CN103475594B - 一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统和方法，光伏电站的智能设备的运行数据通过所述通信信道与监控系统主机中的通信采集单元连接，该系统包括通过总线相互通信的端口服务器和逻辑分析器；所述系统还包括分别连接逻辑分析器的实时数据库和看门狗模块；所述系统的端口服务器分别连接智能设备通信信道和监控设备通信信道；所述逻辑分析器通过扩展通信信道连接调度监控系统。本发明的系统和方法在不破坏、不衰减原有通信信道的基础上进行信道扩展。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏电站监控技术领域的方法，具体讲涉及一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统及方法。
背景技术
近些年来，以太阳能、风能为代表的新能源在全球得到迅猛发展。目前，太阳能是世界上最具前景的清洁能源之一，各国都将太阳能资源利用作为构建可持续发展战略的重要内容。
光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、维护简便等优点，是近年来出现爆发式增长趋势的太阳能利用方式。我国太阳能资源十分丰富，全国有90%以上的陆地太阳能资源属于较丰富、很丰富或最丰富，这为我国光伏发电的发展提供了基本条件。
光伏电站是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。光伏电站是由太阳能电池阵列、汇流箱、交流逆变器等设备组成。
光伏电站监控系统用于对光伏电站设备进行实时持续的监视记录和控制、系统故障记录与报警以及各种参数的设置，还可以通过网络进行远程监控。监控系统数据包括实时阵列电压、发电功率等电气运行数据，日照辐射强度、组件温度、环境温度等气象数据，还包括累计发电量统计、累计减少CO2排放量等统计分析数据。通过计算机分析，监控系统实时掌握设备的工作状态，对于工作状态异常的设备，发出故障报警信息，保证光伏发电的可靠性。
光伏电站智能设备的运行数据通过光伏电站通信信道与监控系统主机中的通信采集单元连接。通信媒体包括电缆和光纤，通信接口包括串口和以太网。串口包括RS-232和RS-485接口。RS-232接口只能提供“点对点”通讯，通讯设备数量只能有一个，并且标准距离不超过15米；RS-485接口采用总线型接线，抗干扰能力强，可以接多个设备，并且在通讯速率不高的情况下距离可达1200米。以太网包括电缆和光纤。电缆传输接口通常采用RJ-45，通讯线采用铜质超五类双绞线；或者采用BNC，通讯线分细缆和粗缆。光纤的传输模式包括单模和多模。单模光纤是指在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤，通常光波长有1310nm和1550nm；多模光纤将光纤按工作波长以其传播可能的模式为多个模式的光纤，通常光波长是850nm。串口在一定条件下可以转换成以太网，接口模式和数据传输层都可以通过软硬件结合的方法转换，所以串口也可以采用光纤传输信号。
光伏监控系统是光伏电站的重要组成部分，为了提高光伏电站的自动化水平和运行管理水平，配合各个地区的能量管理系统（EMS）调节光伏电站电能质量和功率输出，无论是无人值守还是有人值班光伏电站，都需要把所采集的重要信息传输给EMS调度系统。同时光伏电站也需要接受EMS发出的调度指令。由光伏电站向EMS发送的信息，通常称为“上行信息”；而由EMS向光伏电站发送的信息，称“下行信息”。光伏电站与EMS之间相互传输的这两种信息统称“远传信息”，以便与光伏电站内部各智能设备与监控系统之间传输的“内部信息”相区别。
但是现在的光伏电站与EMS之间还没有建立起大规模的通讯连接，少数的实验性质光伏电站建立起的通讯连接也只是将远传信息先下发到监控系统，监控系统再转发给智能设备，中间环节较多且可靠性堪忧。对光伏发电设备的电能质量检测和功率输出调节最优选择是直接与交流逆变器设备通讯，根据监测交流逆变器的有功电能输出进行补贴并且配合电网调度进行在线功率调节。这需要交流逆变器开放通讯端口及通信协议。然而一方面EMS的建设滞后于光伏电站的发展，另一方面很多进口交流逆变器也没有提供专门供EMS通讯用的端口。
