基于nRF24L01和以太網(wǎng)的微電網(wǎng)通信架構(gòu)設(shè)計

貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 李境達(dá) 肖文君 劉萬松

基于nRF24L01和以太網(wǎng)的微電網(wǎng)通信架構(gòu)設(shè)計

貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 李境達(dá) 肖文君 劉萬松

很多學(xué)者研究微電網(wǎng)通信的時，大都參考了傳統(tǒng)大電網(wǎng)，而新型的微電網(wǎng)具有其自身的特點，這與大電網(wǎng)有很大的不同，因此使得本來可以非常簡單的微電網(wǎng)通信系統(tǒng)變得非常復(fù)雜。為了解決這個問題，本文設(shè)計了基于nRF24L01和以太網(wǎng)的多微型逆變器微電網(wǎng)通信系統(tǒng)，詳細(xì)描述了通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各層之間的通信協(xié)議，實驗結(jié)果表明該通信系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高，完全可以滿足微電網(wǎng)。

微電網(wǎng)；無線通信；以太網(wǎng)；微型逆變器

1 引言

微電網(wǎng)具有污染少、靈活度高、效率高等特點與傳統(tǒng)大電網(wǎng)有很大的不同，因此它的通信方式與大電網(wǎng)也有很大的不同。文獻[1-3]參考傳統(tǒng)大電網(wǎng)設(shè)計了基于IEC61850的通信系統(tǒng)，對里面的各個模型進行了改進和擴充，使得本來很簡單的微電網(wǎng)變得非常復(fù)雜。目前世界上有很多國家都在研究微電網(wǎng)，也建設(shè)了許多微電網(wǎng)示范工程，這些示范工程多采用大容量逆變器來并網(wǎng)，存在安全隱患。因此本文設(shè)計了基于nRF24L01和以太網(wǎng)的多微型逆變器微電網(wǎng)通信系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明該通信系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高，可以為微電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的實時數(shù)據(jù)。

2 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

典型的多微型逆變器微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型多微型逆變器微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微型逆變器具有以下幾個優(yōu)點：①能量利用率高；②每個太陽能電池板或小型風(fēng)力發(fā)電機都連接一個逆變器，如果某個逆變器故障，不會對微網(wǎng)造成沖擊；③每個逆變器都有MPPT跟蹤功能，能使新能源發(fā)電能力得到充分的發(fā)揮；④無變壓器價格更低，減少了昂貴的功率器件用量，大大降低了成本；⑤重量輕、體積小降低了包裝和運輸成本。微型逆變器的優(yōu)勢可以概括為“安裝簡單、智能、節(jié)省、多發(fā)電”。

3 微電網(wǎng)通信構(gòu)架設(shè)計

微電網(wǎng)的運行控制和管理模式不同于常規(guī)電網(wǎng)，相對于大電網(wǎng)，微電網(wǎng)顯得十分脆弱，這就要求其有快速恢復(fù)能力與自治能力，這就對通信系統(tǒng)要求非常高。微電網(wǎng)中某些分布式電源如光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，受天氣變化影響較大；微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運行方式的切換需要隨時修改微電網(wǎng)的控制方式，這些與傳統(tǒng)大電網(wǎng)有很大不同。這些特點導(dǎo)致微電網(wǎng)控制系統(tǒng)進行決策時所需的信息較傳統(tǒng)電網(wǎng)更加復(fù)雜[4]，因此，微電網(wǎng)通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)通信系統(tǒng)也有所區(qū)別[5,6]。例如在主從控制方式下，微網(wǎng)在并網(wǎng)運行情況下，當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障，微網(wǎng)處于孤島運行狀態(tài)，此時系統(tǒng)必須檢測到孤島狀態(tài)，主控電源必須改變控制策略，給微網(wǎng)提供電壓和頻率支撐。在微網(wǎng)孤島運行時，如果部分分布式電源發(fā)生故障，系統(tǒng)必須馬上檢測到，并迅速關(guān)閉靜態(tài)開關(guān)，以維持微網(wǎng)的能量平衡。因此微電網(wǎng)的通信比大電網(wǎng)要求要高很多，必須根據(jù)實際情況，規(guī)劃設(shè)計微電網(wǎng)通信系統(tǒng)。

根據(jù)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計出的微電網(wǎng)通信系統(tǒng)如圖2所示。每一個發(fā)電單元或者用電單元與測控單元的通信連接叫一個結(jié)點，每個測控單元連接多個結(jié)點。目前通信技術(shù)較多，大體可分為有線和無線兩類。根據(jù)本文研究的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點測控單元與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信設(shè)計采用無線通信，連接在微網(wǎng)母線上的微電源和負(fù)荷容量都相對較小、重量輕，有時需要移動或者擴充容量，這就要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要非常靈活，無線通信就可以解決這個問題，沒有電線移動起來更加方便。測控單元與監(jiān)控中心之間的通信設(shè)計采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通信，工業(yè)以太網(wǎng)可以多種介質(zhì)傳輸，傳輸速率可達(dá)1000Mbps，非常適合用于微網(wǎng)的通信。

