運算上花費太多的時間和精力，而且平均性能比上一代DSP提高50%，并與c28x定點控制軟件兼容，簡化了軟件開發，縮短了開發周期，開發成本也進一步降低；它可配置兩種不同的8通道入口模式，也可為其配置具有16通道的級聯輸入模式；輸入可以通過配置順序收集。與以往的定點DSP相比，該器件具有精度高、功耗小、性能高、外設集成度高、數據以及程序存儲量大、A/D轉換更精確和快速等眾多優點［5］。

2.3 信號采集模塊

信號采集模塊實現微能源網的信號采集，根據采集可分為信號調理和模數轉換兩個部分。外部硬件電路主要含有電流輸入模擬、輸出脈沖SCI通信接口以及電源等電路；SCI串行通信接口是HT7038內部集成操作的依賴，采用兩條控制線和兩條數據線，便于主芯片測量和校準表參數的傳輸；HT7038芯片使用的是LQP32封裝。模數轉換是將采集的電壓電流信號轉換成數字量，便于TMS320F28335對數據進行讀取；電壓電流互感器將電壓電流信號轉換成交流差分信號，以達到HT7038的穩定電壓范圍。TMS320F28335芯片內部含專用通道，可用于直流電壓電流的數據采集，通過數據傳輸到Analog MUX，數據傳到EPWM處理，經由12位ADC進轉換處理，最后輸出到寄存器。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

基于系統要求對主程序進行了相應設計，對采集到的數據實時分析，可以評估微電網以外的運行情況，并根據不同的操作類型，在并網或離網的條件下執行相應的控制程序。在主程序開始運行后，首先實現了對TMS320F28335和HT7038進行初始化配置，然后進入程序的主程序循環。微電網運行數據的第一次采集發生在程序的主周期中，包括：讀取HT7038寄存器數據，打開ADC并啟動DMA傳輸，從微能源網儲能系統中讀取信息，并對光耦輸入狀態進行監測。然后對采集到的數據進行分析，并通過分析得出微能源電網運行狀態和并離網運行狀態。系統的主程序流程如圖3所示，根據分析的結果，在并網或離網連接的情況下執行相應的控制和監測程序。

3.2 并網控制程序設計

為了能夠最大限度地利用新能源，在電網運行過程中，主要由光伏和風能系統產生的能量來提供，不足的部分通過注入大型電網來補償，多余的能量由儲能系統補償，該系統通過給主電池充電來補償電網能量。若風光提供能量都高于需求，且主蓄電池組已經充滿電時，可適當通過減少光伏發電來實現能量平衡。并網控制策略名詞包含：微能源網內部實時發電功率（PG）及負荷功率（PL）；儲能電池的荷電狀態（SOCH）；儲能電池S0C的上限（SOCmax）；功率誤差可波動范圍（PS）；儲能電池充電功率（PFC）；儲能電池的充電功率最大值（PFCmax）。若功率變化量絕對值低于功率誤差可波動范圍時，功率誤差在功率可波動允許范圍內，實現系統平衡，不進行能源調節；若功率變化量絕對值高于功率誤差可波動范圍且不低于0時，設定注入電網來適度調節；當荷電狀態低于儲能電池的最大值且充電功率低于充電功率最大值時，對儲能系統電池組進行充電，采用算法控制電池組的充電功率，能夠使其與變化量ΔP相等；當荷電狀態高于儲能電池的最大值或充電功率高于充電功率最大值時，通過算法控制來達到減小光伏發電功率的目的，使其與電力負載系統相等。其中，并網運行控制流程如圖4所示。

