基于CAN總線的分布式光伏電力設備監(jiān)測系統(tǒng)

余運俊，張燕飛，萬曉鳳*，鄭博福，楊曉輝

(1.南昌大學信息工程學院，江西南昌330031；2.南昌大學環(huán)境工程學院，江西南昌330031)

基于CAN總線的分布式光伏電力設備監(jiān)測系統(tǒng)

余運俊1，張燕飛1，萬曉鳳1*，鄭博福2，楊曉輝1

(1.南昌大學信息工程學院，江西南昌330031；2.南昌大學環(huán)境工程學院，江西南昌330031)

為方便對分布式光伏發(fā)電設備運行狀態(tài)進行實時的監(jiān)測，設計了基于CAN總線的設備監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320F28335為控制器對光伏電力設備的各種狀態(tài)參數進行采集，通過CAN總線與工控機構成通信網絡，利用工控機實現(xiàn)對光伏發(fā)電設備運行狀態(tài)的集中顯示，從而更加直觀地了解各設備的運行狀態(tài)，同時便于應用各種算法，實現(xiàn)微網控制功能。實驗結果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定、實時性高，能夠長時間在線實時監(jiān)測，取得了良好的效果。

分布式光伏發(fā)電；CAN總線；TMS320F28335；設備監(jiān)測系統(tǒng)

分布式光伏發(fā)電是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的、可提高能源綜合利用效率和供電可靠的發(fā)電方式[1]。它倡導就近發(fā)電，就近并網，就近轉換，就近使用的原則，有效地解決了電能在高壓輸電過程中的損耗問題。分布式光伏發(fā)電一般建在用戶側，具有容量小、投資小、清潔環(huán)保、供電可靠和發(fā)電方式靈活等優(yōu)點，可以應用在工業(yè)廠房、公共建筑及居民屋頂上[2]。近年來，分布式光伏發(fā)電與建筑一體化結合得到了越來越廣泛的應用，經常作為建筑物的主要電能來源[2]。在分布式光伏發(fā)電組件系統(tǒng)中主要包括太陽能光伏電池板、環(huán)境儀、光伏防雷匯流箱、蓄電池組和光伏逆變器等設備，以一學校建筑物為依托，共有六個屋頂，在每個屋頂上都安裝一套發(fā)電功率最大為20 kW的太陽能光伏組件，為保證該發(fā)電系統(tǒng)安全、經濟、穩(wěn)定運行，需要對各設備的運行狀況進行實時地監(jiān)測，并把采集到有關數據傳送至工控機，通過工控機強大的數據處理和分析能力，對采集的各種狀態(tài)參數進行分析處理，并通過工控機上的監(jiān)測界面對各設備的運行狀態(tài)進行集中顯示，實現(xiàn)對分布式光伏電力設備的有效監(jiān)測，對該發(fā)電系統(tǒng)安全、經濟和穩(wěn)定運行具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)的通信總線選擇

在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，由于RS485總線成本較低、接口簡單，還具有多機通訊的能力，使其在智能家居、遠程控制、樓宇自動化控制、監(jiān)控報警等領域得到了廣泛地應用[3]。但是受通信協(xié)議的限制，RS485總線數據傳輸速率較低，通信失敗率較高，容納的節(jié)點數較少[4]，而且它不能夠做總線的自動仲裁以避免總線競爭，當有多個節(jié)點同時向總線發(fā)送數據時，將會造成整個通信系統(tǒng)的數據冗余量較大，通信效率下降，嚴重時可能會導致整個通信網絡的癱瘓[4]。與RS485總線相比，CAN總線具有通信速率高、傳輸距離長、通信失敗率低、容納的節(jié)點數多等優(yōu)點，而且CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術，當有多個節(jié)點同時向總線發(fā)送數據時，總線將做出自動仲裁，具有更高優(yōu)先級的報文將被傳輸，從而避免了總線沖突[5]，故CAN總線更加適用于節(jié)點數較多的通信系統(tǒng)。

本文設計了一種基于DSP數據采集和CAN總線的通信系統(tǒng)對分布式光伏發(fā)電的各設備進行監(jiān)測，采用TI公司的32位浮點處理器TMS320F28335作為數據采集系統(tǒng)的主控芯片，并與工控機構建成一個CAN總線通信網絡，通過CAN總線把采集的數據發(fā)送給工控機處理，解決了RS485總線通信的不足，大大提高了通信的實時性和穩(wěn)定性，降低了通信的失敗率。

