基于光伏逆變器通信協(xié)議的智能匹配技術(shù)研究

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(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院,南京 210000; 2.朗新科技股份有限公司,杭州 310000)

基于光伏逆變器通信協(xié)議的智能匹配技術(shù)研究

鄒云峰1，吳飛1，王光星2，孔月萍1，劉瑞巧2，賁安慶2

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院,南京210000; 2.朗新科技股份有限公司,杭州310000)

隨著能源危機(jī)、氣候變暖、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，發(fā)展分布式清潔能源已經(jīng)成為一項國策；大量企業(yè)采用基于RS485、RS232等通信接口的Modbus協(xié)議作為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在光伏逆變器等電站設(shè)備中作為數(shù)字化通信標(biāo)準(zhǔn)，針對不同廠家、不同型號的光伏逆變器與光伏主站之間存在多種協(xié)議規(guī)約需要主動適配的工程問題，通過對不同廠家、不同型號的光伏逆變器所涉及各種類型通信協(xié)議的深入分析和大量工程應(yīng)用實踐，提出了一種用于自動解析光伏逆變器通信協(xié)議的算法模型，并基于此模型研發(fā)了一種基于光伏逆變器通信協(xié)議的智能匹配技術(shù)，有效解決了不同類型光伏逆變器與光伏主站的通信問題；經(jīng)過工程應(yīng)用驗證表明，應(yīng)用該技術(shù)可以實現(xiàn)已解析協(xié)議的快速接入、新接入?yún)f(xié)議的快速解析匹配和已接入設(shè)備的現(xiàn)場調(diào)試等功能。

Modbus；光伏逆變器；協(xié)議；解析；智能匹配

0 前言

在低碳環(huán)保和能源可持續(xù)發(fā)展的背景下，可再生能源的開發(fā)利用成為解決當(dāng)前能源行業(yè)一系列問題的必由之路[1]。其中，太陽能以其獨特的優(yōu)越性，特別是隨著其他能源利用形式的逐漸飽和與能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的興起，逐漸成為能源利用的主要形式之一[2-4]。光伏作為太陽能資源利用的重要方式，在我國發(fā)展迅速，目前在太陽能資源豐富的地區(qū)光伏電站已得到了廣泛應(yīng)用[5]。

光伏逆變器作為光伏發(fā)電并網(wǎng)運行的關(guān)鍵元件，除了進(jìn)行直流——交流的轉(zhuǎn)換之外，逆變器還兼具電路斷開、為電池充電、對數(shù)據(jù)的使用以及跟蹤最大功率點等功能，以提高發(fā)電的效率?；谄渲匾?，國內(nèi)外學(xué)者從多個方面對其進(jìn)行了相關(guān)研究：吳理博[6]和張超[7]等人對光伏發(fā)電最大功率點進(jìn)行了相關(guān)研究，并提出了擾動觀察法、開路電壓法等相關(guān)的算法，提高了能源轉(zhuǎn)換效率；王飛[8]等人對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電路拓?fù)溥M(jìn)行了相關(guān)研究，極大的降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本；吳春華[9-10]等人對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制的方法進(jìn)行了相關(guān)研究，并提出了PI控制、滯環(huán)電流控制等方法，實現(xiàn)對并網(wǎng)逆變器輸出電流波形的控制，提升了發(fā)電質(zhì)量，為輸出電力的并網(wǎng)提供了便利；針對光伏電站選址偏僻的特點和光伏電站智能化發(fā)展的需求，羅力[11]等人將Modbus協(xié)議應(yīng)用到光伏發(fā)電系統(tǒng)中，并基于此協(xié)議研究和設(shè)計了針對光伏逆變器的通信系統(tǒng)[5]、監(jiān)控系統(tǒng)和平臺[12-13]。

以上研究都極大的促進(jìn)了光伏相關(guān)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。然而，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光伏逆變器與光伏主站之間由于通信協(xié)議的不匹配而帶來的問題也逐漸凸顯。雖然已有相關(guān)方面的研究文獻(xiàn)[5,11-14]，但其研究內(nèi)容都為基于已有的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議進(jìn)行通信系統(tǒng)的設(shè)計及研發(fā)，而在實際工程應(yīng)用中問題的矛盾點集中在逆變器和光伏主站之間由于通信協(xié)議的不匹配而帶來的施工效率低下、運維成本高等問題，且目前沒有相關(guān)研究文獻(xiàn)提及。