3.3 離網控制程序設計

在離網運行狀態下，微電網的能量規劃中不含有大電網，在發電功率和負載功率不平衡的情況下，通過控制儲能系統的放電和充電的次數，減少負載，來調節光能系統的生產功率，從而平衡微電網的能量。在光伏發電場產生剩余電力的情況下，可對儲能系統進行充電或適當降低光伏電站的發電量。當儲能系統的排氣功率達到下限或排氣功率用盡時，負荷應當優先于平均負荷。儲能系統的放電功率達到下限或電量耗盡時，按照平均負荷的優先順序承擔負荷。離網控制策略名詞包含：儲能電池的下限（S0Cmin）；儲能電池充電功率（PC）；儲能電池充電功率的最大值（PCmax）；儲能電池的放電功率（PF）；儲能電池放電功率的最大值（PFmax）。若功率變化量絕對值低于功率誤差可波動范圍時，功率誤差在功率可波動允許范圍內，實現系統平衡，不進行能源調節；若功率變化量絕對值高于功率誤差可波動范圍且不大于0時，荷電狀態高于儲能電池的最小值且充電功率低于充電功率最大值時，通過控制算法來控制儲能系統功率變化量|ΔP|；若荷電狀態低于儲能電池的最小值或充電功率高于充電功率最大值時，則負載按重要性的順序被除去；若功率變化量絕對值高于功率誤差可波動范圍且不低于0時，荷電狀態低于儲能電池的最大值且充電功率低于充電功率最大值時，則儲能系統進行充電，通過控制算法控制充電功率，使其等于功率變化量ΔP。若功率變化量絕對值高于功率誤差可波動范圍且不低于0時，荷電狀態高于儲能電池的最大值或充電功率高于充電功率最大值時，通過控制算法使得光伏發電功率減小，直到與系統負荷功率相等。其中，離網運行控制流程如圖5所示。

3.4 物聯網平臺與上位機設計

在物聯網的通用應用層中，MQTT以其簡單、輕便、易用的特點被各種物聯網平臺廣泛使用［6］。MQTT通信協議對于嵌入式設備及多種不可靠的網絡環境，具有較好的適應性。該協議是頂層TCP/IP協議，使用訂閱/發布通信結構。Web發布功能是利用Web技術將微能源監測數據經過MQTT通信協議發布，可完成遠程訪問與管理［7-8］；核心控制器將采集的電能數據上傳物聯網平臺，將數據通過通信協議發至相應服務器集中數據管理，顯示在移動端；物聯網云平臺總體架構如圖6所示。系統中上位機設計的功能包含：LabVIEW與DSP之間的通信功能、數據處理、監控設計和存儲數據等。上位機使用虛擬儀器LabVIEW進行設計；在設計虛擬儀器LabVIEW和DSP通信過程時，需要使用VISA簽證庫與相應串口通信協議建立鏈接，建立上下位機之間的通信［9］。

4 結語

本文針對微能源網的物聯網管理系統進行了研究與設計，實現對數據的采集與分析，提高了管理平臺的直觀性。經過測試，用戶可通過物聯網云平臺遠程接入并掌握系統設備的實時運行性能和實時運行數據、可調可控系統設備、分析數據等，顯著提高光伏電站運行效率，提升微能源網運行的安全可靠性，滿足設計要求。

參考文獻

［1］楊伊靜.“低碳能源 零廢未來”論壇暨微能源網協同創新平臺與碳中和綠色發展創新平臺2022年度峰會在京舉辦［J］.中國科技產業，2022（9）：5-7.

［2］譚華.基于LabVIEW監控的遠程無線多參數水質監測系統設計［J］.網絡安全技術與應用，2022（8）：34-38.

［3］張建良，吳越，齊冬蓮，等．基于DSP的微電網泛能控制實驗平臺設計［J］.實驗室研究與探索，2018（37）：82-85.

［4］秦東東，韋巍，彭勇剛，等.新能源海島微電網監控系統的設計和實現［J］.電子技術，2016（45）：66-69.

［5］王元.基于DSP的微電網電能質量數據采集系統設計實現［D］.蕪湖：安徽工程大學，2016.

［6］黃趙明.基于物聯網平臺的充電站系統的設計與實現［D］.南昌：南昌大學，2020.

［7］張帥，張迪，樊京，等.基于阿里云的電動汽車無線充電監控系統設計［J］.電工技術，2021（1）：101-104.

［8］王文斌，張鑫，趙玉，等.阿里云物聯網平臺的混流泵房遠程監控系統設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2021（1）：38-41.

［9］王懷念.基于DSP和LabVIEW的后備式電源測試系統研究［D］.深圳：深圳大學，2019.

（編輯 沈 強）