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1、基于虚拟串口的光伏监控集中式通信方案廖辉1, 2 ,杨静1, 2 ,于杨1, 2( 1.国电南瑞科技股份有限公司,江苏省南京市211106;2.智能电网保护和运行控制国家重点实验室,江苏省南京市211106)摘要:近年来随着光伏产业迅速发展,光伏监控系统愈发受到重视。针对光伏电场设备众多、布局分散、采用串行总线的通信特点,介绍了一种基于虚拟串口的光伏监控集中式通信方案。提出采用串口服务器为智能设备在以太网上建立虚拟串口通道,通过集中式通信前置机直接与设备交互,从而取消分布式通信前置机,达到节约投资、提高调试效率的目的。文中提出了虚拟串口的映射方法,并对大量虚拟串口共存情况下的系统通信效率和网络
2、负载进行了分析。通过设计的产品原型在一个20 M W光伏电站中验证了其可行性。关键词:太阳能发电;光伏电站;光伏监控; TCP/ UDP; M odbus协议;虚拟串口收稿日期: 2015- 06- 16;修回日期: 2015- 11- 16。上网日期: 2016- 02- 03。0引言近年来,太阳能光伏发电在中国得到了迅速发展,新建了大量光伏电站,其中光伏电场在整个电站中的投资占比较大 1- 2 。光伏电场内逆变器、汇流箱、箱变测控、交流表、直流表等智能设备数量众多,信息传输量非常大 3 。现有光伏监控系统多沿用传统变电站的分布式通信架构 4 ,在每个逆变器小室各设置一台通信前置机,就近接入
3、现地的智能设备,然后将采集的信息经规约转换后再上送后台。光伏电场中智能设备分布很广,大多采用串行通信接口,通信距离有限,其所需的通信前置机数量高达数十甚至上百台,远多于传统变电站。通信前置机承担着规约解析和转换的作用,软件复杂度较高,因此,调试工作量大、价格也不低。大量的通信前置机不仅导致投资成本居高不下、影响建设工期,而且为后期的日常维护、升级改造带来不便。本文结合光伏电场的通信特点,利用以太网传输控制协议/用户数据报协议( TCP/ UDP)和RS-485/ M odbus的协议特性,将原有分布式通信前置机替换为串口服务器,由串口服务器为智能设备在以太网上建立虚拟的传输通道(即虚拟串口)
4、,并在主控室设置一台集中式通信前置机,通过串口服务器的透明传输直接与现地的智能设备通信,简化了通信接入。本方案中,串口服务器成本低廉、维护简单,通信前置机数量减少到一台,投资成本下降明显,同时管理集中,维护更加方便。1 光伏电场通信特点光伏电站多建设在新疆、西藏、内蒙古等太阳能资源丰富的地区,装机规模多在几十兆瓦至几百兆瓦之间。在光伏电站中,光伏电场占地很广。光伏电场内分布有大量的太阳能光伏电池板、汇流箱、逆变器和箱变。一般情况下,每1 M W装机容量组成一个方阵,每个方阵布置有1至2台逆变器、 1台箱变、十几个光伏汇流箱以及多个交流表、直流表等智能设备,整个光伏电场多达数十至上百个方阵。光伏
5、电场内的智能设备普遍提供RS- 485/M odbus通信接口。 RS- 485是一种串行接口,采用总线式拓扑结构,同一总线上最多挂接32个节点,其通信速率与电缆长度成反比,是一种便捷、可靠的通信方式。 M odbus是一种问答式的通信协议,适用于RS- 485这种半双工的现场总线。受光伏电场环境影响, RS- 485总线稳定的通信速率为9 600 bit/ s,距离为数百米。因此,每个方阵中的智能设备只能就地组成RS- 485总线网络,汇聚到逆变器小室后再通过以太网与主控室远距离互联。光伏电场监控系统需要准确、及时、全面地收集电场运行管理所需的各种信息,包括整个电场内逆变器、汇流箱、箱变等各
6、监测点的实时电气参数,监视的信息量非常大。同时,监控系统还要及时响应调度的功率控制命令,远程控制逆变器的启动、停221第40卷第1 0期 20 1 6年5月25日Vol. 40 No. 10 M ay 25, 2016DOI: 10. 7500/ AEPS20150616015http: / / www. aeps- info. com止,调节实时功率。按照光伏电场监控系统的技术要求 5 ,模拟量越死区传送时间应不大于2 s,开关量变位传送时间应不大于1 s。2系统网络架构本文设计的光伏监控系统采用分层、分布、开放式的网络架构,划分为场站控制层及现地控制层两个功能层次,其中场站控制层为集中管理
7、层,现地控制层为网络接入层,如图1所示,图中场站控制层采用双星形以太网结构,所有场站端设备(包括后台机、远动机、前置机等)均挂接在场站控制层网络上。现地控制层通过RS- 485现场总线方式采集现地生产设备的各种运行状态,并通过光纤以太网通信方式与场站控制层连接,实现数据的上传和下达。GPS E C* 44 + 0 E E 4E 1 E NE!00 ,=NET1NET2NET3A 4 E!00 ,= 3( 4图1光伏监控系统网络架构Fig. 1 Network structure of photovoltaicmonitoring system光伏电场内所有逆变器小室组成光纤环网,逆变器、汇流箱
