一種基于串口服務器的光伏監控系統的設計

海 濤 梁挺興 彭舜杰 林 波 朱 浩 陳 凱

(廣西大學電氣工程學院1，廣西 南寧 530004;廣西比迪光電科技工程有限責任公司2，廣西 南寧 530031)

0 引言

遠程監控技術已在農業、電力行業、工業、軍事等領域得到廣泛的應用［1］。隨著光伏發電技術的發展，光伏裝機容量在電網中所占的比例不斷增加，越來越多的獨立和并網光伏電站即將或已經投入運行使用。當光伏電站需要更為智能化、人性化的科學管理時，可靈活擴展的遠程光伏監控系統則顯得至關重要［2］。市場上的很多光伏設備是國內外不同廠商生產的不同產品，大部分廠商只開發用于自己產品的監控平臺。當一個已被投入運行的光伏系統需要擴大運行規模時，需對原有的監控系統重新部署，其面臨的難題將是:添加原系統沒有的新設備，淘汰落后的設備;原來的光伏設備已經不再生產或者最新的光伏設備的成本更低、性能更好;添加新的控制和管理功能。漫長的重部署過程將影響光伏電站的生產過程，故提出一種可靈活擴展的光伏監控系統方案，縮短重新設計監控系統的時間，作出少量的改變，即可讓擴展后的系統重新運行;采用多線程的設計方案提高系統運行的速度。

1 監控方案的選擇

1.1 常用的幾種監控方案

按通信介質分類，光伏遠程監控的方式可分為有線監控和無線監控兩類［3］。本文重點介紹如何實現有線光伏監控系統的靈活擴展部分，3 種常見的有線監控方案對比說明如下。

方式1:下位機采用如RS-485 總線等工業總線直接與上位機通信。該方式的特點是能小范圍內實現監控，結構簡單，成本低。缺點是無法實現遠距離監控，在單總線上，節點數量受限制，不同通信速率的設備很難共存，無法實現靈活的擴展。

方式2:采用公用電話網監控方式。該方式的特點是通過對連接公用電話網的Modem 進行撥號，其實就是大部分居民家里很常見的上網方式。雖然該方式能實現遠距離監控，但是本地主機和遠程主機都必須配置Modem，控制方式也相對繁雜，使用不廣泛［4］。

方式3:在第一種方式的基礎上，將RS-485 等通信接口轉換為以太網接口，并通過工業以太網交換機和路由器實現局域網和互聯網的監控方式。其特點是監控范圍廣、通信速度快、節點數無限制，可在此基礎上實現遠程監控系統的靈活擴展［5］。

1.2 以太網監控方案

基于光伏電站地處偏遠、占地遼闊的特點，本文選擇方式3 作為光伏系統的遠程監控方案。光伏發電發展迅猛，在市場上能買到各式各樣的光伏設備［6］。研發光伏設備的廠商為搶占市場份額，必須遵循業內標準。大多數光伏設備都配置了RS-485 通信接口+Modbus 通信協議的通信選擇，故提出基于串口服務器(serial port server，SPS)的以太網監控方案，如圖1所示。

圖1 基于串口服務器的以太網監控方案Fig.1 Ethernet monitoring solution based on serial port server

實驗中，使用6 塊標稱功率為50 W 的光伏組件組成光伏陣列，先串聯兩塊，再并聯三路輸出，經繼電保護模塊后，由匯流箱匯集成一路輸出，最后由并網逆變器輸送至電網。在匯流箱中可以獲取光伏陣列的輸出參數，通過交流電采集模塊可采集并網逆變器的輸出參數，由于兩者輸出的參數變化快，將它們連接到波特率較大的串口服務器1。繼電保護模塊和由溫度采集模塊和太陽總輻射傳感器組成的環境氣象儀并不需要很快的通信速率，將它們連接到波特率較小的串口服務器2。串口服務器實現了RS-485 轉以太網的功能，是方式3 的關鍵部件。SPS1、SPS2和本地主機都要經交換機而處于同一個網段。

1.3 串口服務器

串口服務器(SPS)可以很大程度地降低系統復雜性和提高系統的可擴展性，不同波特率的設備只需接在對應的SPS 上，監控軟件統一地只負責對SPS 以太網端的操作，減小了設計監控系統的工作量。靈活地利用這個特性就能實現可擴展的遠程監控平臺［7］。該方案使用的SPS 支持TCP 協議，使用VB.NET 語言的Socket 接口完成對底層設備的控制。SPS 必須配置后才能使用，而配置過程也是比較簡單的，只需在瀏覽器中輸入默認地址進入Web 管理頁面，設置相關IP 和串口相關的參數［8］。

