CN104468586A - 基于modbus协议的光伏电站远程智能监控通讯方法 - Google Patents

基于modbus协议的光伏电站远程智能监控通讯方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MODBUS协议的光伏电站远程智能监控通讯方法，该方法建立了一种用于光伏电站本地监控系统的工况记录本地保存流程及完善MODBUS协议指令，使得上层监控计算机（区域运行调控中心）可以完整的记录所有光伏电站的运行情况，保证企业（或组织）所属所有太阳能光伏电站系统数据的完整性和准确性。本发明的有益效果是：即使光伏电站本地监控系统与区域运行调控中心通讯中断一段时间，在通讯恢复以后，区域运行调控中心也可以得到这段时间里该光伏电站的运行状态记录。保证了系统所监控数据的完整性，对电站的安全运行、故障分析和处理、事故追忆和专家系统的运行有着重要作用。

Description

基于MODBUS协议的光伏电站远程智能监控通讯方法
技术领域
本发明涉及能源技术和工业控制领域，尤其是太阳能光伏电站远程控制的通讯技术，具体地说是一种基于MODBUS协议的光伏电站远程智能监控通讯方法。
背景技术
随着太阳能光伏技术的快速发展，国内已经建成众多的大中型太阳能光伏电站，特别是在西部五省的沙漠戈壁地区，分布着各大光伏厂商或发电企业的光伏电站。然而，传统的光伏电站均在光伏电站所在地点设立本地监控系统，同时电站运行调度及管理人员均在电站所在地点值守。随着电站数量的不断增加，如何安全高效运营所属电站，并给所属企业带来稳定的现金流，已成为一个不可回避的重要问题。要解决这个问题，除了在各个电站建设初期的统筹规划及建设质量等各环节把关之外，建立一套完整的高效的电站智能监控系统将是解决方案中重要的一环。随着高速通讯网络的建设和互联网的日益发达，建设区域运行调控中心，并通过基于VPN的高速网络把企业(或组织)所属的电站连接起来，电站运行调度人员在区域运行调控中心通过高速专网远程实时控制所属多个电站的运行，这样的模式将成为发展趋势；这种模式下，就可以把电站运行模式由目前分散的本地运行控制升级为区域调度中心统一管理；提高运行管理效率的同时，大大地缩减运行人员编制；同时，由区域运行调控中心统一接口电网调度中心，提高了电站与电网调度的沟通效率，从而提高了电网运行的安全性。
但是，光伏电站本地监控系统与区域运行调控中心的高速通讯连接(以及备用通讯线路)有可能由于各种故障原因发生中断，区域运行调控中心就无法得到从通讯中断到通讯恢复这个时间段内的下属电站的运行情况，造成系统数据的不完整。
目前的光伏并网电站监控系统中通常都集成有专家系统。集成于监控系统中的专家系统，通过对系统数据的分析和专家判断，可以及时发现系统中存在的影响电站发电效率的非功能性故障或缺陷。例如：系统调试完成后，各子电站的发电效率和发电功率曲线有一个参考值，随着时间的推移，太阳能组件效率有一定的衰减，其他设备的损耗也逐渐加大，根据历史数据，通过时间上纵向和系统或设备间的横向分析比较和计算，再结合专家系统的经验值，可以及时发现系统中存在的影响电站发电效率的非功能性故障或缺陷。从电站长期运行来看，这将有效提高电站的发电量。另外，通过大数据分析电站设备的运行情况，可以为后续电站建设时设备选型提供决策依据。
但是由于上述的通讯故障造成的系统数据不完整，很可能造成无法满足专家系统运行所需要的数据完整性和正确性的要求，这将对电站的安全运行、故障分析及处理和专家系统的运行产生严重影响，使得专家系统不具备数据分析和专家判断功能，无法给出运行或后续设备选型决策支持，无法适应大中型太阳能光伏并网电站商业化运行的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有光伏电站监控技术发展趋势而提供的一种基于MODBUS协议的光伏电站远程智能监控通讯方法，该方法建立了一种用于光伏电站本地监控系统的工况记录本地保存流程及完善MODBUS协议指令，使得上层监控计算机(区域运行调控中心)可以完整的记录所有光伏电站的运行情况，保证企业(或组织)所属所有太阳能光伏电站系统数据的完整性和准确性。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于MODBUS协议的光伏电站远程智能监控通讯方法,它包括以下具体步骤：