本文通過對逆變器涉及協(xié)議類型的深入研究和分析并結(jié)合大量的實踐研究，研發(fā)了一種基于光伏逆變器通信協(xié)議的智能匹配技術(shù)，實現(xiàn)了不同光伏逆變器通信協(xié)議與光伏主站之間的快速匹配。

1 光伏逆變器通信協(xié)議簡介

光伏逆變器的通信協(xié)議是光伏主站和逆變器之間相互通信并獲取光伏發(fā)電數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)。目前，在所有的通信協(xié)議中具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)且相對比較通用的是Modbus RTU協(xié)議，其報文數(shù)據(jù)由地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)段和CRC校驗碼組成，具體如下表1中所示。

表1 Modbus協(xié)議RTU模式下數(shù)據(jù)幀格式

然而，在實際工程應(yīng)用中，由于各個逆變器生產(chǎn)廠家的情況不同，其產(chǎn)品所使用的通信協(xié)議格式各不相同，甚至存在的彼此之間互不兼容的情況，這給光伏電站的施工、監(jiān)測和運維造成了極大的困擾。其中，通信協(xié)議的不同主要表現(xiàn)為以下幾種情況：

1)數(shù)據(jù)字段的排列順序不同。

此種情況指不同協(xié)議報文中表征特定含義字段的排列相同。例如，在Modbus協(xié)議規(guī)約中，數(shù)據(jù)幀的第1個字節(jié)表示地址碼，而在廠家自定義的協(xié)議中則將第1個字節(jié)定義為功能碼。

2)數(shù)據(jù)段對應(yīng)字節(jié)數(shù)目不等。

此種情況指不同協(xié)議報文中對應(yīng)對應(yīng)字段的字節(jié)數(shù)目不相同。例如，在Modbus中地址碼為1個字節(jié)，8bit；而在廠家自定義的規(guī)約中，其可能是2個、3個……N個字節(jié)。

3)數(shù)據(jù)字段的種類數(shù)目不等。

此種情況指不同協(xié)議報文中所包含的表征特定含義字段的種類數(shù)目不同。例如，在Modbus RTU模式中，數(shù)據(jù)幀的格式包括地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)段和CRC校驗碼4個方面的內(nèi)容，而在廠家自定義的規(guī)約中則可能增加或者減少功能字節(jié)的種類，例如有的消息幀格式中不僅包含以上4各方面的內(nèi)容，還包含數(shù)據(jù)段長度、控制碼、原地址、SN號等。

4)以上三種情況的混合情況。

2 基于協(xié)議分析的智能匹配算法構(gòu)建

本文基于對各種逆變器通信協(xié)議深入分析和實踐研究，類似于模式匹配算法[15]，提出了一種針對不同通信協(xié)議彼此不匹配問題的解析算法，實現(xiàn)對已接入?yún)f(xié)議規(guī)約的智能匹配和新接入規(guī)約的快速匹配。

算法的具體內(nèi)容如下：

假設(shè)待解析報文數(shù)據(jù)串為Bn，作為對比的特征數(shù)據(jù)串為Tm。在報文數(shù)據(jù)的解析過程中，固定Bn且保持兩個數(shù)據(jù)串左對齊，Tm從左向右一次與Bn逐個字節(jié)進(jìn)行比配。右移的距離的d(x)根據(jù)比對結(jié)果進(jìn)行確定：

(1)若Bi≠Tk，則Tk右移1個字節(jié)的距離；

(2)若Bi=Tk，此時Bi根據(jù)報文段的長度L從第i字節(jié)開始共截取L個字節(jié)，Tk則從Bi+L-1開始繼續(xù)比對：

具體的算法流程圖如圖1中所示。

圖1 本文算法流程圖

3 基于協(xié)議分析的智能匹配技術(shù)應(yīng)用

基于前文提到的智能匹配算法和大量的工程實踐數(shù)據(jù)，研發(fā)了一種基于協(xié)議分析智能匹配技術(shù)——數(shù)據(jù)庫，用于實現(xiàn)不同光伏逆變器協(xié)議與主站之間的快速匹配。