8、、箱变测控、交流表、直流表等串口设备通过小室内的串口服务器上网,由串口服务器通过TCP/ UDP,将真实串口映射为通信前置机内的虚拟串口,实现串口协议与网络协议的透明转换。此方式下,通信前置机直接访问逆变器小室内的所有智能设备,通过集中通信进行集中管理,减少了通信前置机的数量,提高了通信调试的效率。3实现原理3. 1 协议分析光伏电场内智能设备普遍采用的M odbus协议是由M odicon公司在1979年发明,是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。在中国, M odbus已经成为国家标准GB/ T 19582 2008 6 。目前,支持该协议的厂家已超过400家,产品超过600种。在电力系
9、统中也得到了广泛应用 7 。据不完全统计:截至2007年,节点安装数量已经超过1 000万个。 M odbus支持串行网络传输,协议采用“主从”查询技术,即网络上只有主机能启动数据传输(称查询) ,而从机则根据主机的查询作出响应,仅被寻址到的从机返回查询数据。主机读写从机寄存器获取和更改从机中的数据,每次报文交互的数据量不超过256字节。TCP和UDP是工作在以太网传输层的两个核心协议。其中, TCP提供一对一且面向连接的可靠通信服务,而UDP则提供一对一或一对多且无连接的不可靠通信服务。 TCP在传送任何数据前必须先建立连接,然后在会话过程中由接收端通过序列号的确认来确保数据的可靠传输。 U
10、DP不需要建立连接,可以减少开销和发送数据之间的时延;同时不使用拥塞机制,不保证可靠交互,因此主机不需要维持具有许多参数、复杂的连接状态 8 。在光伏电场中,电磁干扰强烈,数据源容易受到污染。 TCP虽然可以保证以太网的传输过程可靠,却无法解决现地串行总线上的数据干扰,同时也给通信主机和网络负载增加了负担。 UDP单个数据包可以容纳的数据量满足M odbus协议要求,虽然其自身不能保证可靠传输,但在通信程序提供可靠传输的机制情况下,使用UDP更加高效。综合比较后,本文选择UDP实现虚拟串口。3. 2串口映射每个串口服务器有一个独立的IP地址,通过IP地址可以寻址到串口服务器。串口服务器拥有多个
11、串口,每个串口的数据流在以太网上应各自独立。网络端口与服务绑定,通过IP地址和网络端口号可以确定唯一的服务。因此,可以将串口号映射成网络端口号,通过“ IP地址+网络端口号”为每一个RS- 485总线建立独立的虚拟串口通道。网络端口分为三类:一类是公认端口( 0 1023) ,它们紧密绑定于一些有明确定义的服务;一类是注册端口( 1024 49151) ,其绑定的服务非常松散;另一类是动态端口( 49152 65535) ,理论上不应为服务分配这些端口。本文选择注册端口( 90019008)用于虚拟串口服务。4系统实效分析光伏电场内,所有串口服务器的串口均映射到321廖辉,等基于虚拟串口的光伏
12、监控集中式通信方案以太网形成虚拟串口通道。而以太网在进行通信传输时所产生的通信延迟主要包括:排队延迟、发送延迟和传播延迟 9 。采用T delay, T queue, T send, T trans分别表示通信延迟、排队延迟、发送延迟和传播延迟,则有T delay = T queue + T send + T trans ( 1)其中排队延迟的产生是由于多个节点同时发送信息发生冲突,导致冲突节点等待重发。理论上,排队延迟与冲突次数有关,时间无法确定。然而M odbus属于查询式协议,查询机制受通信前置机控制,报文流量平稳。试验证明,在网络负荷不超过以太网通信能力的情况下,这种调度发送机制几乎不
13、会出现排队延迟。发送延迟取决于帧的长度和以太网的通信速率。用L表示帧的长度, V表示以太网的通信速率,则发送延迟可以表示为:T send = LV ( 2)对于100 M bit/ s以太网,假设帧长为256字节,再加上前导码8字节,则该帧的发送延迟为26. 4 s。传播延迟取决于信号的传播速率、源节点和目的节点间的物理距离以及中继器数目。 IEEE 802. 3规定,任何两个节点间的最大传播延迟不超过25. 6 s。可见,虚拟串口通道的通信延迟不超过100 s,通信实时性不受影响。此外还需要关注的是:在一个规模较大的光伏电场中,成百上千个虚拟串口通道同时存在时,以太网的带宽是否会成为瓶颈?假
14、设在一个200 M W的大型光伏电站中,共有200个逆变器小室和200个串口服务器,每个串口服务器有4个RS- 485口。串口速率为9 600 bit/ s,8位数据位, 1位起始位, 1位停止位,无校验。M odbus每次查询发送8字节,从设备响应100字节。串口通道的占用比为90% 。则单个串口的数据流如下:每秒字节数= 9 600/ ( 8+ 1+ 1+ 0) 90% = 864;每秒报文包= 864/ ( 8+ 100) 2= 16。如图2所示,参照UDP的以太网数据包格式,每个UDP包除应用数据外,还有42字节的数据报头。因此,单个串口产生的数据映射到以太网上,其对应的虚拟串口通道的
