基于微能源網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

王文龍 張自雷 袁航航

摘要：文章以微能源網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)為研究背景，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的微能源網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)。文章簡(jiǎn)述了監(jiān)控管理平臺(tái)以DSP為控制核心的主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信等硬件設(shè)計(jì)；詳細(xì)介紹了軟件設(shè)計(jì)流程和相應(yīng)控制策略，系統(tǒng)控制策略包括并網(wǎng)和離網(wǎng)；通過(guò)軟件設(shè)計(jì)搭建虛擬管理平臺(tái)LabVIEW，將系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目標(biāo)。結(jié)果表明，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性，便于系統(tǒng)的管理和故障排查，確保管理平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：微能源網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)；云平臺(tái)；DSP；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TP31文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在當(dāng)前節(jié)能減排的大環(huán)境下，將進(jìn)一步減少非清潔資源的利用率。光伏發(fā)電作為一種清潔、低碳的清潔能源技術(shù)，提高其效率便顯得尤為重要。在清潔能源的有效利用方面，光伏發(fā)電和分布式能源技術(shù)能滿足低碳高效的要求，而微能源網(wǎng)技術(shù)的引入加快了清潔能源消耗的刺激［1］。微能源網(wǎng)基于微型電網(wǎng)通過(guò)將地?zé)岜眉傻降卦匆约疤?yáng)能熱泵形成了3種能源：冷、熱和電，這種協(xié)調(diào)的方法包括制冷系統(tǒng)、加熱、蓄熱和供電等，可以有效地改進(jìn)能源的高效利用，并降低用戶成本，減少環(huán)境污染。以微能源網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將管理與監(jiān)控一體化，達(dá)到微能源網(wǎng)系統(tǒng)智能化運(yùn)行操作的要求［2］。本文論述了熱電聯(lián)產(chǎn)與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要性，利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了能源與網(wǎng)絡(luò)的高效融合。相較于傳統(tǒng)的微能源網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)使用單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換電路，雖在成本上較低，但檢測(cè)的可靠性也較低；由于單片機(jī)主頻限制，系統(tǒng)對(duì)于檢測(cè)的反應(yīng)速度較慢，在復(fù)雜環(huán)境下容易受到影響。

本文提出一種基于DSP的微能源網(wǎng)數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性及較高精度，能夠滿足監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的需求。通過(guò)DSP硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，上位機(jī)設(shè)計(jì)，將采集的數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)處理等，滿足當(dāng)前微能源網(wǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)的要求。

1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)微能源網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、操作控制、狀態(tài)控制和物聯(lián)網(wǎng)連接的功能。為了達(dá)到監(jiān)測(cè)設(shè)備之間穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)，對(duì)微能源網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)規(guī)劃，包括網(wǎng)頁(yè)端與移動(dòng)端。在設(shè)計(jì)硬件框架的基礎(chǔ)上，開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)，其中，含有軟件與硬件的數(shù)據(jù)傳輸、虛擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)的分析等，大大提高了操作的直觀性。DSP控制器可以通過(guò)WiFi模塊將收到的數(shù)據(jù)傳送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，并通過(guò)連接顯示和儲(chǔ)存?zhèn)魉偷绞謾C(jī)終端，可在手機(jī)終端顯示和控制單元的數(shù)據(jù)信息，以及對(duì)被控單元進(jìn)行遠(yuǎn)程操作［3］。

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)管理；上位機(jī)采用虛擬儀器LabVIEW，包括數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析以及輔助模塊等。其中，交互操作的功能，即在系統(tǒng)中通過(guò)遠(yuǎn)程云平臺(tái)進(jìn)行人機(jī)交互，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中顯示和控制顯示界面端的虛擬工具是兩種實(shí)現(xiàn)模式。

2 硬件設(shè)計(jì)

微能源網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)硬件部分由控制端和DSP核心控制器構(gòu)成。在微能源網(wǎng)中，將大電壓和大電流轉(zhuǎn)化為可用于芯片工作的小電壓信號(hào)，這部分被稱為信號(hào)調(diào)節(jié)。WiFi單元將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并在創(chuàng)建的人機(jī)操作模塊顯示數(shù)據(jù)信息?？刂贫说耐ㄐ殴芾砟K主要由RS-485構(gòu)成，用于采集數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸；控制端包括DSP中央控制器，各單元模塊包括數(shù)據(jù)采集、控制保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)通信；輔助功能包含控制單元、界面交互以及設(shè)備通信和數(shù)據(jù)處理 ［4］。其中，核心控制器采用TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器。物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 通信模塊

控制端的通信模塊主要組成部分為RS-485和SCI，RS-485能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制指令的傳輸；SCI能夠?qū)崿F(xiàn)交流電能芯片將采集到的電能數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP控制器中，并通過(guò)RS-485總線將所有采集數(shù)據(jù)傳輸至核心控制器；核心控制器的通信模塊由RS-485通信單元和ESP通信單元組成。RS-485通信單元負(fù)責(zé)傳遞到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)電腦端物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)的監(jiān)測(cè)，包括實(shí)現(xiàn)與控制端的通信連接；ESP通信單元負(fù)責(zé)完成將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸方式上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微能源網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

