余運(yùn)俊，張燕飛，萬曉鳳*，鄭博福，楊曉輝

(1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌330031；2.南昌大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院，江西南昌330031)

基于CAN總線的分布式光伏電力設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

余運(yùn)俊1，張燕飛1，萬曉鳳1*，鄭博福2，楊曉輝1

(1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌330031；2.南昌大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院，江西南昌330031)

為方便對(duì)分布式光伏發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320F28335為控制器對(duì)光伏電力設(shè)備的各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，通過CAN總線與工控機(jī)構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，利用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的集中顯示，從而更加直觀地了解各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)便于應(yīng)用各種算法，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)控制功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性高，能夠長(zhǎng)時(shí)間在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，取得了良好的效果。

分布式光伏發(fā)電；CAN總線；TMS320F28335；設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

分布式光伏發(fā)電是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的、可提高能源綜合利用效率和供電可靠的發(fā)電方式[1]。它倡導(dǎo)就近發(fā)電，就近并網(wǎng)，就近轉(zhuǎn)換，就近使用的原則，有效地解決了電能在高壓輸電過程中的損耗問題。分布式光伏發(fā)電一般建在用戶側(cè)，具有容量小、投資小、清潔環(huán)保、供電可靠和發(fā)電方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在工業(yè)廠房、公共建筑及居民屋頂上[2]。近年來，分布式光伏發(fā)電與建筑一體化結(jié)合得到了越來越廣泛的應(yīng)用，經(jīng)常作為建筑物的主要電能來源[2]。在分布式光伏發(fā)電組件系統(tǒng)中主要包括太陽能光伏電池板、環(huán)境儀、光伏防雷匯流箱、蓄電池組和光伏逆變器等設(shè)備，以一學(xué)校建筑物為依托，共有六個(gè)屋頂，在每個(gè)屋頂上都安裝一套發(fā)電功率最大為20 kW的太陽能光伏組件，為保證該發(fā)電系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)，并把采集到有關(guān)數(shù)據(jù)傳送至工控機(jī)，通過工控機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析能力，對(duì)采集的各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析處理，并通過工控機(jī)上的監(jiān)測(cè)界面對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式光伏電力設(shè)備的有效監(jiān)測(cè)，對(duì)該發(fā)電系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)的通信總線選擇

在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，由于RS485總線成本較低、接口簡(jiǎn)單，還具有多機(jī)通訊的能力，使其在智能家居、遠(yuǎn)程控制、樓宇自動(dòng)化控制、監(jiān)控報(bào)警等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用[3]。但是受通信協(xié)議的限制，RS485總線數(shù)據(jù)傳輸速率較低，通信失敗率較高，容納的節(jié)點(diǎn)數(shù)較少[4]，而且它不能夠做總線的自動(dòng)仲裁以避免總線競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)造成整個(gè)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余量較大，通信效率下降，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的癱瘓[4]。與RS485總線相比，CAN總線具有通信速率高、傳輸距離長(zhǎng)、通信失敗率低、容納的節(jié)點(diǎn)數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，而且CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線將做出自動(dòng)仲裁，具有更高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文將被傳輸，從而避免了總線沖突[5]，故CAN總線更加適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的通信系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP數(shù)據(jù)采集和CAN總線的通信系統(tǒng)對(duì)分布式光伏發(fā)電的各設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用TI公司的32位浮點(diǎn)處理器TMS320F28335作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控芯片，并與工控機(jī)構(gòu)建成一個(gè)CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，通過CAN總線把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機(jī)處理，解決了RS485總線通信的不足，大大提高了通信的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，降低了通信的失敗率。

2 CAN總線通信技術(shù)

2.1 CAN總線概述

CAN即控制器局域網(wǎng)，是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，或者一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的串行通信協(xié)議，可以有效地支持分布式實(shí)時(shí)控制，具有較高的通信速率和較強(qiáng)的抗干擾能力[5]。更關(guān)鍵的是，CAN總線具有非破壞性避免總線沖突的特點(diǎn)，可以保證在產(chǎn)生總線沖突的情況下，具有更高優(yōu)先級(jí)的消息沒有被延時(shí)傳輸，提高了實(shí)時(shí)性。CAN總線的物理通信介質(zhì)簡(jiǎn)單，采用的是雙絞線進(jìn)行差分信號(hào)的傳輸。

