基于nRF24L01和以太網的微電網通信架構設計

貴州師范大學物理與電子科學學院 李境達 肖文君 劉萬松

基于nRF24L01和以太網的微電網通信架構設計

貴州師范大學物理與電子科學學院 李境達 肖文君 劉萬松

很多學者研究微電網通信的時，大都參考了傳統大電網，而新型的微電網具有其自身的特點，這與大電網有很大的不同，因此使得本來可以非常簡單的微電網通信系統變得非常復雜。為了解決這個問題，本文設計了基于nRF24L01和以太網的多微型逆變器微電網通信系統，詳細描述了通信系統的結構和各層之間的通信協議，實驗結果表明該通信系統穩定性好，可靠性高，完全可以滿足微電網。

微電網；無線通信；以太網；微型逆變器

1 引言

微電網具有污染少、靈活度高、效率高等特點與傳統大電網有很大的不同，因此它的通信方式與大電網也有很大的不同。文獻[1-3]參考傳統大電網設計了基于IEC61850的通信系統，對里面的各個模型進行了改進和擴充，使得本來很簡單的微電網變得非常復雜。目前世界上有很多國家都在研究微電網，也建設了許多微電網示范工程，這些示范工程多采用大容量逆變器來并網，存在安全隱患。因此本文設計了基于nRF24L01和以太網的多微型逆變器微電網通信系統，實驗結果表明該通信系統穩定性好，可靠性高，可以為微電網數據采集系統提供準確的實時數據。

2 微電網的結構

典型的多微型逆變器微電網結構如圖1所示。

圖1 典型多微型逆變器微電網結構

微型逆變器具有以下幾個優點：①能量利用率高；②每個太陽能電池板或小型風力發電機都連接一個逆變器，如果某個逆變器故障，不會對微網造成沖擊；③每個逆變器都有MPPT跟蹤功能，能使新能源發電能力得到充分的發揮；④無變壓器價格更低，減少了昂貴的功率器件用量，大大降低了成本；⑤重量輕、體積小降低了包裝和運輸成本。微型逆變器的優勢可以概括為“安裝簡單、智能、節省、多發電”。

3 微電網通信構架設計

微電網的運行控制和管理模式不同于常規電網，相對于大電網，微電網顯得十分脆弱，這就要求其有快速恢復能力與自治能力，這就對通信系統要求非常高。微電網中某些分布式電源如光伏發電，風力發電，受天氣變化影響較大；微電網并網與孤島運行方式的切換需要隨時修改微電網的控制方式，這些與傳統大電網有很大不同。這些特點導致微電網控制系統進行決策時所需的信息較傳統電網更加復雜[4]，因此，微電網通信系統與傳統電網通信系統也有所區別[5,6]。例如在主從控制方式下，微網在并網運行情況下，當大電網出現故障，微網處于孤島運行狀態，此時系統必須檢測到孤島狀態，主控電源必須改變控制策略，給微網提供電壓和頻率支撐。在微網孤島運行時，如果部分分布式電源發生故障，系統必須馬上檢測到，并迅速關閉靜態開關，以維持微網的能量平衡。因此微電網的通信比大電網要求要高很多，必須根據實際情況，規劃設計微電網通信系統。

根據微電網的結構設計出的微電網通信系統如圖2所示。每一個發電單元或者用電單元與測控單元的通信連接叫一個結點，每個測控單元連接多個結點。目前通信技術較多，大體可分為有線和無線兩類。根據本文研究的微網結構特點測控單元與現場設備之間的通信設計采用無線通信，連接在微網母線上的微電源和負荷容量都相對較小、重量輕，有時需要移動或者擴充容量，這就要求系統的結構要非常靈活，無線通信就可以解決這個問題，沒有電線移動起來更加方便。測控單元與監控中心之間的通信設計采用工業以太網進行通信，工業以太網可以多種介質傳輸，傳輸速率可達1000Mbps，非常適合用于微網的通信。

