双485通讯系统应用于农光互补光伏电站

作者 平川 无锡昊阳新能源科技有限公司(江苏 无锡 214200)

　　平川 (1976-)，男，工程师，研究方向：负责光伏物联网产品研发

摘要：双485通讯系统应用于农光互补光伏发电站，打破了传统系统无通讯功能的框架，或单一485通讯功能模式。通过硬件整合，软件上通过信道独立分开方式完成两路485通讯，物理上独立，互不干涉。硬件上模块化设计，软件上统一管理控制。在斜单和连推平单上已经大批量使用。一路用于支架转动信息获取，提高了安全和可靠性，另外一路主要用于电站管理中心数据交互，控制指令下发，当前支架运行主要信息上传。实时把数据和信息上传，完成整个光伏电站前端和后台数据交互，信息传递，控制指令及时下发，为光伏电站的智能化、网络化、自动化提供基本的技术保障。

0 引言

　　在目前的光伏电站系统构建中，信息网络化，智能化管理，物联网已经越来越受到重视，被使用大范围使用，光伏电站建设也不例外，涉及到系统中各个功能模块信息共享和管理，光伏电站前端的控制终端信息的传递有无线、有线、光纤等方式，本系统通过两路485通讯实现，控制信息的上传下达。其中一路用于支架运转控制，另一路用于电站后台控制，区别于传统无线通信方式或单路通信模式，使整个系统信息传递更完善、更智能化，为整个电站物联网建设提供了基本的技术保障。

1 网络系统架构

　　该网络系统包括组件支架，驱动电机，角度仪传感器及跟踪控制盒，PLC集中控制箱、箱变、光交换机及电站管理、无线发射站，如图1所示。跟踪控制盒采集角度仪传感器信号，控制电机驱动及两路485通讯，实现了与光伏电站管理中心和无线发射站之间数据交互。第一路无线485通讯链路接收无线发射站信号结合已经设置的经、纬度和时间芯片提供的时间，启动电机驱动组件支架运行。太阳能电池板组件自动跟随太阳高度角和方位角而运行，停止角度设置由角度传感器获取。第二路有线485通讯链路经过PLC集中控制箱、光交换机、光纤与电站管理数据中心数据的交互。在一昼夜的时间周期内，白天实现自动跟踪，夜晚自动夜返，完成一个周期后再等待下一个自动跟踪周期的开始。如果异常情况发生，电站管理中心通过有线通讯链路下发控制指令，实现网络智能管理。跟踪控制盒把当前支架运行数据信息实时上传至电站管理中心^[2,3]。系统如图1。

2 跟踪控制原理架构

　　跟踪控制系统采用AVR处理器，该处理器资源丰富，性价比高，完全满足实际功能需求。低功耗AVR 处理器，先进的RISC结构， 精简指令集;16 MIPS指令速度，两路可编程的USART串口，可工作于主机/从机模式的SPI串口接口，鉴于该处理器具有适用于两路485通讯的USART串口，不再需要软件方式模拟串口通讯，可以满足光伏电站前端光伏组件跟踪控制盒物联网组网的物理需求。跟踪控制盒分别控制两路485通讯，采集角度仪传感器，人机交互参数设置，及界面参数实时显示，电机驱动控制信息的输出，两路485通讯功能主要实现与无线发射站，与电站管理中心数据交互，完成自动控制功能，完成物联网组网功能^[3]。前端跟踪控制盒外围功能结构如图2。

3 技术创新点

　　3.1　两路485通讯，硬件上相互独立，模块化，最大限度增强抗干扰性能。创造性选用具备两路UART硬件的处理器及有针对性的外设电路设计：两路UART硬件全双工操作，波特率可设置，具备硬件支持的奇偶检验，帧错误检测，噪声滤波，硬件中断方式。AVR处理器具备两路UART硬件串口，并具备上述功能，进而简化了过去需要软件模拟串口通讯的工作量和工作难度;外设电路的匹配负载阻抗的设计，收发端与控制端口的整合^[1,2]，相关电路设计在下文的原理设计中再做具体分析。所有这些都使得通讯的可靠性得到很大提高，远远优于软件模拟通讯方式。双硬件UART通讯口处理器的选用和外设电路的简化设计为实现双485通讯提供了可靠的硬件技术保障。