a、建立一种光伏电站本地监控系统的工况记录本地保存流程
光伏电站本地监控系统与区域运行调控中心通过基于VPN的网络相互连接。当光伏电站本地监控系统与区域运行调控中心通讯正常时，区域运行调控中心以“工况记录时间间隔”主动向光伏电站本地监控系统发出基于MODBUS协议的“查询目前状态指令0x0801”或“时钟同步指令0x0822”，光伏电站本地监控系统及时返回当前工况，包括出力状态、故障状态和运行模式数据，或执行时钟同步操作流程；当光伏电站本地监控系统在超过“工况记录采集时间间隔”规定的间隔时间未收到区域运行调控中心的任何指令时，即认为出现通讯故障，光伏电站本地监控系统将立即生成一条工况记录，并写入存储在本地的工况记录文件；
b、完善基于MODBUS协议的专用指令
在通讯正常后，区域运行调控中心主动向光伏电站本地监控系统发出工况记录文件上传指令0x0802，光伏电站本地监控系统将及时通过FTP协议上传存储在本地的工况记录文件；上传成功后，光伏电站本地监控系统及时将工况记录文件移动到本地特定文件目录里；区域运行调控中心向光伏电站本地监控系统下发工况记录文件保存成功通知指令0x0808，光伏电站本地监控系统及时删除前述本地特定文件目录里的所有工况记录文件；
其中：所述工况记录文件存储在光伏电站本地监控系统的本地磁盘里，格式为二进制格式，数据域包括电站编码、时间标签、设备编码、设备类型、电量历史累计、设备温度、直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、交流频率、断路器状态及设备故障状态等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：即使光伏电站本地监控系统与区域运行调控中心通讯中断一段时间，在通讯恢复以后，区域运行调控中心也可以得到这段时间里该光伏电站的运行状态记录。保证了系统所监控数据的完整性，对电站的安全运行、故障分析和处理、事故追忆和专家系统的运行有着重要作用。
附图说明
图1为光伏电站远程智能监控系统拓扑示意图。
具体实施方式
参阅图1，本发明是光伏电站远程智能监控系统的两个子系统之间的通讯方法。负责实施通讯的两个具体设备分别是“区域运行调控中心系统的应用服务器”和“光伏电站本地监控系统的应用服务器”。具体实施过程如下：
1、MODBUS协议
MODBUS典型信息帧如下：
电站地址为：区域运行调控中心为所属光伏电站本地监控系统分配的地址，为BCD编码。
举例：电站地址为“1086021900000001”，其中第一位“1”代表电站类型，“086”代表国家或地区编码(与国际电话国家或地区代码相同)，“021”代表低一级的地区代码(与电话区号相同)，“9”为校验码，“00000001”为本光伏电站在所属地区内的编码。
设备地址为：10001～999999；(BCD编码，0为广播地址，10000以下和1000000及以上为预留)
常用功能代码：0x0801      查询光伏电站本地监控系统目前状态
0x0802   上传工况记录文件
0x0808   工况记录文件保存成功通知
0x0822   光伏电站本地监控系统时钟设置
0x0820   工况记录时间间隔设置
所有的通讯采用一问一答的方式进行(即同步连接)。“请求信息”由区域运行调控中心应用服务器发出，“应答信息”由光伏电站本地监控系统应用服务器返回(本发明描述区域运行调控中心与光伏电站本地监控系统通讯时，如果没有特别指出，均表示区域运行调控中心的应用服务器与光伏电站本地监控系统的应用服务器之间的通讯)。当然，为了安全考虑，上述“请求信息”和“应答信息”通讯数据均经过了AES加密。
