光伏微网SCADA系统的混合通信组网设计

唐剑飞，卢俊杰，佘 畅，蔡 涛

光伏微网SCADA系统的混合通信组网设计

唐剑飞1，卢俊杰2，佘 畅2，蔡 涛2

（1. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2. 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

本文提出光伏微网SCADA系统的有线及无线混合通信组网方案。综合考虑通信的速度要求和通信设备的建设维护成本，在不同的场合使用不同的通信方式。比如，在通信线路铺设以及维护等综合成本较低的场合，使用有线的方式通信；在有线通信搭建综合成本较高的场合，采用无线的方式通信。对通信速度要求较高的场合，有线通信通过工业以太网，无线通信通过Wi-Fi技术实现。在此原则上进行硬件与软件上的设计，最终将系统应用于光伏微网发电系统中进行实际测试。实验结果表明，系统运行良好，通信网络性能稳定，满足系统需求。

数据采集与监控系统 微网能量管理系统 通信网络 混合组网

0 引言

SCADA系统是微网能量管理系统的主要组成部分，故而微网中通信系统的高效稳定地工作成为微网运行中的重要一环[1,2]。目前，通信网络多采用有线通信方式，然而，有线传输存在建设、维护等综合成本高、传输通信易受环境限制的缺点。相比之下，无线通信能够完全弥补有线通信的不足[3,4]。但其相对前者较低的传输速率与稳定性又限制了它的大规模建设。本文融合有线通信与无线通信两大类通讯方式，合理分配组成综合通讯系统能够有效的克服各自弊端，满足不同类型微网系统的数据采集与运行监控的要求。

1　微网SCADA需求分析

如图1所示，微网是一个连接在配电站后级的公共耦合点（Point of Common Coupling, PCC）上的低压配电网络，它由包括分布式电源、分布式储能以及负载在内的各种组件构成，除此之外还有分散安装用于气象监测的传感器、设备等[5]。

图1 典型光伏微网系统结构

针对光伏微网中各组件及其功能，可简单将传输数据分为以下3类：

1）电气信息，包括：分布式电源运行信息，光伏组件及其逆变器的交、直流侧电压、电流、功率等状态；分布式储能信息，蓄电池电量、以及储能出力等；负载信息，主要是用电情况如有功、无功等。

2）环境信息，多种气象信息如温湿度、风速风向、辐照度以及光伏电池板板温等环境状态信息；

3）控制指令，包括微网中控制执行设备的控制指令以及指令的执行反馈等，主要为分布式源以及可控负荷的投切指令。

上述三类基本信息，单次传输数据量小，不到1k byte，且传输间隔时间较长：电气信息传输间隔时间为秒级，环境信息传输间隔时间为分钟级，而控制指令只有在需要对各组件的投切运行状态进行改变时才发送指令。此三类信息对传输速率要求较低。

但在需要进行短期发电预测的微网系统中，终端会将云层的图像或视频信息传输给中央控制器处理，这一信息数据量较大，对通信网络的速度有较高要求。

2　通信组网方案

2.1 整体构成与功能

系统设计结构示意如图2所示。

图2 有线无线混合通信系统结构示意

1）系统主机，微网能量管理系统主机，负责信息收集汇总、分析、处理、下达控制指令；

2）协议转换器，能将主机不兼容的通信协议与接口转化为主机兼容的协议与接口；

3）远程IO，接收主机下达的控制指令，远程控制系统中各设备投切、系统并网开关。

4）电气信息采集设备，包括数字电表、电压电流传感器等设备，采集来自光伏电池、蓄电池组、系统交流母线、负荷、交流电网上的电压电流频率功率等电气参数。

5）气象信息采集设备，用于实时采集气象环境要素如，水平辐照度、环境温度、风速风向、气压、湿度等信息的设备以及用于短时气象预测的全天空成像仪。

6）无线接入点（Access Point, AP），无线网络接入点，并实现有线、无线通信信号的双向变换传输。

实际微网系统中，由于光伏、储能、负荷分布分散，组件与系统主机或通信总线距离不等，为此无法单一地仅靠有线或者无线的方式搭建通信网络，需结合现场情况，合理配置，在距离较近，且容易铺设线路的场合使用有线通信连接，在距离较远或环境条件恶劣以至于无法或难以进行有线通信的场合则采用无线通信的方式组网。