3.1 通信協(xié)議解析流程設(shè)計

3.1.1 光伏電站中數(shù)據(jù)采集及解析流程

數(shù)據(jù)采集的流程如圖2所示，逆變器將存儲的設(shè)備信息等傳遞給采集器，采集器通過GPRS、3G或者4G網(wǎng)絡(luò)等途徑將采集到的報文數(shù)據(jù)發(fā)送給主站，最后由主站的解析程序?qū)笪牡臄?shù)據(jù)進(jìn)行解析。

圖2 光伏數(shù)據(jù)采集及解析流程

3.1.2 通信協(xié)議獲取流程

如圖3所示，端口開啟后，上傳報文數(shù)據(jù)的同時，獲取逆變器的IP和端口信息并將其與緩存數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備信息進(jìn)行匹配：

1)若匹配成功，則在緩存數(shù)據(jù)庫中自動調(diào)用對應(yīng)的協(xié)議信息，獲取規(guī)約匹配的特征值和規(guī)約的校驗規(guī)則；

2)若匹配不成功，則表明數(shù)據(jù)庫并未存取設(shè)備對應(yīng)協(xié)議信息，將通過程序塊加載新協(xié)議的匹配特征值和其校驗規(guī)則信息。

圖3 協(xié)議信息的獲取流程

3.1.3 協(xié)議匹配解析過程

如圖4所示，整個技術(shù)實現(xiàn)流程共分為4個步驟，具體如下所述：

圖4 協(xié)議智能匹配解析實現(xiàn)流程

1)報文解析：端口開啟后，光伏主站獲取光伏逆變器發(fā)送的報文數(shù)據(jù)及其IP、端口(設(shè)備MAC地址)信息，而后對獲取的報文進(jìn)行解析。在此階段，主要是還原整個報文中各個字段表征的特定含義，將報文段具體解析為功能碼、數(shù)據(jù)段等。具體的解析過程如下文所述：

(a)獲取待解析報文對應(yīng)的規(guī)約，以所獲取規(guī)約的特征值(字節(jié)序的值)作為檢驗依據(jù)，開始解析；

(b)從報文的第1個字節(jié)開始，將所有字節(jié)逐個與緩存解析程序中的所有特征值進(jìn)行對比，判斷第N個字節(jié)位的值和特征校驗是否匹配；

(c)若不匹配，則舍棄該字節(jié)，再比較下一個字節(jié)；若對比結(jié)果相匹配，則通過黏包技術(shù)，根據(jù)該段字節(jié)的長度位，截取對應(yīng)長度的報文段。

(d)重復(fù)(c)過程，直到所有字節(jié)循環(huán)匹配完成，進(jìn)入下一流程；

2)報文校驗：此過程通過協(xié)議的校驗機(jī)制對通過黏包獲得的報文段的準(zhǔn)確性進(jìn)行校驗。具體過程包括：首先，獲取所解析協(xié)議的校驗機(jī)制；然后，根據(jù)協(xié)議提供的校驗機(jī)制(比如CRC16，CRC8，算術(shù)和或者異或等)，對獲取的報文段的正確性進(jìn)行校驗。

3)數(shù)據(jù)域解析：此過程對通過2過程(校驗)所獲得的報文段中數(shù)據(jù)字段的含義進(jìn)行解析。具體過程包括：首先，跟據(jù)報文上傳時獲取到的設(shè)備的IP地址及端口查找設(shè)備的檔案信息，包括設(shè)備的型號、數(shù)目等信息，并據(jù)此讀加載到取緩存中協(xié)議的數(shù)據(jù)域解析配置，解讀每個報文段內(nèi)字節(jié)所表達(dá)的含義(電流、電壓、功率等信息)。