2.2 CAN總線的工作原理

CAN總線上可以同時(shí)掛載多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)備，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立，不受其他節(jié)點(diǎn)的影響。各個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅可以發(fā)送自己的報(bào)文，也可以接收來自總線的報(bào)文。對(duì)于單個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，無論總線上的報(bào)文是否發(fā)送給自己，它都會(huì)接收，然后通過內(nèi)部的驗(yàn)收屏蔽寄存器來判斷此報(bào)文是否為要接收的報(bào)文[5]。若2個(gè)或2個(gè)以上的CAN節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，即總線沖突。此時(shí)，CAN總線就按位對(duì)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行仲裁，標(biāo)識(shí)符較小的報(bào)文具有更高的優(yōu)先級(jí)，獲得總線的控制權(quán)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)退出總線競(jìng)爭(zhēng)，直至總線空閑再發(fā)送報(bào)文。在同一個(gè)CAN控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，CAN節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符唯一。

2.3 CAN總線數(shù)據(jù)格式

CAN總線采用多主串行通信，數(shù)據(jù)信息以報(bào)文的形式從發(fā)送器到接收器，CAN總線規(guī)范定義了2種不同的數(shù)據(jù)幀格式，主要區(qū)別是兩種幀格式的標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度不同：標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識(shí)符為11位，擴(kuò)展幀的標(biāo)識(shí)符為29位，本文采用標(biāo)準(zhǔn)幀進(jìn)行報(bào)文的傳輸，其格式如圖1所示，主要由仲裁區(qū)、控制區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、CRC校驗(yàn)區(qū)以及幀結(jié)束區(qū)幾部分組成[5]。

3 CAN總線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

分布式光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由工控機(jī)(上位機(jī))、DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(下位機(jī))、CAN總線等組成的。其中，DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種狀態(tài)參數(shù)，如：光伏陣列輸出的電壓、電流；三相光伏逆變器直流側(cè)的電壓、電流及交流側(cè)的三相并網(wǎng)相電壓、相電流和頻率；環(huán)境儀輸出的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)[6]。DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，以CAN數(shù)據(jù)的格式組成一幀報(bào)文，由CAN收發(fā)器發(fā)送至CAN總線上，工控機(jī)通過CAN接口卡接收來自CAN總線上的報(bào)文，對(duì)有關(guān)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行顯示和分析，并根據(jù)分析的情況形成新的控制策略發(fā)送至DSP系統(tǒng)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控通信系統(tǒng)如圖2所示，工控機(jī)對(duì)各分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行集中顯示和控制，以完成對(duì)分布式光伏發(fā)電各設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，通過CAN總線與工控機(jī)進(jìn)行通信，以及執(zhí)行工控機(jī)發(fā)送給DSP系統(tǒng)的有關(guān)控制命令以及每套光伏發(fā)電系統(tǒng)出力的有功功率和無功功率等。工控機(jī)采用USBCAN智能CAN接口卡，它完全支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，符合ISO/DIS11898規(guī)范，通信速率最大可達(dá)到1Mbps，不僅具有體積小、即插即用等特點(diǎn)，而且支持在VC++、C++Builder、VB等開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)。DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器采用TI公司最新的浮點(diǎn)型處理器TMS320F28335，它的最高工作頻率可達(dá)到150MHz，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，相比于TI公司的另一高端芯片TMS320F2812，它最明顯的優(yōu)勢(shì)在于增加了浮點(diǎn)處理單元FPU，可同時(shí)執(zhí)行定點(diǎn)和浮點(diǎn)運(yùn)算，對(duì)于浮點(diǎn)型算法，如快速傅里葉變換(FFT)和有限脈沖響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波，將會(huì)提高約50%的處理速度[5]。它的eCAN模塊為CPU提供了完整的CAN2.0B協(xié)議，減小了通信時(shí)的CPU開銷[5]。它還自帶12位ADC模塊，具有16路轉(zhuǎn)換通道，80 ns的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間，非常適合作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控芯片，滿足了對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中各設(shè)備數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、可靠性和復(fù)雜算法處理能力等要求。