正常情况下光伏电站监控系统与智能设备之间建立通讯连接，监控系统与智能设备之间通过串口或以太网建立通信信道，使用定义好的通信协议进行数据传输。在整个数据的传输过程中只有监控系统与智能设备之间进行“对话”。如果外界需要介入其通讯过程，则需要监控系统或智能设备开放通讯接口，建立新的通信信道，才能够为第三方建立数据传输的通信信道。
目前针对新能源领域的远程控制、调节要求越来越多，传统的监控方法已不能满足新的要求。比如，根据国家鼓励发展光伏产业的扶持政策中就有具体的规定，要求接受国家政策补助的光伏电站需向远程数据中心上传实时运行数据，并接受能量管理系统（EMS）的调度。然而许多光伏电站建设初期采购的智能设备和监控系统都是同一厂家生产的封闭的通讯系统，接口不标准，互操作性差，售后维护不包括通讯接口的开发，成套采购的国外进口光伏发电系统尤甚。
因此，需要提供一种在现有监控系统与智能设备的通信信道中非干扰式通信信道扩展的方法和系统。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统及方法，该方法为一种非干扰式的通信信道扩展方法，在不破坏、不衰减原有信道的基础上进行信道扩展。
实现上述目的所采用的解决方案为：
一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统，所述光伏电站的智能设备的运行数据通过所述通信信道与监控系统主机中的通信采集单元连接，其改进之处在于：所述系统包括通过总线相互通信的端口服务器和逻辑分析器；所述系统还包括分别连接逻辑分析器的实时数据库和看门狗模块；所述系统的端口服务器分别连接智能设备通信信道和监控设备通信信道；所述逻辑分析器通过扩展通信信道连接调度监控系统。
进一步的，所述总线包括数据总线和控制总线；
所述数据总线为所述端口服务器和逻辑分析器间的报文双向传输的通道；所述控制总线为所述逻辑分析器对所述端口服务器下发指令的单向传输的通道。
进一步的，所述端口服务器将从所述通信信道中接收的报文通过数据总线传至所述逻辑分析器。
进一步的，所述逻辑分析器分析所述智能设备与监控系统之间传输的报文内容，获得所需的数据，将所述数据存储至所述实时数据库并发送至扩展通信信道，并且将扩展通信信道接收到的调度指令下发至智能设备。
进一步的，所述逻辑分析器不截留所述智能设备和监控系统之间的报文，不干扰智能设备和监控系统之间的报文传输。
进一步的，所述看门狗模块包括定时器，所述逻辑分析器在单位时间内发送心跳信号至所述看门狗模块，所述看门狗模块根据接收的心跳信号重置定时器。
进一步的，当所述逻辑分析器进入死锁状态，无法发送所述心跳信号，则重启系统。
一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的方法，所述光伏电站的智能设备的运行数据通过所述通信信道与所述监控系统主机中的通信采集单元连接，其改进之处在于：所述方法包括步骤：
I、端口服务器接入智能设备通信信道和监控设备通信信道之间，所述端口服务器切断所述智能设备和所述监控系统原有的通信信道，建立分别与智能设备和监控系统通信的扩展通信信道；
II、所述端口服务器将从所述通信信道中接收的报文通过数据总线传至所述逻辑分析器；
III、所述逻辑分析器分析报文，获取数据并存储至实时数据库，并在单位时间内发送报文至另一通信信道；
IV、所述逻辑分析器通过所述控制总线控制所述端口服务器阻塞监控系统通信信道；所述逻辑分析器发送调度指令至所述智能设备通信信道；所述逻辑分析器在调度指令正确下发后通过控制总线解除对监控系统通信信道的阻塞，监控系统发出的报文能正确传输到智能设备，监控系统认为通讯没有任何中断。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的方法及系统不干扰原有通信信道正常工作情况下接收和分析报文，并向其它通信系统发送分析的报文内容。
