一種面向光伏發電的集成網關設計與實現

李 帥， 杜吉龍， 劉振國， 鄭伊笑， 吳遜怡

（北京機械工業自動化研究所有限公司， 北京 100120）

0 引言

為實現我國“雙碳”戰略目標，我國大力推進光伏發電項目。據國家能源局統計，僅在2022 年，太陽能發電新增8741 萬kW。23 年4 月，國家能源局發布了《2023 年能源工作指導意見》，明確提出“2023 年風電、光伏裝機增加1.6 億千瓦左右”的目標。 現如今，光伏發電地位日益突顯、行業發展迅速，很多企業和組織都開始嘗試投資建設光伏發電項目，大幅提高了清潔能源利用率，目前已成為引領我國新能源經濟的龍頭行業之一。

在光伏發電系統中涉及的設備類型和數量通常很多，如光伏逆變器、光伏并網斷路器、監測設備、傳感器等，這些設備產生的數據非常龐大。 隨著光伏系統規模持續擴大，項目呈現地域分布廣、設備規模大、數據量劇增等特點，使得光伏系統的監測和管理變得越來越復雜。 集成網關的出現可以實現數據采集、處理和上傳，從而實現對光伏并網系統進行集中監測和管理。

隨著互聯網技術的普及深入，在光伏發電領域，同樣需要通過互聯網技術實現對光伏系統的實時監測和管理，并將數據實時傳輸到云端平臺。 集成網關就是支撐這個互聯網技術平臺的核心設備， 集成了多種通信協議和數據格式，可以實現對光伏發電系統進行全面、高效的集中監測和管理。

1 基于光伏集成網關的發電系統結構

基于光伏集成網關的發電系統結構如圖1 所示，光伏板先將太陽光能轉化為電能，并將其輸送給匯流箱。匯流箱將多個光伏板的電流集中到一起， 并通過直流電纜輸送給逆變器的設備。 逆變器將收到的直流電轉換為交流電。它將直流電轉換為與電網標準相匹配的交流電，并將其注入電網前端的光伏開關。 光伏開關根據發電及用電情況，控制光伏系統同電網的連接和斷開，起到保護電網，保護本地光伏發電設備的作用。集成網關是光伏系統的核心數據交互設備，負責監控、控制和管理整個系統。它接收來自逆變器、光伏開關和匯流箱的數據，并進行處理、存儲、分析和上傳。集成網關通過4G 網絡與電網云平臺數據交互，實現遠程監控和發電管理功能。

圖1 基于光伏集成網關的發電系統結構圖

2 集成網關的功能

2.1 數據采集

在光伏發電系統中， 集成網關通常需要采集各個設備所產生的大量數據，包括電能質量、電能數據、統計記錄、凍結數據等信息。 對于一些常見的設備，如光伏逆變器、光伏并網斷路器、電能數顯表等，可以通過485 通信并訪問各設備的寄存器的方式進行數據采集， 以獲取更加全面的數據信息。

為了實現這一數據采集功能，本設計選擇了GD32F103RET6作為主控制器， 并采用SP485 作為485 通信芯片。 采用Modbus-RTU 串行協議， 通過RS-485 串行接口進行通信，實現各光伏設備之間的數據交互。在進行數據采集之前，首先需要獲取現場設備的實際總線地址，并進行通信參數設置。 為此，筆者設計了一款集成網關配置軟件，可通過一鍵配置來實現。 該配置軟件示例如圖2 所示。

圖2 集成網關配置軟件

在獲取設備配置后， 我們可以通過讀取和寫入寄存器的方式，向目標設備發送讀取或寫入設備數據的請求。一旦設備接收到請求，它會將相應的數據放入寄存器中，并將寄存器中的數據返回至集成網關。通過這種方式，集成網關可以采集到各底層設備的詳細數據信息。

2.2 數據上傳

在光伏發電系統中， 數據上傳至云端平臺也是至關重要的一部分。為了實現高效的數據上傳和管理，集成網關在硬件設計上采用域格CLM920_YV9 通訊模塊。 該設備能夠支持GPRS、LTE 等多種通信方式， 采用最新的通訊技術規范，實現高效的數據上傳和下載。在軟件功能設計中，首先需要配置設備的運行參數，包括APN、MAC 地址等信息。 然后通過調用相應的AT 指令，將采集到的數據上傳至云端平臺。可以設置上傳周期，以實現定時上傳或實時上傳。 在數據上傳時采用國際通用電力規約IEC104 協議， 它是一種常用于在自動化系統中傳輸遙測、遙信、遙控和保護信息的通訊協議。通過該協議，可以將采集到的光伏發電系統中的各項數據發送到對應的云數據平臺，實現對數據的遠程監測和管理。