表1.1 应答码定义
应答码(N) 描述
00 成功(包括查询成功和命令执行成功)
01 无效的功能代码
02 数据首地址超出范围
03 需要返回的数据个数超出范围
04 CRC16校验错误
05 寄存器读写失败
应答码(N) 描述
06 无效的设备地址
07 命令执行失败
14 设备时钟同步失败(时间差超过阈值)
99 其它未定义的错误
2、查询光伏电站本地监控系统目前状态：0x0801
注：以下数据格式均以单相逆变器为例。如果应用到三相逆变器，需要将交流输出字段分列为ABC三相，其余数据字段定义保持不变。
表2.1 光伏电站本地监控系统逆变器状态信息
举例说明：
区域运行调控中心定时请求—请求目前状态信息(功能码0x0801)：
从光伏电站本地监控系统应答—发出目前状态信息：
或(出错时)
表2.2 光伏电站本地监控系统汇流箱及配电柜状态信息
表2.3 光伏电站本地监控系统环境数据设备状态信息
表2.4 光伏电站本地监控系统其他通用设备状态信息
3、光伏电站本地监控系统的工况记录本地保存机制
当光伏电站本地监控系统在超过“工况记录采集时间间隔”规定的间隔时间未收到区域运行调控中心的指令时，即认为出现通讯故障，光伏电站本地监控系统将立即生成一条工况记录存储在本地磁盘的工况记录文件里(文件路径为：“..\record_ready”；文件名格式包括电站地址、记录类型和日期，例如逆变器工况记录文件：R1086021900000001_6002_20141101)，记录文件格式为特定的格式，如下：
表3.1 光伏电站本地监控系统逆变器工况记录文件
表3.2 光伏电站本地监控系统汇流箱及配电柜工况记录文件
表3.3 光伏电站本地监控系统环境数据设备工况记录文件
表3.4 光伏电站本地监控系统其他通用设备工况记录文件
从这种工况记录本地保存机制可以看出，本地存储工况记录是为了在区域运行调控中心与光伏电站本地监控系统通讯不正常的情况下实时记录光伏电站主要设备的工况。也就是说，区域运行调控中心与光伏电站本地监控系统通讯正常情况下，光伏电站本地监控系统会根据区域运行调控中心的指令实时上传工况。区域运行调控中心与光伏电站本地监控系统通讯不正常时，才会生成和本地存储工况记录。
4、光伏电站本地监控系统的工况记录文件上传到区域运行调控中心(指令0x0802)以及工况记录文件保存成功通知指令(指令0x0808)
区域运行调控中心下发查询工况记录(0x0802)。即在通讯正常后，区域运行调控中心将会主动向光伏电站本地监控系统发出查询工况记录指令0x0802(指令里带有指定的文件目录“..\record_waiting”)，光伏电站本地监控系统将及时通过FTP协议上传存储在本地的工况记录文件到区域运行调控中心指定的文件目录“..\record_waiting”里；上传成功后，光伏电站本地监控系统及时把该工况记录文件移动到本地磁盘的“..\record_back”目录中。直到工况记录文件全部上传成功，同时光伏电站本地监控系统也把本地“..\record_ready”目录中的全部记录文件移动到本地“..\record_back”目录中，这时本地“..\record_ready”目录为空(该目录里没有任何记录文件了)。
对于区域运行调控中心，当“..\record_waiting”目录里有记录文件时，就立即把该文件内的记录入库，入库成功后把该文件移动到“..\record_in_OK”目录里，如果入库时出现错误，则把该文件移动到“..\record_doubt”目录里，以便管理员分析错误原因。对于“..\record_in_OK”目录里文件，可以根据需要定期人工清除。同时，对于光伏电站本地监控系统的“..\record_back”目录中的文件，可以在区域运行调控中心通过下0x0808指令(工况记录文件保存成功通知指令)远程删除。
举例说明：
