CN105704127A - 基于光伏逆变并网储能管理系统的上位机与下位机全自动通讯与硬件识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光伏逆变并网储能管理系统的上位机与下位机全自动通讯与硬件识别方法。该方法结合光伏逆变并网储能管理系统的具体情况，根据多种基于以太网的通讯协议的具体特性，发明了一种能够自适应硬件改变的通讯策略和软件管理策略。此策略能够自动查找并识别EMS进行握手，之后通过本地与internet查询EMS型号获得其通讯设置信息，再次通讯并自动获取与EMS有硬件连接的各类子系统的软硬件信息，最终自动完成通讯设置、管理数据库系统的存储方式、生成系统图表，并最终实现动态地管理上位机的软件功能。

Description

基于光伏逆变并网储能管理系统的上位机与下位机全自动通讯与硬件识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于光伏逆变并网储能管理系统的上位机与下位机全自动通讯与硬件识别方法。

背景技术

世界性的环境污染和能源短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。光伏发电就是其中之一。光伏发电并网就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。

光伏发电并网又可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，可针对电网故障时进行紧急供电。

微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。

结合以上系统的一个实例就是光伏逆变并网储能管理系统，此系统结合了能源转化、能量管理、数据存储分析等诸多课题。由于整个系统器件众多(子系统数量众多，组成十分灵活)，管理策略灵活多变(并网与独立，优先方式等)，外界因素影响很大(用电高峰，天气，季节等)，对传统的电能管理策略提出了新的挑战。

这是一种智能微电网系统，由于各个子系统的通讯方式不尽相同，且系统构成需要的组件数目不定难以预留接口，不容易直接与上位机通讯，其整个系统不仅包含了上位机软件数据库管理系统与人机界面子系统、光伏发电子系统、光伏逆变并网子系统、储能电池管理子系统(BMS)、储能电池双向逆变子系统、能量流量监测子系统等诸多子系统用于测量与管理硬件功能，也包含了能量管理系统(EMS)用于统筹管理各个子系统并与上位机进行以太网通讯。此系统需要解决的问题之一就是由于系统构成需要的组件数目不定，生产商不同，硬件软件通讯均有不同所引起的上位机与EMS通讯需要自适应硬件变化的问题。

现有技术或者针对特定的硬件，或者只能实现pc机支持的通讯端口，无法针对多种设备不确定端口通讯，不能实现通讯完全自动设置，且针对单一设备单一通讯的方式，不方便今后实时获取更新。新系统能减少用户操作，实现系统完全自动化运行，用户仅与实际数据图表交互，专业通讯设置以及系统设备设置对其完全透明，且无法基于现有硬件实现的功能对其隐藏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于光伏逆变并网储能管理系统的上位机与下位机全自动通讯与硬件识别方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，基于光伏逆变并网储能管理系统的上位机与下位机全自动通讯与硬件识别方法，包括以下步骤：