　　3.2　两路485通讯，通讯数据须分开处理，须执行两套不同协议，基于这样的需求，创造性的开发出两路通讯协议，软件上配合硬件完成两路通讯。一路是基于目前行业内的ModBus协议，用于行业内数据通讯，兼容只要遵守ModBus协议的所有设备终端，可与不同厂家设备终端之间进行数据传递。与光伏发电站中的通讯柜，逆变器、数据采集系统相连接。对于其他特殊需求可以基于其软件高兼容性做适当扩展。另外一路为企业内部自定义协议，主要用于系统内部数据通讯传输，具体协议制定，规则可以自由定义，通讯模式有很大的自由度。比如，首字节为设备地址，可选择数据累计方式来效验，摒弃复杂的CRC效验，帧结束符可固定为某个数据。其中可以由多组数据串组成，只要满足数据累加和即可，在本系统中使用了太阳的高度角和方位角这两个数据，可组装成两对数据，编入通讯帧中。主、从机按既定的规则进行传输、解析，即可完成数据交互，完成控制信息的传递和采集，为整个系统的自动化、智能化处理提供了必要的信息支持。

4 原理设计

　　4.1 第一路无线485通讯链路

　　通过光耦隔离，处理器与485通讯芯片进行数据交换，485芯片的A、B接口与外界无线通讯模块对接。A/B 两端双向TVS管，瞬态抑制高压，保护通讯线路的异常电压。在本系统中采用120欧姆负载匹配阻抗，如图三中电阻R8所示。485通讯芯片与处理器之间收发端经过光耦隔离，可以增强抗干扰能力。在本系统中，控制收发端RE/DE，并联到芯片的发送端，受控于三极管Q1，确保收发状态切换。三路整合到两路光耦隔离，减少PCB板空间和节省元器件。收发数据经光耦传输至处理器相应的UART端口。处理器在中断机制的触发下，完成数据的接收和发送。

　　4.2 第二路有线485通讯链路

　　第二路485通讯基于第一路485电路基础上如图4，做适当简化，去除光耦隔离部分，其他保持不变，唯一区别是控制收发端直接受控于处理器的端口，采用4.7 K电阻上拉确保电平平稳。这路通讯链路用于系统内部数据通讯，独立于外界，干扰相对少些，故去掉光耦隔离，简化电路，降低成本。其他元器件作用如上述第一路485电路。

　　4.3 软件上两套通讯协议并行运作

　　软件上采用中断加查询方式完成两路485通讯。中断方式负责接收单个数据，采用查询方式负责数据包的解析和数据装载处理。处理流程如图5。

5 结论

　　该双485通讯系统目前已经成功运行于山东新泰农光互补领跑者光伏电站，系统功能运行情况良好，智能跟踪支架通过双485通讯系统实时把数据上传至光伏电站的数据管理中心，光伏电站的控制指令及时传递到前端智能跟踪支架，完成对智能跟踪支架的智能化操作，尤其是对智能跟踪支架故障信息的获取，进而为后续故障的排除提供了有力的保障。在特殊天气情况下，实时地操作智能跟踪支架的运行，规避了恶劣天气情况下运行的风险。该双485通讯系统在智能跟踪支架信息的上传下达通讯组网中提供必要的技术基础，基于这样的两个通讯链路，前端的跟踪器支架与后台电站管理中心和无线发射站形成了一个完整的智能物联网系统，实现了整个电站管理系统的智能化、网络化、自动化;同样为今后的云技术、大数据提供了基本数据通讯链路。

　　参考文献：

　　[1] Richard Anslow. 信号和电源隔离RS-485现场总线的高速或低功耗解决方案.电子产品世界[J].2018,1:76.

　　[2]有鹏，刘勇 等. 基于物联网的图像监控系统.电子产品世界[J].2017,8:40.

　　[3]李英姿.太阳能光伏发电系统设计施工与应用[M].北京：机械工业出版社, 2014.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第11期第54页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。