圖2 光伏發(fā)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

4 DSP數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

光伏匯流箱裝置帶有RS485接口，可以把測(cè)量和采集到光伏陣列輸出的總電壓、總電流和設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行上傳，DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只要通過RS485總線通信即可得到匯流箱的有關(guān)狀態(tài)參數(shù)。

4.1 逆變器輸出電壓電流采樣電路的設(shè)計(jì)

采樣電路包括信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)濾波、信號(hào)放大和電壓提升電路等環(huán)節(jié)，電流互感器采用的是高精密的SCT214GZ，電壓互感器采用的是SPT204A，這兩款互感器都是將原邊的信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電流信號(hào)，所以交流電壓電流的采樣電路基本是一致的。具體電路如圖3所示，對(duì)光伏逆變器輸出的A相電流進(jìn)行采樣為例進(jìn)行說明，A相經(jīng)電流互感器后的電流首先經(jīng)過I/U變換電路，將交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)，之后經(jīng)過電壓放大調(diào)理電路，把交流電壓信號(hào)放大至適當(dāng)?shù)姆秶Ｒ驗(yàn)镕28335的ADC模塊的電壓輸入范圍是0～3 V，故要把交流電壓信號(hào)變換成0～3 V的直流電壓信號(hào)，對(duì)放大調(diào)理電路的輸出進(jìn)行電壓提升處理，以保證輸入ADC模塊的電壓信號(hào)范圍為0～3 V，最后將電壓信號(hào)通過一個(gè)二階巴特沃斯低通濾波器以除去高頻干擾信號(hào)后送入F28335的ADC通道。

圖3 交流電流信號(hào)的采樣電路

4.2 頻率測(cè)量電路設(shè)計(jì)

光伏逆變器輸出的相電壓通過精密的電壓互感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，如圖4所示，再由電壓調(diào)理電路和電壓比較器進(jìn)行過零檢測(cè)，將正弦波進(jìn)行整形，得到與相電壓頻率相同的方波信號(hào)，利用F28335的eCAP模塊對(duì)方波的上升沿或下降沿進(jìn)行捕捉，根據(jù)通用定時(shí)器GPT單元的計(jì)數(shù)值來計(jì)算光伏逆變器輸出的電壓頻率。

圖4 頻率測(cè)量電路

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括工控機(jī)的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)和DSP系統(tǒng)的CAN通信程序設(shè)計(jì)。工控機(jī)的監(jiān)控界面采用VC++開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合USBCAN智能CAN接口卡提供的工具包軟件已完成CAN總線通信，并將接收到的報(bào)文經(jīng)處理后存入SQLServer2008數(shù)據(jù)庫中[7]。DSP中的CAN總線通信程序的設(shè)計(jì)主要包括eCAN模塊的初始化、CAN報(bào)文接收和發(fā)送程序。

5.1 eCAN模塊的初始化[5]

在使用F28335的eCAN模塊前，必須對(duì)其進(jìn)行初始化，初始化主要完成的工作為配置I/O引腳、CAN通信波特率的設(shè)置、設(shè)置發(fā)送及接收郵箱，圖5為eCAN模塊初始化流程。

圖5 CAN模塊初始化流程圖

5.2 CAN報(bào)文的接收程序[5]

在F28335中的eCAN模塊在接收?qǐng)?bào)文時(shí)，先將要接收的報(bào)文的標(biāo)識(shí)符與相應(yīng)的接收郵箱的標(biāo)識(shí)符相比較，只有標(biāo)識(shí)符相同的報(bào)文才能被接收。為了提高CPU的工作效率，F(xiàn)28335接收CAN報(bào)文采用中斷方式接收，圖6為eCAN模塊接收程序流程。