区域运行调控中心发出请求命令(查询工况记录0x0802)：
从光伏电站本地监控系统应答(查询成功情况下)：
或(出错时)
区域运行调控中心发出请求命令(工况记录文件保存成功通知0x0808)：
从光伏电站本地监控系统应答(成功删除“..\record_back”目录中的文件情况下)：
或(出错时)
5、时钟同步
本发明增加了区域运行调控中心和光伏电站本地监控系统时钟同步的机制。因为现有技术中，一般都通过SNTP来同步两个设备的时钟，但是当时钟源故障时，区域运行调控中心和光伏电站本地监控系统之间的时钟同步机制就不能正常工作了。本系统中，区域运行调控中心查询到光伏电站本地监控系统工况数据并生成记录时，以区域运行调控中心自身的时钟来标记记录。本发明中，光伏电站本地监控系统将在通讯中断的情况下生成和本地存储工况记录，这时也需要用时钟来标记记录，所以在时钟源故障造成SNTP不能同步区域运行调控中心和光伏电站本地监控系统的时钟时，必须要增加专有协议的时钟同步机制，保证记录生成时间的准确性。
举例说明：
区域运行调控中心发出设置命令(系统时间设置0x0822)：
从光伏电站本地监控系统应答：
注：为了减少区域运行调控中心服务器的运行负载，只同步光伏电站本地监控系统应用服务器(设备地址10001)的时钟，再由该光伏电站本地监控系统应用服务器(设备地址10001)去同步该光伏电站本地监控系统里的其他设备。
如果“光伏电站本地监控系统应用服务器(设备地址10001)目前时间”与“时间标签”的差值在“时间设置阈值”范围内，才进行时间设置。否则返回应答码14(即设备时钟同步失败(时间差超过阈值))。
另外，如果“时间设置阈值”的值为0x00，则为强制同步。即光伏电站本地监控系统应用服务器收到时钟同步指令后，不用计算“目前时间”与“时间标签”的差值，直接用“时间标签”的值设置本应用服务器的时间。
6、工况记录时间间隔设置
举例说明：
区域运行调控中心发出设置命令(工况记录时间间隔设置0x0820)：
从光伏电站本地监控系统应答：

Claims (1)

1.一种基于MODBUS协议的光伏电站远程智能监控通讯方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：
a、建立一种光伏电站本地监控系统的工况记录本地保存流程
光伏电站本地监控系统与区域运行调控中心通过基于VPN的网络相互连接；当光伏电站本地监控系统与区域运行调控中心通讯正常时，区域运行调控中心以“工况记录时间间隔”主动向光伏电站本地监控系统发出基于MODBUS协议的“查询目前状态指令0x0801”或“时钟同步指令0x0822”，光伏电站本地监控系统及时返回当前工况，包括出力状态、故障状态和运行模式数据，或执行时钟同步操作流程；当光伏电站本地监控系统在超过“工况记录采集时间间隔”规定的间隔时间未收到区域运行调控中心的任何指令时，即认为出现通讯故障，光伏电站本地监控系统将立即生成一条工况记录，并写入存储在本地的工况记录文件；
b、完善基于MODBUS协议的专用指令
在通讯正常后，区域运行调控中心主动向光伏电站本地监控系统发出工况记录文件上传指令0x0802，光伏电站本地监控系统将及时通过FTP协议上传存储在本地的工况记录文件；上传成功后，光伏电站本地监控系统及时将工况记录文件移动到本地特定文件目录里；区域运行调控中心向光伏电站本地监控系统下发工况记录文件保存成功通知指令0x0808，光伏电站本地监控系统及时删除前述本地特定文件目录里的所有工况记录文件；
其中：所述工况记录文件是存储在光伏电站本地监控系统的本地磁盘里，格式为二进制格式，数据域包括电站编码、时间标签、设备编码、设备类型、交流输出电量历史累计、设备温度、直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、交流频率、断路器状态及设备故障状态。
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