2 CAN總線通信技術

2.1 CAN總線概述

CAN即控制器局域網，是一種點對點，或者一點對多點的串行通信協(xié)議，可以有效地支持分布式實時控制，具有較高的通信速率和較強的抗干擾能力[5]。更關鍵的是，CAN總線具有非破壞性避免總線沖突的特點，可以保證在產生總線沖突的情況下，具有更高優(yōu)先級的消息沒有被延時傳輸，提高了實時性。CAN總線的物理通信介質簡單，采用的是雙絞線進行差分信號的傳輸。

2.2 CAN總線的工作原理

CAN總線上可以同時掛載多個CAN節(jié)點的設備，每個節(jié)點之間相互獨立，不受其他節(jié)點的影響。各個節(jié)點不僅可以發(fā)送自己的報文，也可以接收來自總線的報文。對于單個CAN節(jié)點，無論總線上的報文是否發(fā)送給自己，它都會接收，然后通過內部的驗收屏蔽寄存器來判斷此報文是否為要接收的報文[5]。若2個或2個以上的CAN節(jié)點同時發(fā)送數據就會產生競爭，即總線沖突。此時，CAN總線就按位對標識符進行仲裁，標識符較小的報文具有更高的優(yōu)先級，獲得總線的控制權，優(yōu)先級低的節(jié)點自動退出總線競爭，直至總線空閑再發(fā)送報文。在同一個CAN控制網絡結構中，CAN節(jié)點的標識符唯一。

2.3 CAN總線數據格式

CAN總線采用多主串行通信，數據信息以報文的形式從發(fā)送器到接收器，CAN總線規(guī)范定義了2種不同的數據幀格式，主要區(qū)別是兩種幀格式的標識符長度不同：標準幀的標識符為11位，擴展幀的標識符為29位，本文采用標準幀進行報文的傳輸，其格式如圖1所示，主要由仲裁區(qū)、控制區(qū)、數據區(qū)、CRC校驗區(qū)以及幀結束區(qū)幾部分組成[5]。

3 CAN總線監(jiān)測網絡結構

分布式光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)主要由工控機(上位機)、DSP數據采集系統(tǒng)(下位機)、CAN總線等組成的。其中，DSP數據采集系統(tǒng)負責采集分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種狀態(tài)參數，如：光伏陣列輸出的電壓、電流；三相光伏逆變器直流側的電壓、電流及交流側的三相并網相電壓、相電流和頻率；環(huán)境儀輸出的光照強度、環(huán)境溫度、風速等環(huán)境參數[6]。DSP數據采集系統(tǒng)將采集的數據經處理后，以CAN數據的格式組成一幀報文，由CAN收發(fā)器發(fā)送至CAN總線上，工控機通過CAN接口卡接收來自CAN總線上的報文，對有關狀態(tài)參數進行顯示和分析，并根據分析的情況形成新的控制策略發(fā)送至DSP系統(tǒng)。

圖1 標準數據幀格式

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設備的監(jiān)控通信系統(tǒng)如圖2所示，工控機對各分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設備進行集中顯示和控制，以完成對分布式光伏發(fā)電各設備進行實時的監(jiān)控。DSP數據采集系統(tǒng)完成分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)各設備狀態(tài)參數的實時采集，通過CAN總線與工控機進行通信，以及執(zhí)行工控機發(fā)送給DSP系統(tǒng)的有關控制命令以及每套光伏發(fā)電系統(tǒng)出力的有功功率和無功功率等。工控機采用USBCAN智能CAN接口卡，它完全支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，符合ISO/DIS11898規(guī)范，通信速率最大可達到1Mbps，不僅具有體積小、即插即用等特點，而且支持在VC++、C++Builder、VB等開發(fā)環(huán)境下進行設計。DSP數據采集系統(tǒng)的控制器采用TI公司最新的浮點型處理器TMS320F28335，它的最高工作頻率可達到150MHz，具有強大的數據處理能力，相比于TI公司的另一高端芯片TMS320F2812，它最明顯的優(yōu)勢在于增加了浮點處理單元FPU，可同時執(zhí)行定點和浮點運算，對于浮點型算法，如快速傅里葉變換(FFT)和有限脈沖響應(IIR)數字濾波，將會提高約50%的處理速度[5]。它的eCAN模塊為CPU提供了完整的CAN2.0B協(xié)議，減小了通信時的CPU開銷[5]。它還自帶12位ADC模塊，具有16路轉換通道，80 ns的快速轉換時間，非常適合作為數據采集系統(tǒng)的主控芯片，滿足了對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中各設備數據采集的實時性、可靠性和復雜算法處理能力等要求。