（2）本发明的方法及系统实现对光伏电站已有通信信道的报文分析、数据上传和调度控制功能，确保通信的可靠、安全。
（3）本发明的方法及系统具有通信信道旁路功能，即使整个通信信道扩展系统没上电、处于不工作状态，也不会干扰正常的通信信道工作。
（4）本发明的方法及系统在不干扰原有通信信道正常工作情况下，实现了插入调度控制指令的功能，且智能设备和监控系统不知道“插进”了一个新的通信信道，更无从与之单独建立通信连接。
（5）本发明的方法及系统可操作性高，不仅可以运用与光伏电站，还可以应用到其它新能源发电通讯领域，比如风力发电、分布式发电等。
（6）本发明的方法及系统中分别通过数据总线和控制总线分别进行端口服务器和逻辑分析器间的报文双向传输及逻辑分析器向端口服务器单向下发指令，传输速度高，信号不干扰。
附图说明
图1为通信信道扩展系统连接图；
图2为逻辑分析器状态机工作图；
图3为插入调度指令时序图一；
图4为插入调度指令时序图二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如图1所示，图1为通信信道扩展系统连接图；光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统包括端口服务器、逻辑分析器、看门狗模块和实时数据库；端口服务器接入智能设备通信信道和监控系统通信信道之间；端口服务器通过总线与逻辑分析器连接。光伏电站的智能设备和监控系统主机中的通信采集单元之间通信信道可通过扩展通信信道与调度监控系统（EMS认为是调度监控系统的其中一种）连接。
端口服务器，用于提供通讯端口与智能设备和监控系统连接。端口服务器有多种类型的通讯端口。通讯端口包括串口、以太网和光纤。串口接口标准包括RS-232和RS-485；以太网接口标准包括RJ-45和BNC；光纤接口标准按照波长和工作模式组合划分包括850nm多模、1310nm单模和1550nm单模。
端口服务器成对使用通讯端口，所述通讯端口包括RS-232、RS-485、RJ-45、BNC、光纤接口等。整个系统没有上电时，智能设备和监控系统的通信信道可视为正常连接。系统上电启动过程中，通信信道仍然正常连接。直到系统启动完毕，端口服务器接收到控制总线发出的控制命令，将已连接的信道断开，分成2个独立的通信信道，并将接收的报文通过数据总线传输给逻辑分析器。
逻辑分析器，用于分析从一个通信信道接收到的报文，根据软件判断该报文包含的信息，并且在规定的时间之内将该报文转发到另一个通信信道。分析报文之后，将处理的数据通过扩展通信信道转发到电力系统中的远程监控系统，即调度监控系统。如果调度监控系统发出调度指令，逻辑分析器则通过控制总线向端口服务器发出命令，阻塞监控系统通信信道收到的数据，将调度指令下发到智能设备通信信道，让智能设备接收到调度指令时认为该指令是监控系统发出。而逻辑分析器在调度指令正确下发之后通过控制总线解除对监控系统通信信道的阻塞，监控系统发出的报文能正确传输到智能设备，监控系统认为通讯没有任何中断。
逻辑分析器包括以下功能：
1、逻辑分析器为各种状态的应用功能提供支撑服务，如图2所示，图2为逻辑分析器状态机工作图；所述状态包括以下可能：
（1）停止状态：整个系统没有上电，系统不工作。智能设备和监控系统的通信信道视为正常连接。
（2）待机状态：逻辑分析器正常工作状态，等待数据总线将通讯端口接收的报文传输到逻辑分析器，或者等待接收调度发出的指令。智能设备和监控系统的通信信道视为正常连接。
（3）分析状态：分析收到的报文，根据软件判断该报文包含的信息，解析出需要的数据存入实时数据库，并且在规定的时间之内向另一个通信信道发送该报文。
（4）调度状态：通过控制总线阻塞监控系统通信信道，根据调度指令向智能设备通信信道发出调度指令，在完成了整个调度过程后通过控制总线释放阻塞信号，恢复正常通讯过程。
（5）故障状态：由看门狗模块监视，停止给看门狗模块发心跳信号。
2、系统未上电的旁路功能：系统处于停止状态，端口服务器与智能设备通讯的信道在系统内部连接。从外界看这种连接方式和智能设备到监控系统的直接连接没有区别。
3、运行中的数据传输功能：正常运行过程中，外界数据总是能双向地从智能设备通信信道传输到监控系统通信信道。