4)數(shù)據(jù)處理：此過程，主要對解析得到的數(shù)據(jù)做兩方面的處理，分別是：

(a)標(biāo)簽分類：根據(jù)報文的IP和端口確定對應(yīng)設(shè)備信息(信息源)，將其與通過(3)過程解析得到的數(shù)據(jù)共同封裝存入緩存。

(b)數(shù)據(jù)計算：將(a)過程得到的分類數(shù)據(jù)按照具體的業(yè)務(wù)要求進(jìn)行計算和過濾后，推送給主機(jī)并裝入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。

3.2 智能匹配技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 數(shù)據(jù)庫內(nèi)容簡介

在數(shù)據(jù)庫中，為了便于對數(shù)據(jù)的保存記錄及高效調(diào)用，對涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了命名，主要包括：

1)r_comm_point：表示采集點表，其中1條記錄表示1個數(shù)據(jù)采集器；不同的采集器通過comm_id標(biāo)識區(qū)分； comm_id和r_comm_point相關(guān)聯(lián)，1個采集器對應(yīng)多個測量點。

2)r_meas_point：表示測量點(設(shè)備采集的虛擬點，一個測量點表示一個設(shè)備)，每條測量點記錄表示1個實體設(shè)備的虛擬采集點。

圖5 數(shù)據(jù)庫內(nèi)容示意圖

3)comm_addr：表示設(shè)備(光伏逆變器)實際的物理地址標(biāo)識。

4)protocol_id：表示設(shè)備對應(yīng)的采集規(guī)約，采集規(guī)約和品牌型號有對應(yīng)關(guān)系，通過protocol_id關(guān)聯(lián)。

5)r_xx_group：表示數(shù)據(jù)庫中保存的xx協(xié)議規(guī)約信息，該表主要保存了規(guī)約的寄存器起始地址(star_addr)、寄存器個數(shù)(REGISTER _COUNT)、操作類型(OPT_TYPE，操作類型： 1:上行，2：下行)和功能碼(CFN)。

6)r_xx_data_code：表示xx規(guī)約的解析表。

3.2.2 協(xié)議解析過程

以Modbus協(xié)議的解析為例具體說明應(yīng)用該數(shù)據(jù)庫的解析過程。

1)數(shù)據(jù)庫已有某一品牌型號規(guī)約

獲得一段報文數(shù)據(jù)后，根據(jù)設(shè)備的品牌型號，在數(shù)據(jù)庫中查到其在r_meas_point表中對應(yīng)的protocol_id，而后數(shù)據(jù)采集器將報文數(shù)據(jù)發(fā)送給主站的解析程序?qū)笪倪M(jìn)行解析，具體過程如下：

(1)程序收到報文數(shù)據(jù)后，首先對報文進(jìn)行解析和CRC校驗；

(2)報文通過校驗后，結(jié)合protocol_id，獲得r_modbus_group表中對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，具體如表格2和圖6中所示；

表2 Modbus發(fā)送報文格式

圖6 數(shù)據(jù)庫r_modbus_group表格

3)報文根據(jù)相關(guān)配置參數(shù)，由報文中寄存器起始地址(star_addr)開始，確定寄存器的總個數(shù)(REGISTER_COUNT)，然后借助r_modbus_ data_code表(圖7)對報文的數(shù)據(jù)域進(jìn)行解析；

圖7 數(shù)據(jù)庫r_modbus_data_code表格

4)根據(jù)寄存器的序號字段(SERIAL_ NMUBER)，字段包括數(shù)據(jù)類型(FORMAT_ CODE，主要是該數(shù)據(jù)項占用幾個寄存器以及是否有符號)和倍率(FACTOR)進(jìn)行解析；

5)數(shù)據(jù)解析完畢后，得到一組數(shù)據(jù)項和值的對應(yīng)數(shù)組，例如{160:2333.33，161:122，162:23243，163:12.34}；

6)對于解析得到的實時數(shù)據(jù)，首先存入實時表r_real_data中，而后根據(jù)業(yè)務(wù)的需要，將解析得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計并存入緩存(redis)中進(jìn)行計算，之后將計算得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中；