2.3 系統管理

集成網關可以對光伏系統進行全面的監測和管理，包括設備的遠程控制、運行狀態的監測、異常報警等。 例如可實現報警檢測： 集成網關通過對采集的數據進行異常檢測來判斷系統是否有異常情況， 如系統的電壓是否過高、電流是否過載、溫度是否過高等。 如果檢測到異常情況，集成網關會及時報警并采取相應措施。這樣光伏系統的運行情況、故障信息、設備狀態等均可以通過互聯網及時傳遞到設備控制中心， 設備操作人員可以及時了解系統的運行情況，及時進行調整和控制。同時做到系統優化：集成網關可以通過對數據采集、傳輸、處理、監測等多個環節的優化，提高光伏發電系統的運行效率，從而減少系統的宕機時間，并降低運維成本。

3 集成網關的特性

3.1 多協議和多設備支持

集成網關能夠與多種品牌和設備進行通信， 并適配它們的通信協議，如華為、陽光等品牌逆變器，匯流箱，光伏開關等。通過支持多種通信協議，集成網關可以與不同品牌和設備之間進行無縫的數據交換， 實現與各個光伏設備的通信和數據采集。同時，集成網關可以同時管理光伏發電系統中的多種設備類型，包括光伏逆變器、光伏并網斷路器、 傳感器等， 將不同設備的數據進行整合和匯總，實現對整個光伏發電系統的集中管理和監控。

3.2 高效穩定性

集成網關具有高效的數據采集、處理和上傳功能，幫助光伏發電系統提高運行效率和性能。同時，集成網關的高穩定性保證了數據的準確性和穩定性， 確保光伏發電系統的正常運行。 這對于保障光伏發電系統的穩定性和安全性具有重要意義。

3.3 物聯融合與集成化

現代光伏發電系統對物聯網技術的需求越來越高，集成網關能夠輕松實現與物聯網技術的融合， 實現對光伏發電系統的遠程監管和管理。另外，集成網關被設計成小型化和模塊化的插拔式結構， 可以直接集成至現場光伏斷路器設備中，充分利用設備資源，為管理和監控分布式光伏系統底層各設備提供硬件基礎， 使得整個系統更加緊湊和高效。

4 集成網關的主要研究內容

集成網關的主要研究內容包括： 對主控板和通訊板的硬件設計；對上行IEC104 規約以及下行各設備協議解讀的軟件設計。 實現服務于光伏并網系統的集成網關的設計，如圖3 所示。

圖3 光伏集成網關的主要研究內容

4.1 集成網關的硬件設計

硬件共有兩部分組成：主控板和通訊板。光伏集成網關硬件結構框圖如圖4 所示。根據實際需求，硬件采用小型化、集成化、可插拔設計。在主控板中下行設備通訊部分采用485 通訊方式，利用485 通訊芯片，同單片機的UART的TXD、RXD 引腳，以及R/T 控制腳相連接， 實現485 通訊控制。485 原理如圖5所示。

圖4 硬件結構框圖

圖5 485 通訊原理圖

在通訊板采用性價比高、體積小的域格YV9上行通訊模塊，同時為了確保穩定的數據傳輸，光伏集成網關的硬件設計采用大功率的開關電源設計， 這既可以提高光伏集成網關的性能， 也可以降低系統出現意外故障的風險。 利用TD1482AP 開關電源芯片及外圍相應電路滿足其供電需求。 電路圖如圖6 所示。

圖6 供電電源原理圖

以上設計滿足了光伏集成網關的硬件需求，可以保證系統的高穩定性和高可靠性，實現穩定、安全、快速的數據傳輸。

4.2 集成網關的軟件設計

在集成網關設備初始啟動時，會首先進行初始化，并檢索所有配置的信息參數并將其加載到內存中， 然后根據配置情況開始輪詢下行485 設備。 依靠IEC104 規約，集成網關設備開始與電力管理平臺相連， 通過首先發送MAC 地址來完成注冊和激活操作。 此時，集成網關設備已準備就緒，可以向電力管理平臺發送采集到的遙測、遙信等數據，如圖7 所示。

圖7 軟件具體流程設計

在設備連接上電力管理平臺后， 集成網關會自動開始定時每7 分鐘上傳遙測數據， 并實時檢測遙信數據是否存在突發情況。 如果遙信數據產生突變，例如出現設備故障或下行通信中斷等情況， 集成網關會立即上傳突發數據信息。 在這種情況下， 平臺可以快速響應并采取必要的行動來保障系統的穩定性和可靠性。

5 集成網關應用驗證

本光伏集成網關已應用在在浙江衢州某些產業園的分布式光伏發電系統中，結合光伏云平臺，本設計在實際應用中已經得到了驗證，同時也說明本文所設計的光伏集成網關具有廣泛的適用性及穩定性， 如圖8～圖11 所示。

圖8 光伏集成網關成品

圖9 集成網關后臺IEC104 協議數據解析

圖10 平臺根據集成網關上傳數據繪圖

6 結論

綜上所述，在光伏應用中，集成網關作為分布式光伏并網系統的核心通信部件起到了至關重要的作用。 使用者通過集成網關可對光伏發電系統中的光伏電池組、光伏逆變器、 光伏并網開關等設備進行數據采集和遠程管理，從而實現光伏并網的數字化、智能化和自動化的綜合管理。