4、报文解析功能：端口服务器收到任何通信信道都会通过数据总线传输给逻辑分析器，逻辑分析器根据通讯规约分析每一帧报文，从中挑选出需要的数据，保存到实时数据库中。错误报文可正确判读，缺码报文可容错解析。分析报文需要根据实际通讯所采用的通讯协议进行分析。需要的数据由逻辑分析器软件分析、提取。
5、扩展通信信道功能：扩展的通信信道的目的地多数指的是具有调度功能的EMS监控系统。从实时数据库中取出数据，根据EMS制定的通讯协议，如GB/T19582、DL451、DL/T634.5101、DL/T634.5104、DL/T667、DL/T860等上传给EMS监控系统，并接受EMS监控系统下发的调度指令。
6、插入调度指令功能：逻辑分析模块模拟监控系统给智能设备发出控制指令，使智能设备认为接收到的控制指令就是监控系统发出的。
如图3、4所示的插入调度指令时序图，正常查询周期是T。当接收到调度指令后，逻辑分析器首先通过控制总线发出命令，在ts时刻阻塞住监控系统通信信道，在整个TS过程中监控系统信道接收的报文都不响应。从tc时刻起逻辑分析器模拟监控系统通过数据总线给端口服务器的智能设备通信信道发送报文，让智能设备在整个TC过程中认为调度指令是监控系统发出的。很显然TC小于TS。当到达tc＇时刻调度指令执行完毕，逻辑分析器再在ts＇时刻通过控制总线解除阻塞监控系统通信信道。
如果像图3流程（a）所示，调度控制的流程简单，通信速度快，所需要的时间（ts+TS）小于正常查询周期T的时间，从监控系统的角度看通讯过程没有任何问题。但假如像图4流程（b）所示，所需要的时间（ts+TS）大于正常查询周期T的时间，监控系统将会出现查询失败的情况。调度控制过程时间TS越长，或者触发调度指令的时刻ts越大，越有可能造成监控系统判断通讯中断。因此，在插入调度指令功能时需要注意时序的匹配，应按照流程（a）执行，避免出现流程（b）出现的情况。
7、其他功能：如误码统计功能，分别统计每个通信信道的误码率，并统计该通信信道的中断次数；报文可以长时间海量存储，存储方式灵活，可以实时数据自动保存为二进制文件或文本文件格式，方便编辑、分析或交流讨论。
总线，端口服务器和逻辑分析器之间传输数据和接受控制的通道。内部总线使用的是系统高速总线。内部总线按照功能分为数据总线和控制总线。数据总线双向传输端口服务器接收和发送的报文，传输速率指标需超过2倍于端口服务器使用的通讯接口速率。控制总线是逻辑分析器对端口服务器下发指令的通道，单向传输。
看门狗模块，起到防止系统运行过程中程序进入死锁状态的软件。看门狗工作时内部会设置一个定时器，逻辑分析器需要在规定的时间内给看门狗发送心跳信号，看门狗在收到心跳信号后重置定时器。只要定时器没有超过整定的时间，看门狗就不会动作，否则看门狗将会发出指令重启系统。正因为逻辑分析器需持续不断地给看门狗发心跳信号，所以在任意工作状态中如果进入死锁状态，逻辑分析器就执行不了给看门狗发心跳信号的程序，进而看门狗等待超时后重启系统。
实时数据库，用于保存经过逻辑分析器解析的数据。根据信道传输的报文刷新频率，实时更新实时数据库中的数值。
光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统对应一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的方法，该方法的实现步骤包括：
步骤一、端口服务器接入智能设备通信信道和监控设备通信信道之间，端口服务器负责“切断”光伏电站智能设备和监控系统原有建立的通信信道，分别与智能设备和监控系统建立起新的通信信道，与远方调度监控系统建立起扩展通信信道。
步骤二、端口服务器将通信信道中接收的数据通过内部的数据总线传给逻辑分析器。
步骤三、逻辑分析器分析智能设备和监控系统之间传输的报文内容，整理出需要的数据，储存到实时数据库，再发送到扩展通信信道，并且将扩展通信信道接收到的调度指令下发给智能设备。
逻辑分析器不会“截留”智能设备和监控系统之间的报文，从外表看起来智能设备和监控系统之间的报文传输没有受到任何干扰。