3.1 測控單元與現場設備之間的通信

如圖2所示，微網通信結構分為三層，其中第二層的測控單元的控制器是AVR單片機其與現場設備之間的通信采用nRF24L01無線模塊進行通信。nRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發器芯片，其有六個數據通道，在接收模式下可以同時接收來自六個通道的數據，這種通信特點正好適合本文研究的微網通信結構，而且其傳輸最大速率為2000kbps，完全可以滿足現場的通信速度需求。

圖2 微電網通信結構圖

測控單元與現場設備之間的通信構架如圖3所示，由多個微型逆變器組成的微電網一個顯著的特點就是與交流母線連接的支路較多，因此本文通信以支路為單位，每個支路與測控單元的通信連接叫一個結點。例如1號太陽能電池板所在的支路為結點1，它的現場通信設備就是逆變器上的通信模塊，可以將現場的實時數據以數組的形式發送到測控單元1。nRF24L01擁有6個數據通道，每一個數據通道使用不同的地址，但是共用相同的頻道。本文設計每個測控單元利用數據通道1-5分別和下屬的五個結點進行雙向通信，即每個結點都有自己的數據通道與相應的測控單元進行雙向通信；結點上的運行數據可以傳送到測控單元，測控單元可以把控制指令下發到相應的結點上。測控單元與每個結點除了利用相應的數據通道進行雙向通信之外，本文還設計了廣播的通信方式，一旦控制中心需要給現場各個支路發送控制命令時，利用廣播的方式可以實現指令的快速傳送實現控制的同步性。測控單元到個結點的廣播通信采用數據通道0來實現。

圖3 測控單元與現場設備之間的通信

3.2 測控單元與監控中心之間的通信

測控單元與監控中心之間的通信，即圖2所示的中間層與集中控制層之間的通信。為方便描述，把微電網監控中心定義為上位機（服務器），測控單元為下位機（客戶端）。

下位機網絡通信端的主要任務是完成測點數據的以太網傳輸以及接受上位機控制指令，實現單片機與Internet的TCP/IP通信。本文研究的下位機網絡適配器采用的是RTL8019AS芯片，硬件設計如圖7所示，其中單片機選擇ATmega128，與以太網接口的芯片采用RealTek公司的RTL8019AS，RTL8019AS 是10Mb/s 以太網接口芯片，ISA 接口。同時通過MAX232 與PC 機或其它調試機連接，可以顯示調試或相關信息。由此可見，實現單片機上網的硬件電路比較簡單，因此成本也比較低。

圖4 下位機通信硬件設計結構圖

上位機通過LabVIEW圖形化G語言編寫服務器，使之實時偵聽來自下位機嵌入式網絡客服的數據。

4 結束語

文章首先介紹了典型的多微型逆變器微電網結構，根據微電網的結構特點設計了三層的通信方式，第一層與第二層之間采用工業以太網進行通信，第二層與第三層之間采用nRF24L01無線模塊進行通信，并對通信系統的硬件做了詳細的描述。多微型逆變器微電網屬于小型微電網，適合一個家庭或者小型研究室使用。實驗結果表明，該通信系統完全可以滿足微電網SCADA對數據采集的要求。

[1]辛紅汪．基于IEC61850的微電網自適應保護系統的設計[J]．智能電網,2015(4):337-343．

[2]袁新喜,談志遠,陶維青．IEC61850標準在微電網中的應用探討[J]．電測與儀表,2012,49(7):49-53．

[3]蘇建徽．微電網精密時鐘同步技術[J]．電力自動化設備,2016,36(11): 40-44．

[4]姜桂林．獨立微電網監控系統組態設計[J]．內蒙古師范大學學報,2015,44(5):600-604．

[5]張佳斌,楊歡,趙榮祥,胡驊．微電網通信系統研究綜述[J]．華東電力,2011,39(10):1619-1625．

[6]張海寧,劉衛亮,徐東東．基于LabView的微電網監控系統設計與實現[J]．國網技術學院學報,2015,18(5):28-31．

李境達（1986—），河北邯鄲人，碩士，助教，主要研究方向：新能源發電技術與微電網控制方法。

貴州省科學技術基金（黔科合J字[2014]2124號）；貴州師范大學課程—團隊建設項目（項目編號：KT2014007H）。