2.2 DSP核心系統(tǒng)

TMS320F28335具有高達(dá)150 MHz的快速處理能力，處理器擁有浮點(diǎn)數(shù)為32位，支持ADC，McBSP和EMIF在6個(gè)DMA通道與18個(gè)PWM的輸出，其中有6個(gè)特定的HRPWM和16個(gè)12位ADC通道。此控制器使用浮點(diǎn)運(yùn)算單元，不僅用戶能夠快速編寫控制算法，不必在小數(shù)運(yùn)算上花費(fèi)太多的時(shí)間和精力，而且平均性能比上一代DSP提高50%，并與c28x定點(diǎn)控制軟件兼容，簡(jiǎn)化了軟件開發(fā)，縮短了開發(fā)周期，開發(fā)成本也進(jìn)一步降低；它可配置兩種不同的8通道入口模式，也可為其配置具有16通道的級(jí)聯(lián)輸入模式；輸入可以通過(guò)配置順序收集。與以往的定點(diǎn)DSP相比，該器件具有精度高、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確和快速等眾多優(yōu)點(diǎn)［5］。

2.3 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊實(shí)現(xiàn)微能源網(wǎng)的信號(hào)采集，根據(jù)采集可分為信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩個(gè)部分。外部硬件電路主要含有電流輸入模擬、輸出脈沖SCI通信接口以及電源等電路；SCI串行通信接口是HT7038內(nèi)部集成操作的依賴，采用兩條控制線和兩條數(shù)據(jù)線，便于主芯片測(cè)量和校準(zhǔn)表參數(shù)的傳輸；HT7038芯片使用的是LQP32封裝。模數(shù)轉(zhuǎn)換是將采集的電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，便于TMS320F28335對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取；電壓電流互感器將電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流差分信號(hào)，以達(dá)到HT7038的穩(wěn)定電壓范圍。TMS320F28335芯片內(nèi)部含專用通道，可用于直流電壓電流的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸nalog MUX，數(shù)據(jù)傳到EPWM處理，經(jīng)由12位ADC進(jìn)轉(zhuǎn)換處理，最后輸出到寄存器。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)要求對(duì)主程序進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計(jì)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，可以評(píng)估微電網(wǎng)以外的運(yùn)行情況，并根據(jù)不同的操作類型，在并網(wǎng)或離網(wǎng)的條件下執(zhí)行相應(yīng)的控制程序。在主程序開始運(yùn)行后，首先實(shí)現(xiàn)了對(duì)TMS320F28335和HT7038進(jìn)行初始化配置，然后進(jìn)入程序的主程序循環(huán)。微電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的第一次采集發(fā)生在程序的主周期中，包括：讀取HT7038寄存器數(shù)據(jù)，打開ADC并啟動(dòng)DMA傳輸，從微能源網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中讀取信息，并對(duì)光耦輸入狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過(guò)分析得出微能源電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和并離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示，根據(jù)分析的結(jié)果，在并網(wǎng)或離網(wǎng)連接的情況下執(zhí)行相應(yīng)的控制和監(jiān)測(cè)程序。

3.2 并網(wǎng)控制程序設(shè)計(jì)

為了能夠最大限度地利用新能源，在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，主要由光伏和風(fēng)能系統(tǒng)產(chǎn)生的能量來(lái)提供，不足的部分通過(guò)注入大型電網(wǎng)來(lái)補(bǔ)償，多余的能量由儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償，該系統(tǒng)通過(guò)給主電池充電來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)能量。若風(fēng)光提供能量都高于需求，且主蓄電池組已經(jīng)充滿電時(shí)，可適當(dāng)通過(guò)減少光伏發(fā)電來(lái)實(shí)現(xiàn)能量平衡。并網(wǎng)控制策略名詞包含：微能源網(wǎng)內(nèi)部實(shí)時(shí)發(fā)電功率（PG）及負(fù)荷功率（PL）；儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)（SOCH）；儲(chǔ)能電池S0C的上限（SOCmax）；功率誤差可波動(dòng)范圍（PS）；儲(chǔ)能電池充電功率（PFC）；儲(chǔ)能電池的充電功率最大值（PFCmax）。若功率變化量絕對(duì)值低于功率誤差可波動(dòng)范圍時(shí)，功率誤差在功率可波動(dòng)允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡，不進(jìn)行能源調(diào)節(jié)；若功率變化量絕對(duì)值高于功率誤差可波動(dòng)范圍且不低于0時(shí)，設(shè)定注入電網(wǎng)來(lái)適度調(diào)節(jié)；當(dāng)荷電狀態(tài)低于儲(chǔ)能電池的最大值且充電功率低于充電功率最大值時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池組進(jìn)行充電，采用算法控制電池組的充電功率，能夠使其與變化量ΔP相等；當(dāng)荷電狀態(tài)高于儲(chǔ)能電池的最大值或充電功率高于充電功率最大值時(shí)，通過(guò)算法控制來(lái)達(dá)到減小光伏發(fā)電功率的目的，使其與電力負(fù)載系統(tǒng)相等。其中，并網(wǎng)運(yùn)行控制流程如圖4所示。

