一种面向光伏发电的集成网关设计与实现

2024-02-03杜吉龙刘振国郑伊笑吴逊怡

机电产品开发与创新 2024年1期

李帅，杜吉龙，刘振国，郑伊笑，吴逊怡

（北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

为实现我国“双碳”战略目标，我国大力推进光伏发电项目。据国家能源局统计，仅在2022 年，太阳能发电新增8741 万kW。23 年4 月，国家能源局发布了《2023 年能源工作指导意见》，明确提出“2023 年风电、光伏装机增加1.6 亿千瓦左右”的目标。现如今，光伏发电地位日益突显、行业发展迅速，很多企业和组织都开始尝试投资建设光伏发电项目，大幅提高了清洁能源利用率，目前已成为引领我国新能源经济的龙头行业之一。

在光伏发电系统中涉及的设备类型和数量通常很多，如光伏逆变器、光伏并网断路器、监测设备、传感器等，这些设备产生的数据非常庞大。随着光伏系统规模持续扩大，项目呈现地域分布广、设备规模大、数据量剧增等特点，使得光伏系统的监测和管理变得越来越复杂。集成网关的出现可以实现数据采集、处理和上传，从而实现对光伏并网系统进行集中监测和管理。

随着互联网技术的普及深入，在光伏发电领域，同样需要通过互联网技术实现对光伏系统的实时监测和管理，并将数据实时传输到云端平台。集成网关就是支撑这个互联网技术平台的核心设备，集成了多种通信协议和数据格式，可以实现对光伏发电系统进行全面、高效的集中监测和管理。

1 基于光伏集成网关的发电系统结构

基于光伏集成网关的发电系统结构如图1 所示，光伏板先将太阳光能转化为电能，并将其输送给汇流箱。汇流箱将多个光伏板的电流集中到一起，并通过直流电缆输送给逆变器的设备。逆变器将收到的直流电转换为交流电。它将直流电转换为与电网标准相匹配的交流电，并将其注入电网前端的光伏开关。光伏开关根据发电及用电情况，控制光伏系统同电网的连接和断开，起到保护电网，保护本地光伏发电设备的作用。集成网关是光伏系统的核心数据交互设备，负责监控、控制和管理整个系统。它接收来自逆变器、光伏开关和汇流箱的数据，并进行处理、存储、分析和上传。集成网关通过4G 网络与电网云平台数据交互，实现远程监控和发电管理功能。

图1 基于光伏集成网关的发电系统结构图

2 集成网关的功能

2.1 数据采集

在光伏发电系统中，集成网关通常需要采集各个设备所产生的大量数据，包括电能质量、电能数据、统计记录、冻结数据等信息。对于一些常见的设备，如光伏逆变器、光伏并网断路器、电能数显表等，可以通过485 通信并访问各设备的寄存器的方式进行数据采集，以获取更加全面的数据信息。

为了实现这一数据采集功能，本设计选择了GD32F103RET6作为主控制器，并采用SP485 作为485 通信芯片。采用Modbus-RTU 串行协议，通过RS-485 串行接口进行通信，实现各光伏设备之间的数据交互。在进行数据采集之前，首先需要获取现场设备的实际总线地址，并进行通信参数设置。为此，笔者设计了一款集成网关配置软件，可通过一键配置来实现。该配置软件示例如图2 所示。

图2 集成网关配置软件

在获取设备配置后，我们可以通过读取和写入寄存器的方式，向目标设备发送读取或写入设备数据的请求。一旦设备接收到请求，它会将相应的数据放入寄存器中，并将寄存器中的数据返回至集成网关。通过这种方式，集成网关可以采集到各底层设备的详细数据信息。

2.2 数据上传

在光伏发电系统中，数据上传至云端平台也是至关重要的一部分。为了实现高效的数据上传和管理，集成网关在硬件设计上采用域格CLM920_YV9 通讯模块。该设备能够支持GPRS、LTE 等多种通信方式，采用最新的通讯技术规范，实现高效的数据上传和下载。在软件功能设计中，首先需要配置设备的运行参数，包括APN、MAC 地址等信息。然后通过调用相应的AT 指令，将采集到的数据上传至云端平台。可以设置上传周期，以实现定时上传或实时上传。在数据上传时采用国际通用电力规约IEC104 协议，它是一种常用于在自动化系统中传输遥测、遥信、遥控和保护信息的通讯协议。通过该协议，可以将采集到的光伏发电系统中的各项数据发送到对应的云数据平台，实现对数据的远程监测和管理。

