基于MODBUS協(xié)議的光伏電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的探究

摘要：光伏發(fā)電可以替代部分煤電，這將促使光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，光伏電場(chǎng)監(jiān)控作為配套系統(tǒng)也將日顯重要。本文以Modbus協(xié)議為基礎(chǔ)在B/S框架下對(duì)光伏電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。通過(guò)RS485通訊方式采集逆變器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)以太網(wǎng)與PC機(jī)通訊，通過(guò)以太網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)，匯總并在本地的液晶顯示屏顯示。從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能化運(yùn)行，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近運(yùn)行，效果良好，系統(tǒng)穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)，功能完善。

關(guān)鍵詞：MODBUS；光伏；監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）19-0069-02

1 引言

目前我國(guó)依然是煤炭能源消耗大國(guó)，從能源消費(fèi)的結(jié)構(gòu)上看還屬于粗放型能源利用方式，與現(xiàn)代集約型經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求還有一定的差距。所以，從可持續(xù)發(fā)展的角度看，包括太陽(yáng)能在內(nèi)的新能源和可再生能源將大力發(fā)展，以逐步改善以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)常規(guī)能源資源更加合理有效地利用，使我國(guó)能源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的發(fā)展相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的戰(zhàn)略目標(biāo)。到2015年，我國(guó)將大規(guī)模推廣應(yīng)用新能源和可再生能源技術(shù)，其中光伏發(fā)電可以替代部分煤電，減輕能源對(duì)外依靠的壓力，對(duì)改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)和走能源可持續(xù)發(fā)展的道路是十分必要的。本文以Modbus協(xié)議為基礎(chǔ)在B/S框架下對(duì)光伏電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2 Modbus協(xié)議

2.1Modbus協(xié)議及其特點(diǎn)

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。在我國(guó)，Modbus協(xié)議已經(jīng)成為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19582-2008。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2007年，Modbus的節(jié)點(diǎn)安裝數(shù)量已經(jīng)超過(guò)了1000萬(wàn)個(gè)。Modbus協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其他設(shè)備的過(guò)程，如回應(yīng)來(lái)自其他設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其他網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。

Modbus具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）Modbus協(xié)議的幀格式非常緊湊和簡(jiǎn)單，而且通俗易懂。

（2）Modbus協(xié)議可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無(wú)線等。本套光伏電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)就是利用RS-485接口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

（3）標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放，用戶(hù)可以完全免費(fèi)放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費(fèi)，不存在侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問(wèn)題。目前，支持Modbus的廠家超過(guò)400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過(guò)600種。

2.2Modbus協(xié)議在B/S模式下實(shí)現(xiàn)

本光伏電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式開(kāi)發(fā)，其中Web服務(wù)器由C#編寫(xiě)，利用Visual Studio 2005軟件實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫(kù)由SQL Server 2005完成。在系統(tǒng)編寫(xiě)過(guò)程中必須遵循Modbus協(xié)議，利用modbus_Master和modbus_Slave完成數(shù)據(jù)的傳送。

2.2.1modbus_Master的應(yīng)用

作為Modbus客戶(hù)端模式的應(yīng)用，主要是準(zhǔn)備請(qǐng)求并向服務(wù)器設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求，并等待服務(wù)器的響應(yīng)，以此來(lái)完成對(duì)服務(wù)器設(shè)備的訪問(wèn)和控制。

2.2.2modbus_Slave的應(yīng)用

作為Modbus服務(wù)器模式的應(yīng)用，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)于ModBus應(yīng)用報(bào)文的分析與響應(yīng)，為了方便使用，在modbus_Slave軟件包中通過(guò)函數(shù)指針的形式，實(shí)現(xiàn)了接口函數(shù)的自動(dòng)加載，將應(yīng)用數(shù)據(jù)處理和ModBus應(yīng)用報(bào)文響應(yīng)關(guān)聯(lián)起來(lái)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的一個(gè)CPP文件DataProvider.cpp來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。為了及時(shí)地響應(yīng)Modbus應(yīng)用報(bào)文，程序設(shè)計(jì)時(shí)利用一個(gè)線程反復(fù)調(diào)用modbus_Slave執(zhí)行函數(shù)，該函數(shù)為阻塞模式。

3 光伏電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1光伏電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全站的逆變器的監(jiān)控和環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控。監(jiān)控裝置主要包括PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀、環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器、監(jiān)控軟件和液晶顯示屏。幾個(gè)機(jī)房分別配置若干臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀，通過(guò)RS485通訊方式采集逆變器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)以太網(wǎng)與PC機(jī)通訊獲取數(shù)據(jù)，匯總并在本地的液晶顯示屏顯示。

并網(wǎng)逆變器提供RS485通訊接口，采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，每個(gè)逆變器室的逆變器通訊線并聯(lián)后接入數(shù)據(jù)采集器，由數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)逆變器的數(shù)據(jù)向主控室傳輸。光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控部分的設(shè)計(jì)主要突出兩大功能：向公眾展示電站發(fā)電數(shù)據(jù)，為專(zhuān)業(yè)調(diào)試人員和維護(hù)工作人員提供雙向數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示電站的當(dāng)前發(fā)電總功率、日總發(fā)電量、累計(jì)總發(fā)電量、累計(jì)CO2 總減排量以及每天發(fā)電功率曲線圖?？刹榭疵颗_(tái)逆變器的運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)控所有逆變器的運(yùn)行狀態(tài)，采用聲光報(bào)警方式提示設(shè)備出現(xiàn)故障，可查看故障原因及故障時(shí)間。監(jiān)控軟件具有集成環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，能實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，主要包括日照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、室外溫度、室內(nèi)溫度和電池板溫度等參量。可每隔5 分鐘存儲(chǔ)一次電站所有運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)。故障數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。能夠分別以日、月、年為單位記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)行事件、警告、故障信息等。可提供多種遠(yuǎn)端故障報(bào)警方式，如SMS（短信）方式或者E_MAIL 方式等。光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)具有故障預(yù)警和報(bào)警功能，系統(tǒng)監(jiān)控部分可采集和顯示多種數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)（電流、電壓、功率）和環(huán)境數(shù)據(jù)（太陽(yáng)輻照度、溫度等），并且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄歷史數(shù)據(jù)，方便查詢(xún)和追溯；也可為學(xué)習(xí)、分析、研究光伏電站提供參考和幫助，系統(tǒng)外接大屏幕向公眾展示太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況。鑒于每個(gè)發(fā)電單元設(shè)備所處位置比較分散，不在同一個(gè)地點(diǎn)，采用RS485和Modbus協(xié)議通訊方式建立監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。監(jiān)控主機(jī)同時(shí)提供對(duì)外的以太網(wǎng)接口，即用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式，異地實(shí)時(shí)查看并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。

4 小結(jié)

這套基于Modbus協(xié)議的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近半年的運(yùn)行，效果良好，系統(tǒng)穩(wěn)定，能基本滿足日常監(jiān)控需要，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全自動(dòng)智能化運(yùn)行，無(wú)須人員值守，性能價(jià)格比最佳。當(dāng)然，由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)，將出現(xiàn)一些不足，這需要在以后的工作中逐步完善。

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作者介紹：張巖（1977-），男，江蘇常州人，碩士，工程師。研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)。