基于Modbus協議的光伏電站控制系統的設計與實現

俞 昊

（上海電氣分布式能源科技有限公司，上海 201199）

0 引 言

隨著時代的發展，自然資源的使用量越來越大，一些不可再生資源存在有限性。對此，為了加快社會的發展，開發新能源顯得具有重要意義。為了推動社會的可持續運作，新能源的開發項目越來越多，開發過程的核心在于經濟性和環保性。基于此，太陽光伏電站具有得天獨厚的優勢，如具有獲取容易、污染小以及廣泛分布等特點。但為了能夠有效進行開發應用光伏電站控，仍需要科學合理地規劃設計，注重協議的可靠。本文基于Modbus協議論述光伏電站控制系統的設計與實現，希望能夠為有關單位提供參考。

1 Modbus通信協議規范

1.1 網絡體系結構

結合Modbus TCP協議分析，其網絡體系結構主要分為網絡層、傳輸層以及應用層，如圖1所示。網絡層能夠從報文中提取通信設備在網絡層的信息，分析字段信息，并將特征描述出來，如N=(SIP,DIP)，以SIP為通信設備的源址，DIP為IP地址。傳輸層在網絡通信交互過程中負責將數據進行可靠地傳遞，該環節的作用為提取傳輸層中的源端口號、目的端口號以及序列號。應用層為協議數據傳輸的中心部分，主要作用是提取Modbus應用層的信息，深度檢測模塊解析后的數據流[1]。

1.2 Modbus串行鏈路分析

對于Modbus模型來說，數據源信息在其代碼部分封裝，書寫一次的這類代表可實現重復利用，如手機移動端、電腦網頁的不同視圖，能夠順利獲取重用性更高的代碼。具體串行鏈路分析中，主要對Modbus應用層報文進行分析，統計每個字節的大小。與此同時，可以將各類協議字段的字節大小以S向量給予標志，如長度、線圈、功能碼、協議標志符、單元標志符以及事務處理標志符等，通過這種處理方式便能夠得到同一數據包內的各個字段語法關系。

對于工業總線通信來說，其中的關鍵當屬串行Modbus通信協議，需得到數據交互模型的支持，模型為主從式Slave-Master。一般情況下的物理通信模式接口與協議可選擇RS485和RS232，Slave通信請求能夠由Master節點提供支持，最大數量為247個[2]。設計應用過程中，多采用標準的32接口支持模式，這種協議具有方便和簡潔優勢，數據交互的質量在工業總線物理鏈路下能夠實現長足提升，同時取能夠得更快的速率。

1.3 Modbus/TCP鏈路分析

分析Modbus/TCP鏈路，結合流量相位差特性可以得到Modbus TCP網絡流量中主、從通信數據包具有相位特性。在封裝處理通信協議數據包環節，在數據包分割技術支持下，以太網TCP/IP可分割協議數據包為多個數據段，MBAP數據段標記能夠由協議技術Modbus/TCP提供。數據段如果所處的Modbus協議數據包相同，則可通過復合式數據結構完成結構定義統一[3]。因此，在處理單元PDU/ADU的過程中，技術應用還需要關注標記單元MBAP的針對性處理。Modbus/TCP協議技術數據包處理模型如圖2所示。

圖2 Modbus/TCP協議技術數據包處理模型

常規網絡通信狀態下，會計算Response數據包和Query數據包之間的間隔時間，分析得到同一功能行為中的數據包周期。在數據平臺中，不同類簇的功能行為存在不同的相位特性，利于提高檢測精度。

2 系統總體方案概述

在設計光伏電站環節，生產和運維管理的實現離不開運維管理平臺支持，為了實現設計目的，需要給予科學合理的規劃設計，能夠滿足大量數據的傳輸，配備多種功能模塊。運維管理平臺能夠顯示電站實時動態等各類信息，如匯流箱、光伏組件、逆變器、輻射強度以及發電量統計等實時運行的重要設備狀態。結合具體數據，操作人員則能夠對電站的運行狀態給予監測，快速、準確地判定故障，及時給予維修和處理等。

2.1 系統功能需求分析

2.1.1 采集質量檢查功能需求

光伏電站控制系統硬件系統與網絡結構具有復雜性，對此在電力電流等相關數據的采集過程中，很容易因各類非計劃因素出現用電信息異常、錯誤等問題。為了避免這些問題的發生，需要在設計中注重方法，按照現場實際條件統籌考慮，確保采集的準確性和穩定性[4]。