7)對解析過程中得到的異常數(shù)據(jù)需要做進(jìn)一步解析，具體包括：

(a)根據(jù)上面的步驟，解析出異常數(shù)據(jù)項的十進(jìn)制數(shù)值；

(b)把十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制；

(c)根據(jù)配置的rs_type_event，把每一位的值解析出來，1表示有異常，0 表示無異常；

(d)將解析得到的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫，存入r_event_record表格中。

2)數(shù)據(jù)庫接入新規(guī)約

對于新接入品牌的設(shè)備，由于數(shù)據(jù)庫中沒有存儲對應(yīng)的協(xié)議類型，無法調(diào)動內(nèi)部協(xié)議配置信息實現(xiàn)智能匹配的過程，需要通過以下過程實現(xiàn)協(xié)議的匹配：

(1)通過逆變器生產(chǎn)廠家獲取該品牌型號逆變器的Modbus協(xié)議文檔；

(2)根據(jù)獲取的Modbus協(xié)議文檔，查找協(xié)議中功能碼為只讀寄存器的位置，包括寄存器起始地址(star_addr)、寄存器個數(shù)(REGISTER_ COUNT)、操作類型(OPT_TYPE，操作類型： 1:上行，2：下行)和功能碼(CFN)，并填寫到r_modbus_group表格中(見圖6)。

(3)根據(jù)具體的每個數(shù)據(jù)項，從上到下，匹配數(shù)據(jù)項的類型及倍率并填寫到r_modbus_data _code表(見圖7)中進(jìn)行協(xié)議解析。

(4)協(xié)議解析后得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，具體實例如下表所示：

表3 數(shù)據(jù)解析結(jié)果

(5)將異常信息配置到rs_type_event表，異常信息例子如下：

4 總結(jié)

本文針對光伏逆變器和光伏主站之間由于通信協(xié)議而導(dǎo)致的通信問題進(jìn)行了深入的研究和分析，結(jié)合大量的工程應(yīng)用實踐，提出了一種用于解決不同通信協(xié)議彼此不匹配問題的算法模型，并基于此模型研發(fā)了一種基于光伏逆變器的通信協(xié)議的智能匹配技術(shù)。通過應(yīng)用該技術(shù)，可以達(dá)到如下效果：

1)已接入設(shè)備類型的快速接入。

2)新接入類型設(shè)備，根據(jù)規(guī)約的難易程度，1-5天完成接入。

3)同種協(xié)議類別(例如Modbus協(xié)議)設(shè)備可以快速配置接入。

4)已接入設(shè)備類型可現(xiàn)場實時調(diào)試。

該技術(shù)的提出和應(yīng)用，實現(xiàn)了不同型號逆變器與光伏主站之間的快速匹配，有效解決了由于逆變器通信協(xié)議問題而帶來的工期延誤、系統(tǒng)升級和運維成本高等問題，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和工程應(yīng)用價值。

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StudyofIntelligentMatchingTechnologyBasedontheCommunicationProtocolofPhotovoltaicInverter

Zou Yunfeng1， Wu Fei1, Wang Guangxing2，Kong Yueping1，Liu Ruiqiao2， Ben Anqing2

(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute,Nanjing 210000; 2.Longshine Technology Co.Ltd.,Hangzhou 310000,China)

With the energy crisis, climate warming, environmental pollution and other issues becoming increasingly serious，the development of distributed clean energy has become a national policy。In the PV Station project, the communication problem between different types of photovoltaic (PV) inverter and PV master station is talked. First, various types of communication protocols used by photovoltaic (PV) inverters are analyzed and a set of algorithm for automatically analyzing the communication protocol of PV inverter is constructed. Then a kind of intelligent matching technology based on PV inverter communication protocol is developed and it is proved to be effective with a large number of engineering practices. With the technology, the protocol analyzed can be directly switched on, the new protocol can be quickly switched on and the debugging of on-site devices switched on can be directly carried out etc.

Modbus；photovoltaic inverter；protocol；analysis；intelligent match

2017-06-12；

2017-07-17。

國家電網(wǎng)公司科技項目(SGTYHT/14-JS-191)。

鄒云峰(1977-)，男，江西豐城人，碩士研究生，高級工程師，主要從事電力自動化、用電技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)09-0237-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.061

TU47

A