15、数据流如下:每秒字节数= ( 42+ 8) + ( 42+ 100) / 2 16= 1 536;通信带宽=12 kbit/ s。由此可见,即使在200 M W的大型光伏电站中,串口占用比非常高的情况下,总带宽仅为9. 6 M bit/ s,不超过100 M bit/ s以太网的10% ,尚在合理范围内。这样的通信处理能力对于通信前置机的性能要求并不算高,采用合适硬件的集中式通信前置机可以满足要求。 4 IP UDP * 14 7 20 7 8 7UDP IP 4 图2 UDP数据包格式Fig. 2 Frame format of UDP packet5原型设计5. 1 串口服务器串口服务器不
16、解析具体的应用层协议,仅实现串口数据与网络数据的透明转换。单一的功能使得串口服务器仅需配置简单的串口和网络参数,减少了调试和维护工作量,也降低了通信故障的概率。串口服务器的程序实现逻辑如图3所示。串口服务器监测网络端口9001 9008,将收到的UDP数据包中的应用数据提取出来,向对应的串口1 8转发;同时监测串口1 8的接收情况,所收到的数据存入各自的缓冲区,当数据超过缓冲长度或者接收后续数据超时(本文设置为3 ms) ,则将缓冲区中的报文作为UDP应用数据向对应的端口9001 9008转发。A F4 4 0 90019008 UDP 0 18 N(N=440 9000)D UDP + *
17、BJ 5B YNY YNN0 N(N= +9000)D UDP图3串口服务器流程Fig. 3 Flow chart of serial port server5. 2通信前置机通信前置机为每个虚拟串口建立一个规约线程,管理就地的每一个RS- 485总线,所有线程并列运行。在一个线程内仅解析一种通信协议,如M odbus协议。通信前置机通过IP地址和网络端口号来标识虚拟串口,为每个虚拟串口创建一个Socket,用于接收和发送指定IP地址和网络端口号4212016, 40( 10) 信息通信技术及应用http: / / www. aeps- info. com的UDP报文。通信前置机轮询同一个虚拟
18、串口上的智能设备,通过Socket发送UDP查询。同时监听Socket中是否收到UDP数据包,如果收到则提取应用数据存入接收缓冲区。当缓冲区中的报文拼装成功时,协议模块调用解析函数进行处理,并启动新一轮查询。如果串口受到干扰或以太网发生丢包,则一定时间超时后判定接收失败,重新上一轮查询。程序流程如图4所示。DA K UDP 3= Modbus DA 4 = Socket * 4 YNYYNNA* Socket EUDP ? Modbus 33/ Socket,3 IP 0 B DA K4 A DA K4 F NY图4通信前置机流程Fig. 4 Flow chart of communicati
19、on front6实验验证本文以新疆某光伏电站为例,该电站装机容量为20 M W ,共有20个逆变器小室,每个小室有2个逆变器、 12个汇流箱、 1个箱变测控、 2个交流表和2个直流表。 19个智能设备平均接入4个RS- 485口,每个RS- 485口有5个设备。每个RS- 485总线200 ms查询一次,可以保证数据在1 s内刷新,满足光伏监控数据刷新的技术要求。通信前置机1台, IP地址为198. 120. 0. 204。串口服务器20台, IP地址从198. 120. 0. 101到198. 120. 0. 120。通信前置机配置80个M odbus协议模块,分别与每个串口服务器的900
20、2 9005虚拟串口通道通信。通信前置机并行处理每一个协议模块,同时查询80个虚拟串口通道。平均网络流量为151 kbit/ s。传输有效的M odbus查询和响应报文的平均长度为28字节。照此估算,即使在200 M W的大型光伏电站中,实际网络带宽仅为1. 5 M bit/ s,远低于第4节估算的理论值,系统满足带宽设计要求。针对特定网络,例如IP地址为198. 120. 0. 103的串口服务器,在其网络端口9005所对应的RS-485口上,通信前置机依次轮询总线上的智能设备,等待设备响应后再下发下一个查询报文。通信前置机从发出查询到接收响应所耗费的总时间,除去串口通信耗时后得出其他环节耗
21、费的平均时间为4. 638 ms。其中串口服务器设置的报文超时时间为3 ms,除此之外的网络通信和设备响应耗时为1. 638 ms。根据第4节分析,网络通信延迟的占比很小,不超过100 s。因此,其他环节耗时主要集中在智能设备本身的响应上。数据详见表1。表1虚拟串口的通信耗时Table 1 Communication time- consumingon virtual serial port交互序号报文交互总时间/ ms报文总长字节数串口通信耗时/ ms其他环节耗时/ ms1 22. 123 17 17. 708 4. 4152 25. 619 21 21. 875 3. 7443 22. 2