2.1.2 設備監測管理功能需求

系統設備運行時，元件和設備的數量相對較多，對此為了實現設備狀況的實時監測和科學管理，應給予實時監測管理。進行系統信息的采集需要對設備數據進行建模，并建立設備之間的關聯。

2.1.3 手動采集管理功能需求

系統運行中，除了自動采集數據外，還應設置手動采集方式，可以在系統采集異常或驗證數據的準確性上提供另一種備選方案。

2.1.4 數據收集功能需求

針對光伏電站的建設而言，應具備數據收集功能，以能夠實現及時的數據分析，形成分析結果，作出相關反應，確保系統的運行穩定、安全。由于電站設備數量較多，產生的數據也具有多元化特征，對此應進行數據的分類采集和處理[5]。為了確保電站所處的環境具有健康特性，還需要對環境給予監測，包括環境溫度、濕度、風向變化以及輻射強度等。相關數據采集過程，都可以結合現代化自動監測設備，形成數據，輸送到數據處理中心，再做相關邏輯對比，發出相對應的信號。

2.1.5 數據服務功能需求

電站運行過程中，數據服務是重要的一環，對電站的運行質量具有重要影響。為了能夠實現數據的可靠運輸，設有數據服務器負責接收電站數據，提供數據訪問服務，數據服務層對外主要展示數據，為實現對系統穩定運行的維護，內部數據需得到數據調度、數據組織模型以及存儲策略等功能的支持。

2.1.6 數據的在線實時展示功能需求

光伏電站系統基于大量數據的分析、對比，確保系統自動化運行的穩定、可靠。電站運行過程中也會產生大量的數據，對于電站的長久穩定運行具有重要意義。具體而言，結合電站設備管理系統，可以實時分析數據，結合統計圖對比分析，利于加強對電站運行狀態的了解。具體而言，查詢統計數據過程中能夠細致展示設備的實時數據和環境數據，同時也能夠展示歷史數據，以此開展針對性對比，可供管理者針對提供的信息更好地決策，電站的安全穩定運行也能夠更好得到保障[6]。此外，還需要做好技術履歷和狀態管理工作，以此管理電站智能設備，并保證查詢能夠基于區域進行，即可直觀了解詳細設備信息。大幅降低日常生產中管理員在設備維護方面耗費的時間和精力。

2.1.7 App視頻實時監控功能需求

光伏電站通常會建設在人煙稀少的區域，以確保安全，而且為了確保光伏電站的運行安全，進行實時的視頻監督也具有十分重要的意義。與此同時，結合現代化通信技術，采用App方式進行監控變得可行。在光伏電站應用該系統設備，有利于維護電站的運行穩定、健康可持續，避免發生有關問題。如結合App軟件，工作人員可以隨時查看每個監控位置，進行記錄和跟蹤，確保巡檢質量。

2.2 系統的總體設計

光伏電站系統的總體設計過程中，主要結合6種元器件，具體為光伏組件、匯流箱、配電柜、逆變器、變壓器以及蓄電池。系統工作流程如圖3所示。

圖3 光伏電站發電系統流程圖

2.3 數據采集子系統的設計方案

在Modbus通信方案設計環節，通信功能的科學設計極為關鍵，具體涉及現場硬件與采集點設備的Modbus通信功能以及各個通信節點與Web服務器的以太網通信功能[7]。具體設計采用串行Modbus協議和Modbus/TCP協議，在協議約束下，通信數據包格式能夠有效規范，同時存在沒有固定要求的底層物理通信介質，發送前和接收后的數據包僅需要滿足協議規范要求即可發揮預期效果，具體處理需結合協議的數據域幀格式與頭部格式進行。

2.4 數據處理子系統設計方案

光伏電站涉及的設備較多，形成的數據分為多種，相關數據的有效收集需要子系統的合理發揮作用。收集過程主要結合各個傳感器，通過已構建好的網絡收集、轉換以及處理各類數據，實現對系統的控制分析。對于數據處理子系統，在采集數據環節，依托網絡技術和通信技術以及現場安裝的傳感器和通信設備即可實現數據的遠程采集和自動記錄存儲。數據庫的分析也能夠依托數據庫高效開展，這對工作效率提升能夠帶來積極影響，數據分析人員的工作效率和質量也能夠隨之有效提升。

2.5 遠程控制子系統設計方案

控制系統不僅要服從電網的電調指令，并從現場的實際情況出發，以并網點的電表作為實際值，以電調指令作為目標值，根據兩者的差值，進行不間斷地修正。使實際值在規定的時間周期內逐漸逼近目標值，并達到最后的收斂，保證其滿足目標值的合理偏差。