3.3 離網(wǎng)控制程序設(shè)計(jì)

在離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，微電網(wǎng)的能量規(guī)劃中不含有大電網(wǎng)，在發(fā)電功率和負(fù)載功率不平衡的情況下，通過(guò)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電和充電的次數(shù)，減少負(fù)載，來(lái)調(diào)節(jié)光能系統(tǒng)的生產(chǎn)功率，從而平衡微電網(wǎng)的能量。在光伏發(fā)電場(chǎng)產(chǎn)生剩余電力的情況下，可對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電或適當(dāng)降低光伏電站的發(fā)電量。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的排氣功率達(dá)到下限或排氣功率用盡時(shí)，負(fù)荷應(yīng)當(dāng)優(yōu)先于平均負(fù)荷。儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電功率達(dá)到下限或電量耗盡時(shí)，按照平均負(fù)荷的優(yōu)先順序承擔(dān)負(fù)荷。離網(wǎng)控制策略名詞包含：儲(chǔ)能電池的下限（S0Cmin）；儲(chǔ)能電池充電功率（PC）；儲(chǔ)能電池充電功率的最大值（PCmax）；儲(chǔ)能電池的放電功率（PF）；儲(chǔ)能電池放電功率的最大值（PFmax）。若功率變化量絕對(duì)值低于功率誤差可波動(dòng)范圍時(shí)，功率誤差在功率可波動(dòng)允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡，不進(jìn)行能源調(diào)節(jié)；若功率變化量絕對(duì)值高于功率誤差可波動(dòng)范圍且不大于0時(shí)，荷電狀態(tài)高于儲(chǔ)能電池的最小值且充電功率低于充電功率最大值時(shí)，通過(guò)控制算法來(lái)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)功率變化量|ΔP|；若荷電狀態(tài)低于儲(chǔ)能電池的最小值或充電功率高于充電功率最大值時(shí)，則負(fù)載按重要性的順序被除去；若功率變化量絕對(duì)值高于功率誤差可波動(dòng)范圍且不低于0時(shí)，荷電狀態(tài)低于儲(chǔ)能電池的最大值且充電功率低于充電功率最大值時(shí)，則儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，通過(guò)控制算法控制充電功率，使其等于功率變化量ΔP。若功率變化量絕對(duì)值高于功率誤差可波動(dòng)范圍且不低于0時(shí)，荷電狀態(tài)高于儲(chǔ)能電池的最大值或充電功率高于充電功率最大值時(shí)，通過(guò)控制算法使得光伏發(fā)電功率減小，直到與系統(tǒng)負(fù)荷功率相等。其中，離網(wǎng)運(yùn)行控制流程如圖5所示。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與上位機(jī)設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)的通用應(yīng)用層中，MQTT以其簡(jiǎn)單、輕便、易用的特點(diǎn)被各種物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)廣泛使用［6］。MQTT通信協(xié)議對(duì)于嵌入式設(shè)備及多種不可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，具有較好的適應(yīng)性。該協(xié)議是頂層TCP/IP協(xié)議，使用訂閱/發(fā)布通信結(jié)構(gòu)。Web發(fā)布功能是利用Web技術(shù)將微能源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MQTT通信協(xié)議發(fā)布，可完成遠(yuǎn)程訪問(wèn)與管理［7-8］；核心控制器將采集的電能數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將數(shù)據(jù)通過(guò)通信協(xié)議發(fā)至相應(yīng)服務(wù)器集中數(shù)據(jù)管理，顯示在移動(dòng)端；物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)總體架構(gòu)如圖6所示。系統(tǒng)中上位機(jī)設(shè)計(jì)的功能包含：LabVIEW與DSP之間的通信功能、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等。上位機(jī)使用虛擬儀器LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)；在設(shè)計(jì)虛擬儀器LabVIEW和DSP通信過(guò)程時(shí)，需要使用VISA簽證庫(kù)與相應(yīng)串口通信協(xié)議建立鏈接，建立上下位機(jī)之間的通信［9］。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)微能源網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集與分析，提高了管理平臺(tái)的直觀性。經(jīng)過(guò)測(cè)試，用戶可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)遠(yuǎn)程接入并掌握系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行性能和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、可調(diào)可控系統(tǒng)設(shè)備、分析數(shù)據(jù)等，顯著提高光伏電站運(yùn)行效率，提升微能源網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 沈 強(qiáng)）