2 監控系統軟件的詳細設計

在Microsoft Visual Studio 2010 的集成開發環境中，使用面向對象的VB.NET 語言編寫程序，其中VB.NET 語言中所提供的部分功能和接口是該方案實現光伏監控系統靈活擴展的邏輯基礎。使用SQL Server 2000 數據庫存儲監控系統的歷史數據。

2.1 軟件設計的總體思路

本方案的主要目的是在硬件和程序邏輯上作出很小的改動，便可以實現光伏遠程監控系統的靈活擴展。在軟件部分實現系統靈活擴展的關鍵是:將不同類型、不同型號的設備定義成對應的設備類，系統擴展則表現為對應設備類的增減。

2.2 需求分析

基本的光伏發電系統由光伏陣列、匯流箱和并網逆變器構成。市場上主流的光伏設備都配置了帶Modbus 協議的RS-485 接口，再設置一個SPS，就能通過以太網監控匯流箱和并網逆變器。因此，軟件部分實現設備類模塊、Modbus 模塊、TCP 模塊和數據庫模塊能實現基本的光伏遠程監控系統。匯流箱采用安科瑞的8 路匯流箱。由于所使用的并網逆變器不帶通信接口，故使用DAM_3502 交流電采集模塊監控并網逆變器的輸出。

2.3 軟件組織

合理、清晰、有效的軟件組織是解決移植和擴展問題的基礎。監控系統的軟件組織和功能模塊如圖2 所示，各個功能模塊之間相互獨立。

圖2 軟件組織與功能模塊Fig.2 The software organization and functional modules

圖2(a)中，MyClass 存放所有的設備類、Modbus協議類、Socket 處理類和數據庫處理類;SysFile 存放網絡、設備和數據庫的配置參數;MyModule 存放軟件運行后的全局參數;MyForm 存放軟件全部的窗體模塊;Main 主要負責啟動軟件和調用以上功能模塊。Socket數據的收發、數據庫的存儲、數據的顯示部分采用了VB.NET 的多線程技術，在隊列數據結構的配合下，提高了數據處理速度。

2.4 功能模塊的設計

各功能模塊的自定義結構體如表1 所示。

表1 功能模塊的自定義結構體Tab.1 The custom structures of function modules

系統各功能模塊的主要功能如下。MyModbusRTU模塊完成Modbus 數據的提取;通過VB. NET 提供的System.Net.Sockets 接口實現MySocketTCP 模塊;MySQL模塊完成數據庫的操作;MyDev 模塊從Modbus 數據中提取真實的設備數據。各功能模塊結構如圖3所示。

①MyModbusRTU 模塊。

該模塊是設備層應用的基礎，如圖3(a)所示。其中Modbus 功能函數和獲取Modbus 數據是該模塊的主要功能。為了靈活地實現與其他模塊之間的關聯，自定義了4 個結構體，如表1 的前4 行所示，它們是實現系統靈活擴展的關鍵。Dev 用于描述設備，設備名DevName和DevClass 是該結構的兩個重要參數。RW_Cmd 用于描述Modbus 協議命令，其中RegName 代表一次讀寫操作，DevObj 是Object 類型變量，表示該命令的所屬設備。Fun_Data 用于描述Modbus 返回數據，其中CopeType 表示是讀還是寫，Cmd 表示是由哪個Modbus 命令返回。ReturnData 用于描述設備數據，其中DevObj 表示對于哪個設備，Data 表示該設備的真實數據。在結構體中嵌入Object 類型變量能實現在程序邏輯上的靈活應用［9］。在Mobus 功能函數部分實現了不同功能碼的處理函數，1 ～4 號功能碼的處理函數為:

ReadRegister(ByVal Cmd01_04 As RW_Cmd)As Byte()

圖3 功能模塊結構圖Fig.3 Structure of functional modules

②MySocketTCP 模塊。

該模塊是網絡通信的基礎，如圖3(b)所示。其中Socket 連接、發送和接收是該模塊實現的主要功能，使用在類模塊中嵌入多線程和數據隊列的方式實現。在多SPS 應用時，只需使用New 方法建立對應數量的MySocketTCP 類對象，便可實現多 SPS 的擴展。MySocketTCP 模塊的工作過程如圖4 所示。