气象采集设备则安装在与系统主机相距较远或较为空旷的位置，在这些情况下，我们选择采用无线通信实现信息的传输，从而达到系统综合成本最低的效果。

2.2 有线传输及组网

前述分析可知，在有线通信组网中，控制指令与电气信息对传输速率要求较低，故此类通信网络选用RS-485总线进行组网通信。而传回至系统主机侧的气象信息因包含传感器信息以及云层图像、视频信息，对传输速率要求较高，故此类通信网络选用工业以太网进行组网通信。

2.3 无线传输及组网

气象信息因包含图像、视频信息，传输速率要求较高，故在传感器侧，先通过以太网连接，通过Wi-Fi将数据传回给系统主机侧AP，后者再将数据通过以太网传给系统主机。

远方现场的光伏阵列及储能侧的电气及其他传感器信息，由于不便进行有线通信网络传输，又因为传输数据较小，对速率要求不高，故采用ZigBee技术进行低速无线通信搭建，组建无线传感器网络。利用ZigBee网关节点，实现有线信号与无线信号的双向转换传输[6,7]。其结构示意如图3所示，其中系统近端的传感器信息可直接通过上述的RS485总线传输。

图3 无线传感器网络

2.4 协议转换与网关

由本系统架构可知，整个微网系统为一主多从形式，故考虑为保证系统检测信息具有更优的实时性，需尽可能提高数据的传输速率，故在RS-485总线上使用Modbus RTU协议进行通信，为方便与系统主机进行通信，则使用协议转换器转换成Modbus TCP协议，而气象信息为更好兼容系统通信系统，选择使用Modbus TCP协议进行传输。系统主机接受到信息后通过OPC服务器将数据记录存储，交由微网能量管理系统处理，SCADA系统的通信系统架构如图4所示。

图4 微电网SCADA系统通信系统架构

3　系统软件实施

3.1 协议转换与网关

要实现基本的满足系统要求的ZigBee网关，需要使用ZigBee的串口透传技术[9]。如图5所示， ZigBee的作用就相当于是把中间传输过程中的有线信号转换成无线信号进行传输，从OSI七层模型上而言，ZigBee串口透传技术仅只在物理层与数据链路层上做出改变，对两个在上层的通信的终端而言，通信过程不存在任何变化。

图5 ZigBee串口透传示意图

要实现这一点，需将一块ZigBee网关在初始化位置配置为协调器（Coordinator）连接在接近系统主机的RS-485总线侧，另外一块作为路由器（Router）。

协调器的程序流程如图6所示，在进行相关初始化结束后开始循环判断是否有任务被触发，直到外界有通信信号输入，触发任务管理器登记相应任务号，程序进入执行相应任务函数；对于系统产生错误或其他未知因素而触发的任务登记，程序进行判断后认定错误并回到循环判断中；当RS-485总线上有数据传输时，程序通过判断首帧地址帧数据判断目标地址，并进行响应地处理；对于无线信号输入，说明其信号来自于下层的ZigBee路由器的应答报文，则无需判断，直接将信号发送到RS-485总线上；在所有任务处理完后程序再次回到循环判断中，等待下次任务的执行。

图6 ZigBee协调器程序流程图

路由器程序流程图如图6所示，其中初始化与协调器初始化大致相同，仅在基本射频功能初始化中被配置为路由器功能；在任务号溢出与接收到来自协调器的无线数据时，采取与协调器相同的处理方法；而从有线的RS-485转换为无线的ZigBee协议上，由于路由器之间不能进行通信，故其只向协调器对点传输无线信号，为保证通信数据的有效性，ZigBee路由器在接收到RS-485通信线上信号后对信息进行确认，确定符合Modbus通信协议后再将数据发送给ZigBee协调器。