2.3 系统管理

集成网关可以对光伏系统进行全面的监测和管理，包括设备的远程控制、运行状态的监测、异常报警等。例如可实现报警检测：集成网关通过对采集的数据进行异常检测来判断系统是否有异常情况，如系统的电压是否过高、电流是否过载、温度是否过高等。如果检测到异常情况，集成网关会及时报警并采取相应措施。这样光伏系统的运行情况、故障信息、设备状态等均可以通过互联网及时传递到设备控制中心，设备操作人员可以及时了解系统的运行情况，及时进行调整和控制。同时做到系统优化：集成网关可以通过对数据采集、传输、处理、监测等多个环节的优化，提高光伏发电系统的运行效率，从而减少系统的宕机时间，并降低运维成本。

3 集成网关的特性

3.1 多协议和多设备支持

集成网关能够与多种品牌和设备进行通信，并适配它们的通信协议，如华为、阳光等品牌逆变器，汇流箱，光伏开关等。通过支持多种通信协议，集成网关可以与不同品牌和设备之间进行无缝的数据交换，实现与各个光伏设备的通信和数据采集。同时，集成网关可以同时管理光伏发电系统中的多种设备类型，包括光伏逆变器、光伏并网断路器、传感器等，将不同设备的数据进行整合和汇总，实现对整个光伏发电系统的集中管理和监控。

3.2 高效稳定性

集成网关具有高效的数据采集、处理和上传功能，帮助光伏发电系统提高运行效率和性能。同时，集成网关的高稳定性保证了数据的准确性和稳定性，确保光伏发电系统的正常运行。这对于保障光伏发电系统的稳定性和安全性具有重要意义。

3.3 物联融合与集成化

现代光伏发电系统对物联网技术的需求越来越高，集成网关能够轻松实现与物联网技术的融合，实现对光伏发电系统的远程监管和管理。另外，集成网关被设计成小型化和模块化的插拔式结构，可以直接集成至现场光伏断路器设备中，充分利用设备资源，为管理和监控分布式光伏系统底层各设备提供硬件基础，使得整个系统更加紧凑和高效。

4 集成网关的主要研究内容

集成网关的主要研究内容包括：对主控板和通讯板的硬件设计；对上行IEC104 规约以及下行各设备协议解读的软件设计。实现服务于光伏并网系统的集成网关的设计，如图3 所示。

图3 光伏集成网关的主要研究内容

4.1 集成网关的硬件设计

硬件共有两部分组成：主控板和通讯板。光伏集成网关硬件结构框图如图4 所示。根据实际需求，硬件采用小型化、集成化、可插拔设计。在主控板中下行设备通讯部分采用485 通讯方式，利用485 通讯芯片，同单片机的UART的TXD、RXD 引脚，以及R/T 控制脚相连接，实现485 通讯控制。485 原理如图5所示。

图4 硬件结构框图

图5 485 通讯原理图

在通讯板采用性价比高、体积小的域格YV9上行通讯模块，同时为了确保稳定的数据传输，光伏集成网关的硬件设计采用大功率的开关电源设计，这既可以提高光伏集成网关的性能，也可以降低系统出现意外故障的风险。利用TD1482AP 开关电源芯片及外围相应电路满足其供电需求。电路图如图6 所示。

图6 供电电源原理图

以上设计满足了光伏集成网关的硬件需求，可以保证系统的高稳定性和高可靠性，实现稳定、安全、快速的数据传输。

4.2 集成网关的软件设计

在集成网关设备初始启动时，会首先进行初始化，并检索所有配置的信息参数并将其加载到内存中，然后根据配置情况开始轮询下行485 设备。依靠IEC104 规约，集成网关设备开始与电力管理平台相连，通过首先发送MAC 地址来完成注册和激活操作。此时，集成网关设备已准备就绪，可以向电力管理平台发送采集到的遥测、遥信等数据，如图7 所示。