3.1 測控單元與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信

如圖2所示，微網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)分為三層，其中第二層的測控單元的控制器是AVR單片機其與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信采用nRF24L01無線模塊進行通信。nRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，其有六個數(shù)據(jù)通道，在接收模式下可以同時接收來自六個通道的數(shù)據(jù)，這種通信特點正好適合本文研究的微網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)，而且其傳輸最大速率為2000kbps，完全可以滿足現(xiàn)場的通信速度需求。

圖2 微電網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)圖

測控單元與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信構(gòu)架如圖3所示，由多個微型逆變器組成的微電網(wǎng)一個顯著的特點就是與交流母線連接的支路較多，因此本文通信以支路為單位，每個支路與測控單元的通信連接叫一個結(jié)點。例如1號太陽能電池板所在的支路為結(jié)點1，它的現(xiàn)場通信設(shè)備就是逆變器上的通信模塊，可以將現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式發(fā)送到測控單元1。nRF24L01擁有6個數(shù)據(jù)通道，每一個數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但是共用相同的頻道。本文設(shè)計每個測控單元利用數(shù)據(jù)通道1-5分別和下屬的五個結(jié)點進行雙向通信，即每個結(jié)點都有自己的數(shù)據(jù)通道與相應(yīng)的測控單元進行雙向通信；結(jié)點上的運行數(shù)據(jù)可以傳送到測控單元，測控單元可以把控制指令下發(fā)到相應(yīng)的結(jié)點上。測控單元與每個結(jié)點除了利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道進行雙向通信之外，本文還設(shè)計了廣播的通信方式，一旦控制中心需要給現(xiàn)場各個支路發(fā)送控制命令時，利用廣播的方式可以實現(xiàn)指令的快速傳送實現(xiàn)控制的同步性。測控單元到個結(jié)點的廣播通信采用數(shù)據(jù)通道0來實現(xiàn)。

圖3 測控單元與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信

3.2 測控單元與監(jiān)控中心之間的通信

測控單元與監(jiān)控中心之間的通信，即圖2所示的中間層與集中控制層之間的通信。為方便描述，把微電網(wǎng)監(jiān)控中心定義為上位機（服務(wù)器），測控單元為下位機（客戶端）。

下位機網(wǎng)絡(luò)通信端的主要任務(wù)是完成測點數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸以及接受上位機控制指令，實現(xiàn)單片機與Internet的TCP/IP通信。本文研究的下位機網(wǎng)絡(luò)適配器采用的是RTL8019AS芯片，硬件設(shè)計如圖7所示，其中單片機選擇ATmega128，與以太網(wǎng)接口的芯片采用RealTek公司的RTL8019AS，RTL8019AS 是10Mb/s 以太網(wǎng)接口芯片，ISA 接口。同時通過MAX232 與PC 機或其它調(diào)試機連接，可以顯示調(diào)試或相關(guān)信息。由此可見，實現(xiàn)單片機上網(wǎng)的硬件電路比較簡單，因此成本也比較低。

圖4 下位機通信硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

上位機通過LabVIEW圖形化G語言編寫服務(wù)器，使之實時偵聽來自下位機嵌入式網(wǎng)絡(luò)客服的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

文章首先介紹了典型的多微型逆變器微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了三層的通信方式，第一層與第二層之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通信，第二層與第三層之間采用nRF24L01無線模塊進行通信，并對通信系統(tǒng)的硬件做了詳細(xì)的描述。多微型逆變器微電網(wǎng)屬于小型微電網(wǎng)，適合一個家庭或者小型研究室使用。實驗結(jié)果表明，該通信系統(tǒng)完全可以滿足微電網(wǎng)SCADA對數(shù)據(jù)采集的要求。

[1]辛紅汪．基于IEC61850的微電網(wǎng)自適應(yīng)保護系統(tǒng)的設(shè)計[J]．智能電網(wǎng),2015(4):337-343．

[2]袁新喜,談志遠(yuǎn),陶維青．IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用探討[J]．電測與儀表,2012,49(7):49-53．

[3]蘇建徽．微電網(wǎng)精密時鐘同步技術(shù)[J]．電力自動化設(shè)備,2016,36(11): 40-44．

[4]姜桂林．獨立微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計[J]．內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報,2015,44(5):600-604．

[5]張佳斌,楊歡,趙榮祥,胡驊．微電網(wǎng)通信系統(tǒng)研究綜述[J]．華東電力,2011,39(10):1619-1625．

[6]張海寧,劉衛(wèi)亮,徐東東．基于LabView的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]．國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2015,18(5):28-31．

李境達(dá)（1986—），河北邯鄲人，碩士，助教，主要研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)與微電網(wǎng)控制方法。

貴州省科學(xué)技術(shù)基金（黔科合J字[2014]2124號）；貴州師范大學(xué)課程—團隊建設(shè)項目（項目編號：KT2014007H）。