通常情况下，系统中低速无线通信网络一次主从轮询流程如图7所示。主机需向某从机设备获取信息，通过有线通信发出请求报文，指令经由数据转换器转化为Modbus RTU协议传输到RS-485总线上；ZigBee协调器在总线上获取并识别到并信息后触发任务1，并将该报文通过无线形式发送给对应的ZigBee路由器；ZigBee路由器收到信息后触发任务2，并将无线报文转换成有线请求报文发送给与之连接的从机设备。当从机设备产生应答报文时，ZigBee路由器触发任务1，将应答报文以无线形式对点传输给ZigBee协调器；ZigBee协调器最终将此应答报文反馈回系统主机。

图7 系统低速无线通信网络主从轮询应答流程

数据信息经过协议转换器之后送到主机的OPC服务器上，在OPC服务器里面经过处理之后将通讯值转化为工程值，然后在组态软件中建立I/O Server作为OPC Client与已建立的OPC服务器进行连接使得OPC服务器里面的数据可以共享到组态软件中进行数据实时显示，并进行存储[10]。

4　系统测试结果

4.1 ZigBee网关通信质量测试

对ZigBee网关通信质量测试分为两个部分，一个部分是在固定传输距离上分别对有无大的障碍物遮挡进行测试；第二个部分是在无障碍物遮挡时不同传输距离上进行测试。

对于固定传输距离上有无障碍物传输质量对比，实验设定传输距离为15m，有无障碍物遮挡定义为两个模块之间能否直接可视。实验结果如表1所示。

表1 ZigBee无线网关通信质量对比

由于有障碍物遮挡，无线信号必须经过外界物体的多次反射才能传递到另外一端，故无论是掉包率还是信号接收强度，均比无障碍物遮挡时要差了很多。所以在安装低速无线通信网络时，需尽可能地保证两个传输节点中无较大的障碍物直接阻挡。

对于无障碍物下不同传输距离的通信质量检测，设定7组实验，距离从0 m开始，以5 m为一段，进行传输质量的测试，实验结果如表2所示。

表2 低速无线网络通信质量对比

实验中发现，在较短距离传输时，ZigBee网关节点尚有较好的传输特性，而当距离较远时，传输非常不稳定，稍有一点移动，就可能使ZigBee节点从网络中断开。由此数据可以看出，在实际安装过程中，为保证通信质量，单节点间传输距离最好不要超过15m，如果节点间距离较长，可考虑加装中继节点，以增强信号强度。

(a)A相电压(b)A相电流 (c)A相有功(d)阵列斜面总辐射

图8 光伏发电系统监测数据

4.2 系统整体运行效果

在系统软件硬件制作、安装完毕后，对系统整体进行测试。图8分别为光伏逆变器与电网并网侧A相电压、光伏逆变器输出在A相的电流、有功功率、光伏电池板板温、斜面总辐射量参数。

5　结束语

文中对微网SCADA系统中各通信量进行分析后，设计了一套有线及无线混合组网的SCADA系统通信网络。通信网络结构为一主多从模式，其中有线通信网络选择RS-485总线与以太网进行组网通信；将无线通信网络分为高速的Wi-Fi与低速的ZigBee技术实现组网通信。最终对设计的系统进行测试与分析，结果显示，系统运行良好。

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Hybrid Communication Networking of Photovoltaic Microgrid’s SCADA System

Tang Jianfei1, Lu Junjie2, She Chang2, Cai Tao2

(1. China Ship Development & Design Center, Wuhan 430064, China 2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (College of Electric and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China)

TM933

A

1003-4862（2019）08-0005-05

2019-01-15

国家重点研发计划（2018YFB0904200）促进可再生能源消纳的风电/光伏发电功率预测技术及应用

唐剑飞（1977-），男，硕士，工程师。研究方向：舰船电气。E-mail： tjf407@sohu.com