圖2 光伏發(fā)電設備監(jiān)控系統(tǒng)

4 DSP數據采樣系統(tǒng)的硬件設計

光伏匯流箱裝置帶有RS485接口，可以把測量和采集到光伏陣列輸出的總電壓、總電流和設備狀態(tài)等參數進行上傳，DSP數據采集系統(tǒng)只要通過RS485總線通信即可得到匯流箱的有關狀態(tài)參數。

4.1 逆變器輸出電壓電流采樣電路的設計

采樣電路包括信號轉換、信號濾波、信號放大和電壓提升電路等環(huán)節(jié)，電流互感器采用的是高精密的SCT214GZ，電壓互感器采用的是SPT204A，這兩款互感器都是將原邊的信號轉換為弱電流信號，所以交流電壓電流的采樣電路基本是一致的。具體電路如圖3所示，對光伏逆變器輸出的A相電流進行采樣為例進行說明，A相經電流互感器后的電流首先經過I/U變換電路，將交流電流信號轉換為交流電壓信號，之后經過電壓放大調理電路，把交流電壓信號放大至適當的范圍。因為F28335的ADC模塊的電壓輸入范圍是0～3 V，故要把交流電壓信號變換成0～3 V的直流電壓信號，對放大調理電路的輸出進行電壓提升處理，以保證輸入ADC模塊的電壓信號范圍為0～3 V，最后將電壓信號通過一個二階巴特沃斯低通濾波器以除去高頻干擾信號后送入F28335的ADC通道。

圖3 交流電流信號的采樣電路

4.2 頻率測量電路設計

光伏逆變器輸出的相電壓通過精密的電壓互感器對信號進行采集，如圖4所示，再由電壓調理電路和電壓比較器進行過零檢測，將正弦波進行整形，得到與相電壓頻率相同的方波信號，利用F28335的eCAP模塊對方波的上升沿或下降沿進行捕捉，根據通用定時器GPT單元的計數值來計算光伏逆變器輸出的電壓頻率。

圖4 頻率測量電路

5 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計主要包括工控機的監(jiān)控界面設計和DSP系統(tǒng)的CAN通信程序設計。工控機的監(jiān)控界面采用VC++開發(fā)環(huán)境進行設計，并結合USBCAN智能CAN接口卡提供的工具包軟件已完成CAN總線通信，并將接收到的報文經處理后存入SQLServer2008數據庫中[7]。DSP中的CAN總線通信程序的設計主要包括eCAN模塊的初始化、CAN報文接收和發(fā)送程序。

5.1 eCAN模塊的初始化[5]

在使用F28335的eCAN模塊前，必須對其進行初始化，初始化主要完成的工作為配置I/O引腳、CAN通信波特率的設置、設置發(fā)送及接收郵箱，圖5為eCAN模塊初始化流程。

圖5 CAN模塊初始化流程圖

5.2 CAN報文的接收程序[5]

在F28335中的eCAN模塊在接收報文時，先將要接收的報文的標識符與相應的接收郵箱的標識符相比較，只有標識符相同的報文才能被接收。為了提高CPU的工作效率，F(xiàn)28335接收CAN報文采用中斷方式接收，圖6為eCAN模塊接收程序流程。

圖6 CAN模塊接收程序流程圖

5.3 CAN報文的發(fā)送程序[5]

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設備狀態(tài)參數經過F28335后交由CAN發(fā)送程序，把報文發(fā)送至CAN總線上。發(fā)送時按照CAN數據標準幀的格式組成一幀幀報文，寫入到相應的發(fā)送郵箱，啟動發(fā)送即可把報文發(fā)送至CAN總線上，發(fā)送程序流程如圖7所示。由于DSP數據采集系統(tǒng)采集的有關狀態(tài)參數都是浮點型數據，要占用四個字節(jié)的數據長度，故一幀標準數據幀報文只能包含兩種不同類別的狀態(tài)參數，數據幀的具體定義如表1所示。F28335每隔2 s向CAN總線發(fā)送9幀報文，最后一幀的最后4個字節(jié)為結束標志。