2.6 通信模塊設計方案

雖然Modbus通信報文比較通俗易懂，但是很多設備制造商提供的Modbus協議都會有稍許的出入。有些起始地址不是從默認的“0”地址開始，而有些數據的格式，高低字節會互相顛倒，特別是長整型數據，有ABCD、BADC、CDAB以及DCBA這4種。更有甚者，通信的幀序號只能計數到128。為此需要設計一個能兼容上述情況，并根據不同設備的Modbus“變種”協議進行可配置的通信采集模塊。

3 系統設計

3.1 實時緩存設計

光伏電站中的設備僅僅能采集到數據，遠遠無法滿足統計分析和遠程控制的要求。每一種設備之間都有一定的層次關系和邏輯關系。需要將“共性”和“個性”數據融合在一起，組成一個新的數據模型。在這個新的數據模型中包含了不同種類的設備，和同一種類下的多個設備。每一次的數據采集都是維護了該數據模型最新的數據庫快照。同時該數據模型提供了統一的對外訪問接口，其他子系統可以按照不同的業務需求和權限進行數據的讀寫。按照系統的存儲機制，可以定期將緩存的數據批量導入到數據庫中作為數據持久化的基礎，實時緩存起到了一個承上啟下的作用[8]。

3.2 數據采集子系統軟件設計

為了提高采集系統的采集頻率，同時又要滿足采集系統的可靠性，采集子系統需要設計成多線程的模式。每一個采集線程負責管理某一個具體設備的通信交互，需要具有斷線重連的機制。另外需要有一個守護進程來管理采集線程，當采集線程出現奔潰或者異常的時候能夠重新啟動。最后采集線程需要和實時緩存中的模型對應，將采集的數據映射到模型中。

3.3 數據處理子系統軟件設計

數據處理系統按照不同的數據維度、數據內容以及類型，采用了和采集子系統類似的多線程的模式。每一個線程只負責一個維度或者類型的數據加工、重組與統計。對于很多的歷史數據，無需每一次都從數據庫中進行查詢，直接從數據處理子系統中就可以獲得。

3.4 遠程控制子系統軟件設計

控制子系統是光伏系統中最重要的環節，由于需要24 h不間斷地運行，因此對其穩定性、可靠性以及實時性提出了很高的要求[9]。針對這種特殊的應用，需要將此子模塊設置成主從熱備的方案，主從兩套系統可以同時收到電調指令，但是同一時刻只能有一套系統發出調整指令。當其中一套系統出現故障，由另一套備用系統來接管，并發出調整指令，同時重啟故障系統，重啟成功后作為備用系統互為冗余。

4 系統功能測試與驗證

光伏設備運維平臺系統的設計是以電站運營需求作為出發點，同時利用MVC的設計模式，控制平臺中的模型層、視圖層以及控制層，這樣的分離方式縮小了成本的預算，平臺具有了更高的擴展性。當電站在需求上發生了變化時可以實現對功能的及時調整，經過測試系統性能后，得到的檢測結果使得系統各個模塊之間工作都十分順暢。所抓取的數據準確性較高，數據的輸出也具有較高的合理性。

原先的海外光伏電站項目，由于信息的不對稱，90%以上的監控軟件都是由國內的少數幾家電企壟斷。特別是最近幾年帶有儲能的光伏項目居多，根據電站的規模，采集的點位數量往往在50 W以上，需要加裝大量的通信管理機，從成本和實時性上不能滿足項目的需求[10]。而在項目周期上來說，可以將系統的調試周期縮短到兩周，缺少了額外的采集裝置，實時性上也得到了極大地提升。

5 結 論

系統的后期調試部分與之前的項目相比周期得到了縮短，資金的投入也較少，實時性也得到了提高。例如，在平臺中的故障管理模塊中，對定位、檢測以及類別檢測都進行了分開計算，研制出了適合光伏電站設備運維的平臺算法，不僅可以實現對光伏信息化的管理及對故障的判斷，而且提高了判斷的準確性，使得光伏電站的運行情況可以被更加直觀地展現，同時可以及時準確地了解出現故障的位置，排除了運行過程中危險因素，保證了光伏電站的安全運行。隨著技術的不斷發展，光伏電站診斷算法會更加智能化，而且智能化診斷算法的種類也會隨之增加，越來越多的新型算法會推動光伏電站得到更好發展。