圖4 MySocketTCP 模塊的工作過程Fig.4 The work process of MySocketTCP module

③MyDev 模塊。

MyDev 模塊是所有設備類的集合，系統擴展體現在MyDev 中設備類的增減。以實現設備類DAM_3502 為例，如圖3(c)所示，設備類具有相同的格式，修改部分代碼就可以實現不同的設備類。為便捷地實現一個設備類，自定義了參數寄存器描述結構體RegDescript，如表1 的最后一行所示。其中，Name 表示該參數描述的名稱，也稱之為一次操作;Start 表示該參數在設備中的起始地址;Len 表示該參數的長度;WR 表示該參數是否可寫;Show 表示該參數是否可顯示。如對逆變器輸出功率的描述，則設置為(“InverterActivePower”，12，1，False，True)。設備類的主要功能是處理FunData 數據，從而獲得ReturnData 數據，并壓入ReturnData 隊列，為之后的顯示和數據庫操作搭起了一座橋梁。

④MySQL 模塊。

在VS2010 中，只有System. Data. OleDb 接口支持SQL Server 2000 數據庫，MySQL 模塊如圖3(d)所示。數據庫操作是該模塊的主要部分，實現了從ReturnData 隊列中提取ReturnData 數據。在MySQL 模塊中，擴展的靈活性體現在ReturnData 數據中操作名稱Name 與數據庫表格中的表格名稱一致。

3 系統運行與擴展過程

3.1 系統運行實驗

系統運行界面如圖5 所示。

圖5 系統運行界面Fig.5 The system running interface

擴展前監控系統由匯流箱、交流電采集模塊和串口服務器1 組成。必須設置數據庫參數、網絡參數、設備參數后，系統才能正常運行。系統運行過程為:當窗體加載后，調用系統運行函數，首先配置所有的運行信息，如果成功，則連接所有的串口服務器，否則報警并等待再次運行。如果所有串口服務器連接成功，則啟動所有的線程，否則等待重新連接，其運行界面如圖5(a)所示。從圖中可清晰地看出當天6 點至18 點的小時發電量。

3.2 系統擴展實驗

考慮到此時的監控系統過于簡單，可加入繼電保護模塊、溫度模塊和太陽總輻射傳感器模塊擴展系統。由溫度模塊和輻照度傳感器模塊組成的環境氣象儀，可以采集到光伏發電的氣象數據;利用歷史的光伏發電數據和氣象數據，可以實現發電預測的功能［10］。擴展過程如下:①以實現DAM_3502 設備類的方法，為繼電保護模塊、溫度模塊和太陽總輻射傳感器模塊編寫 設 備 類(RelayControl、WP3066ADAMTemperature、SR100);②添加串口服務器2;③設置繼電保護模塊、溫度模塊和太陽總輻射傳感器模塊;④調整界面，運行程序，界面如圖5(b)所示。

4 結束語

本設計實現了系統靈活擴展，提高了軟件的組織性，減少了對計算機資源的占用。在該方案基礎上，不但可以開發基于C/S 的軟件，還能開發基于B/S 的軟件。雖然是針對光伏電站所設計的遠程監控系統，但是稍作改變，便可應用于其他領域。

［1］ 鄧素枚.光伏電站數據采集系統的研究與實現［D］.北京:北京交通大學，2012.

［2］ 戴錚.富互聯網環境下的設備遠程監控技術研究［D］.武漢:華中科技大學，2012.

［3］ 劉建.基于GPRS 的光伏式遠程氣象數據采集傳輸終端開發［D］.杭州:浙江工業大學，2012.

［4］ 葉瓊茹.光伏并網遠程監控系統的研究與設計［D］.泉州:華僑大學，2012.

［5］ 楊然.光伏發電環境參數采集及網絡數據監控平臺的設計［D］.武漢:武漢紡織大學，2012.

［6］ 彭繼慎，李文帥，李秋香.太陽能光伏發電無線遠程監控系統的研究與設計［J］.計算機測量與控制，2012，20(12):29 -30.

［7］ 許建風，田建創，方蕾.基于串口服務器的PLC 網絡控制系統［J］.浙江工業大學學報，2008，36(2):196-197.

［8］ 陳平，郝繼飛，周曉飛，等.基于串口服務器組網的自來水廠供水監控系統［J］.湖南科技大學學報:自然科學版，2011，26(2):80-81.

［9］ 趙春燕，孫英銳，董峰.高性能氣象數據存儲集群及在線擴展技術應用［J］.計算技術與自動化，2013，32(3):117 -119.

［10］康洪波，劉瑞梅，侯秀梅.基于神經網絡光伏發電預測模型的研究［J］.電源技術，2013，37(3):447 -448.