圖7 CAN模塊發(fā)送程序流程圖

6調試與實驗結果

通過TI公司提供的CCSv3.3開發(fā)軟件、TMS320F28335數據采集系統(tǒng)、ICETEK-5100USB v2.0仿真器以及USBCAN智能CAN接口卡進行了數據采集和CAN總線通信實驗，實驗結果如圖8所示，工控機與TMS320F28335的CAN總線通信快速準確，工控機通過CAN總線從TMS320F28335讀取數據，并在監(jiān)控界面上實時地顯示了各設備的運行狀況，該工控機能同時對多套太陽能光伏發(fā)電組件進行監(jiān)控。實驗結果證明，工控機的監(jiān)控軟件可以通過USBCAN智能CAN接口卡實時地接收來自下位機發(fā)送的報文，而且實時性高，效果良好。

7 總結

為了監(jiān)控分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實時運行狀況，設計了一種基于DSP的數據采集和CAN總線的通信網絡系統(tǒng)，并將各設備的運行狀況在工控機上集中顯示。該系統(tǒng)還充分利用了TMS320F28335強大的數據處理能力，大大地提高了數據采集的速度和精度，采用CAN總線通信，提高了通信的實時性、安全性和穩(wěn)定性。分布式光伏發(fā)電建筑一體化和光伏并網系統(tǒng)將是以后發(fā)展的趨勢，基于CAN總線的分布式光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)對提高光伏發(fā)電效率、智能化控制水平以及優(yōu)化光伏發(fā)電的實時性有重要作用，有良好的應用前景。

圖8 工控機監(jiān)控界面

[1]王震，魯宗相，段曉波，等.分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性模型及指標體系[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35(15)：18-24.

[2]王成山，楊占剛，武震.一個實際小型光伏微網系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電力自動化設備，2011，31(6)：6-10.

[3]馮子陵，俞建新.RS485總線通信協(xié)議的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程，2012，38(20)：215-218.

[4]葉琴瑜，胡天友，何耀.基于CAN總線的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2012，3：76-81.

[5]劉陵順，張樹團，高艷麗.TMS320F28335 DSP原理及開發(fā)編程[M].北京：北京航空航天大學，2011.

[6]李立偉，王英，包書哲.光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的研制[J].電源技術，2007，31(1)：76-79.

[7]高陽，潘宏俠，吳升，等.基于DSP的電力設備遠程監(jiān)測分析系統(tǒng)[J].電力自動化設備，2010，30(1)：127-131.

Distributed photovoltaic power generation equipmentmonitoring system based on CAN bus

YU Yun-jun1，ZHANG Yan-fei1，WAN Xiao-feng1*，ZHENG Bo-fu2，YANG Xiao-hui1
(1.College of Information Engineering，Nanchang University，Nanchang Jiangxi330031，China;2.College ofEnvironmental Engineering，Nanchang University，Nanchang Jiangxi330031，China)

A real-time monitoring and control system based on CAN bus was designed to monitor and control the equipment in distributed photovoltaic power generation system.The TMS320F28335 was used as controller to collect the various states parameters of the photovoltaic power generation equipment，and a communication network based on the CAN bus and industrial computer was built.The industrial computer was used for concentrated display of photovoltaic power generation equipment operating status，which can be more intuitive understanding of the operating state ofeach device.It is easy to be applied to various algorithms in order to achieve them icro-grid control function.The test results show that the system achieves good results which is stable and long online real-time monitoring.

distributed photovoltaic power generation;CAN bus;TMS320F28335;equipmentmonitoring system

TM 615

A

1002-087 X(2016)07-1450-04

2015-12-01

國家國際科技合作專項(2014DFG72240)；國家自然科學基金(61563034)；江西省自然科學基金(20151BAB206051)；江西科技支撐計劃(2013BBE50102)；江西省青年科學基金(20132BAB211039)

余運俊(1978—)，男，江西省人，博士后，副教授，主要研究方向為光伏智能微網及低碳電力。

萬曉鳳(1964—)，女，江西省人，教授，主要研究方向為計算機控制與嵌入式智能儀表及光伏智能微網。