步骤四、当远方调度监控系统下发调度指令时，逻辑分析器通过控制总线控制端口服务器阻塞监控系统通信信道；逻辑分析器发送调度指令至智能设备通信信道；逻辑分析器在调度指令正确下发后通过控制总线解除对监控系统通信信道的阻塞，监控系统发出的报文能正确传输到智能设备，监控系统认为通讯没有任何中断。
通讯过程中，对传输数据可靠性要求严格的如采用访问-应答方式，监控系统两次访问之间存在一个等待时间间隔，一次访问之后，等待应答的时间超过这个时间间隔，监控系统就判断通讯中断。本发明的系统操作简单、处理速度足够快，保证在上述等待时间内将智能设备发出的报文传输到监控系统，监控系统不会判断通讯中断，反之亦然。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统，所述光伏发电站的智能设备的运行数据通过所述通信非干扰式信道与监控系统主机中的通信采集单元连接，其特征在于：所述系统包括通过总线相互通信的端口服务器和逻辑分析器；所述系统还包括分别连接逻辑分析器的实时数据库和看门狗模块；所述系统的端口服务器分别连接智能设备通信信道和监控设备通信信道；所述逻辑分析器通过扩展通信信道连接调度监控系统。
2.如权利要求1所述的一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统，其特征在于：所述总线包括数据总线和控制总线；
所述数据总线为所述端口服务器和逻辑分析器间的报文双向传输的通道；所述控制总线为所述逻辑分析器对所述端口服务器下发指令的单向传输的通道。
3.如权利要求1所述的一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统，其特征在于：所述端口服务器将从与所述智能设备和监控设备建立的扩展通信信道中接收的报文通过数据总线传至所述逻辑分析器。
4.如权利要求1所述的一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统，其特征在于：所述逻辑分析器分析所述智能设备与监控系统之间传输的报文内容，获得所需的数据，将所述数据存储至所述实时数据库并发送至扩展通信信道，并且将扩展通信信道接收到的调度指令下发至智能设备。
5.如权利要求1所述的一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统，其特征在于：所述逻辑分析器不截留所述智能设备和监控系统之间的报文，不干扰智能设备和监控系统之间的报文传输。
6.如权利要求1所述的一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统，其特征在于：所述看门狗模块包括定时器，所述逻辑分析器在单位时间内发送心跳信号至所述看门狗模块，所述看门狗模块根据接收的心跳信号重置定时器。
7.如权利要求6所述的一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的系统，其特征在于：当所述逻辑分析器进入死锁状态，无法发送所述心跳信号，则重启系统。
8.一种光伏发电站通信非干扰式信道扩展的方法，所述光伏发电站的智能设备的运行数据通过所述通信非干扰式信道与监控系统主机中的通信采集单元连接，其特征在于：所述方法包括步骤：
I、端口服务器接入智能设备通信信道和监控设备通信信道之间，所述端口服务器切断所述智能设备和所述监控系统原有的通信信道，建立分别与智能设备和监控系统通信的扩展通信信道；
II、所述端口服务器将从所述扩展通信信道中接收的报文通过数据总线传至逻辑分析器；
III、逻辑分析器分析报文，获取数据并存储至实时数据库，并在单位时间内发送报文至另一通信信道；
IV、所述逻辑分析器通过控制总线控制所述端口服务器阻塞监控系统通信信道；所述逻辑分析器发送调度指令至所述智能设备通信信道；所述逻辑分析器在调度指令正确下发后通过控制总线解除对监控系统通信信道的阻塞，监控系统发出的报文能正确传输到智能设备，监控系统认为通讯没有任何中断。
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