圖6 CAN模塊接收程序流程圖

5.3 CAN報(bào)文的發(fā)送程序[5]

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過F28335后交由CAN發(fā)送程序，把報(bào)文發(fā)送至CAN總線上。發(fā)送時(shí)按照CAN數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)幀的格式組成一幀幀報(bào)文，寫入到相應(yīng)的發(fā)送郵箱，啟動(dòng)發(fā)送即可把報(bào)文發(fā)送至CAN總線上，發(fā)送程序流程如圖7所示。由于DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的有關(guān)狀態(tài)參數(shù)都是浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，要占用四個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，故一幀標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀報(bào)文只能包含兩種不同類別的狀態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)幀的具體定義如表1所示。F28335每隔2 s向CAN總線發(fā)送9幀報(bào)文，最后一幀的最后4個(gè)字節(jié)為結(jié)束標(biāo)志。

圖7 CAN模塊發(fā)送程序流程圖

6調(diào)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過TI公司提供的CCSv3.3開發(fā)軟件、TMS320F28335數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、ICETEK-5100USB v2.0仿真器以及USBCAN智能CAN接口卡進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和CAN總線通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，工控機(jī)與TMS320F28335的CAN總線通信快速準(zhǔn)確，工控機(jī)通過CAN總線從TMS320F28335讀取數(shù)據(jù)，并在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)地顯示了各設(shè)備的運(yùn)行狀況，該工控機(jī)能同時(shí)對(duì)多套太陽能光伏發(fā)電組件進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，工控機(jī)的監(jiān)控軟件可以通過USBCAN智能CAN接口卡實(shí)時(shí)地接收來自下位機(jī)發(fā)送的報(bào)文，而且實(shí)時(shí)性高，效果良好。

7 總結(jié)

為了監(jiān)控分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的數(shù)據(jù)采集和CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并將各設(shè)備的運(yùn)行狀況在工控機(jī)上集中顯示。該系統(tǒng)還充分利用了TMS320F28335強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，大大地提高了數(shù)據(jù)采集的速度和精度，采用CAN總線通信，提高了通信的實(shí)時(shí)性、安全性和穩(wěn)定性。分布式光伏發(fā)電建筑一體化和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)將是以后發(fā)展的趨勢(shì)，基于CAN總線的分布式光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)提高光伏發(fā)電效率、智能化控制水平以及優(yōu)化光伏發(fā)電的實(shí)時(shí)性有重要作用，有良好的應(yīng)用前景。

圖8 工控機(jī)監(jiān)控界面

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Distributed photovoltaic power generation equipmentmonitoring system based on CAN bus

YU Yun-jun1，ZHANG Yan-fei1，WAN Xiao-feng1*，ZHENG Bo-fu2，YANG Xiao-hui1
(1.College of Information Engineering，Nanchang University，Nanchang Jiangxi330031，China;2.College ofEnvironmental Engineering，Nanchang University，Nanchang Jiangxi330031，China)

A real-time monitoring and control system based on CAN bus was designed to monitor and control the equipment in distributed photovoltaic power generation system.The TMS320F28335 was used as controller to collect the various states parameters of the photovoltaic power generation equipment，and a communication network based on the CAN bus and industrial computer was built.The industrial computer was used for concentrated display of photovoltaic power generation equipment operating status，which can be more intuitive understanding of the operating state ofeach device.It is easy to be applied to various algorithms in order to achieve them icro-grid control function.The test results show that the system achieves good results which is stable and long online real-time monitoring.

distributed photovoltaic power generation;CAN bus;TMS320F28335;equipmentmonitoring system

TM 615

A

1002-087 X(2016)07-1450-04

2015-12-01

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)(2014DFG72240)；國(guó)家自然科學(xué)基金(61563034)；江西省自然科學(xué)基金(20151BAB206051)；江西科技支撐計(jì)劃(2013BBE50102)；江西省青年科學(xué)基金(20132BAB211039)

余運(yùn)俊(1978—)，男，江西省人，博士后，副教授，主要研究方向?yàn)楣夥悄芪⒕W(wǎng)及低碳電力。

萬曉鳳(1964—)，女，江西省人，教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制與嵌入式智能儀表及光伏智能微網(wǎng)。