22、06 17 17. 708 4. 4984 21. 621 17 17. 708 3. 9135 20. 243 15 15. 625 4. 6186 30. 068 23 23. 958 6. 1107 23. 953 19 19. 792 4. 1618 20. 618 15 15. 625 4. 9939 68. 297 61 63. 542 4. 75510 83. 555 75 78. 125 5. 43011 22. 085 17 17. 708 4. 377在本光伏电站中,原有的系统方案配置20台分布式通信前置机,而新方案配置1台集中式通信前置机和20台串口服务器。集中式通信前置
23、机与分布式通信前置机价格相近,串口服务器价格则仅为通信前置机的1/ 3,整个方案节约通信设备投入近2/ 3。在保证通信实时性的基础上,报文交互过程正常,系统运行可靠。7结语在综合考虑光伏电场的通信特点,以及TCP/UDP和RS- 485/ M odbus协议特性的基础上,提出采用透明传输的串口服务器代替分布式通信前置机,并将分布式通信改为集中式通信架构。在本文方案中,建立了虚拟串口通道模型,并对系统实效进行了可行性量化分析。最后,在一个20 M W光伏监控系统中实现了该通信方案。经试验验证,系统各项通信指标均符合要求,方案稳定、可靠。本文的研究工作对于降低光伏电站的建设成本、减少调试521廖辉
24、,等基于虚拟串口的光伏监控集中式通信方案维护的工作量、保证系统高效可靠运行,以及发挥电站综合效益提供了一种新思路。参考文献 1可再生能源“十二五”规划 EB/ OL . 2013- 09- 03 . http: / /newsbjx. com. cn/ html/ 20120810/ 37961. shtml. 2赵争鸣,雷一,贺凡波,等.大容量并网光伏电站技术综述 J .电力系统自动化, 2011, 35( 12) : 101- 107.ZHAO Zhengming, LEI Yi, HE Fanbo, et al. Overview oflarge- scale grid- connect
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30、zed Communication Scheme for Photovoltaic Power Station Based on Virtual Serial PortLIAO Hui 1, 2 , YANG Jing 1, 2 , YU Yang 1, 2( 1. NARI Technology Co. Ltd. , Nanjing 211106, China;2. State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control, Nanjing 211106, China)Abstract: W ith the rapid develop
31、ment of the photovoltaic industry in recent years, the supervisory and control system in thephotovoltaic power station is getting more and more attention. In view of its characteristics of numerous photovoltaicequipments, scattered distribution and use of serial communication, a centralized communic
32、ation scheme based on virtual serialport is proposed. To save investment and improve maintenance efficiency, the serial server is used to establish the virtual serialport on the Ethernet. The centralized front directly communicates with the devices cancelling the distributed fronts. A mappingmethod
33、of virtual serial port is put forward, with the communication efficiency and network load analyzed in the case ofcoexistence of a large number of virtual serial ports. The feasibility of the scheme is finally verified through a designedprototype in a 20 M W photovoltaic power station.Key words: solar power generation; photovoltaic power station; photovoltaic supervisory and control; TCP/ UDP; M odbusprotocol; virtual serial port6212016, 40( 10) 信息通信技术及应用