(1)通讯握手过程；所述通讯握手过程通过更加简单和容易连接的UDP协议使上位机更容易获取EMS信息；

(2)EMS硬件识别过程；所述EMS硬件识别过程通过稳定可靠的TCP连接获取EMS硬件软件资料已确定通讯协议框架定义；

(3)子系统硬件识别过程；所述子系统硬件识别过程通过稳定可靠的TCP连接获取各个子系统的硬件软件资料并确定协同协议中的数据包大小以及用于后期分析的数据接口定义；

(4)设备图生成过程；所述生成系统图标，等待人工确认；

(5)数据库结构生成过程；所述数据库结构生成过程基于对全局的硬件系统的了解分配给每一个需要的数据一个ID；

(6)软件功能取舍过程；所述软件功能取舍过程根据数据接口的定义取舍整个软件系统的各个软件功能，并定义功能对应的数据源；

所述通讯握手过程、EMS硬件识别过程、子系统硬件识别过程、设备图生成过程、数据库结构生成过程、软件功能取舍过程的执行顺序为递进关系。

作为优选，步骤(1)所述通讯握手过程包括以下步骤：

(11)上位机通过以太网发送UDP广播，并等待EMS的回应；

(12)EMS接收到上位机发送的UDP广播后，发送UDP广播回应；

(13)如果上位机多次发送UDP广播均未收到回应，则切换使用的端口；

(14)如果上位机发送成功，且接收到EMS的UDP广播回应，则上位机依照回应的信息建立TCP连接，如果连接建立成功，则握手过程结束；

此时，上位机已经与EMS初步建立通讯，但还不了解具体的通讯定义。

作为优选，步骤(2)所述EMS硬件识别过程包括以下步骤：

(21)上位机发送EMS型号请求信息，请求具体EMS型号信息；

(22)EMS收到上位机发送的请求，检查并发送自身硬件、软件型号信息；

(23)上位机收到EMS发送的型号信息，按照先本地到服务器的顺序检查EMS型号的预设文件，如果不能检查到则报错处理；

(24)若成功在本地或者网络上检查到EMS型号的预设文件，则按照预设文件的定义，读取EMS支持的设备型号以及数量，并在此基础上确定数据通讯协议框架；

(25)如果通讯协议确定成功，则标志EMS已经成功识别，且EMS硬件识别过程结束；

如果步骤(21)～(25)中任何一个步骤不成功则重新进行该步骤，在连续多次不成功时报错并告知用户；

至此通讯协议框架建立完成。

作为优选，步骤(3)所述子系统硬件识别过程包括以下步骤：

(31)上位机发送子系统型号请求信息，请求EMS发送各个子系统的a型号信息；

(32)EMS收到上位机发送的请求，检查并发送所有与自身有连接的子系统的型号信息，如果识别失败，则发送EMS端检查失败信息；

(33)上位机在接收到EMS发送的信息后，则按照先本地到服务器的顺序检查每个子系统的硬件、软件型号对应的预设文件，如果任意一个不能检查到则报错处理；

(34)若成功在本地或者网络上检查到所有子系统对应的预设文件，则按照预设文件的定义，读取各个子系统支持的功能、数据点类型以及对应的功能函数的接口数据点，并在此基础上确定数据通讯协议的数据包大小，并保证上位机能够识别通讯协议中定义的数据代表的具体意义；

至此所有通讯协议定义成功，识别过程完成。

作为优选，步骤(4)所述设备图生成过程包括以下步骤：

(41)系统绘制系统图标输出供用户检查是否有失败连接；

(42)用户确认后锁定系统图表，不再允许更改系统直到下一次的解锁；

(43)如果用户发现设备缺失，则重新开始系统检查；重新开始系统检查从步骤(2)所述EMS硬件识别过程开始。

作为优选，步骤(5)所述数据库结构生成过程包括以下步骤：

(51)根据生成的系统图确定整个系统需要记录的物理量，并对每个物理量分配数据ID以区分；

(52)标识各个上位机功能需要的物理量ID的接口或者计算方法；

(53)建立以数据ID为区分方法的数据存储数据库。

步骤(5)所述数据库结构生成过程就是根据硬件序号以及硬件预设文件内部的数据类型序号，综合得到数据库存储的数据类型ID。以下举例说明，其他的情况类似：EMS共有3路通讯分别连接至光伏逆变子系统和2路储能管理子系统，其中光伏逆变子系统共有20种数据类型需要上行至上位机数据库系统而储能电池子系统共有2路且同型号，其每套系统均有15种数据类型需要上行存储，则可能发生的一种情况就是20路光伏逆变子系统占有1-20位的数据类型ID，储能子系统共有15*2＝30路，占有第21-50位。而所有的数据的具体存储均以数据类型ID作为区分的标准。这样的设计使得数据库可以动态的分配ID并存储所有上行数据而与系统硬件的具体情况无关。

作为优选，步骤(6)所述软件功能取舍过程包括以下步骤：

(61)软件功能的数据来自数据库，互联网，用户输入以及这些数据的再组织、再计算；

(62)软件功能根据是否有支持其功能的数据是否存在而开启，并支持多种逻辑关系，如且，或，或者多层关系；

(63)软件根据具体功能开启与否确定软件功能以及界面。

步骤(6)中的数据库设计虽然简单易行，且适应能力强，但由于数据类型的动态分配，使得人机界面的数据抓取出现了不能识别的问题，即上位机软件无法识别数据表示的具体意义，因为数据类型ID是在通讯之后才确定的：如上述例子之中光伏子系统的光线强度感应器所分配的ID事先并不知道，上位机无法针对光线感知的强度对比具体的天气情况进行互相印证。针对此情况，其中一种最简单有效的方式就是在子系统的硬件预设文件中添加此系统支持的软件功能的设置，并提供对应的数据源的序号(即设备内的数据类型ID)。

例如上位机软件功能中的天气影响对比功能，由于光伏发电子系统中的光线感知器和互联网子系统中的天气获取功能均开启，则其天气影响对比功能可以使用，为开启状态；而太阳倾角和日照时间计算功能仅需要全球卫星定位或者互联网位置定位任何一个功能可用即为可用，本例中其为开启状态；而电能品质检测因为储能子系统的不支持，即使光伏子系统支持也为不可用状态。其他功能以此类比。这样的设计实现了软件功能随硬件改变而改变。

本发明应用于光伏储能系统中时，由于系统的子设备数目较多、通讯类型不确定，且设备数目事先不知情，此时需要上位机系统能够自动识别数据并针对数据具体情况制定不同的软件功能。但此时上位机应预留的通讯端口无法事先确定，甚至类型也无法事先确定，而预留多个通讯系统(如多路usb-can)会造成系统成本上升且设备运行不稳定。也基于安全的考虑，如操作系统出错或者更新、宕机时会造成系统数据丢失，控制间断，所以添加了EMS系统作为上位机与各个子系统的桥梁，由于EMS系统的硬件软件完全自主设计，解决了通讯系统不稳定的问题(针对不同设备规模制定不同EMS)，但也带来了容量过小，图形功能实现不容易，联网功能不易实现的缺点。上位机软件通过能自适应EMS通讯，进而识别EMS，最终最终识别整个系统，从而确定数据库规模，确定数据功能开关，最终实现针对不同硬件组合实现“定制”不同上位机软件功能。

本发明能够递进地，层次地实现系统识别，并让上位机能了解通讯所得到的数据的意义。

本发明的有益效果是：

本发明结合光伏逆变并网储能管理系统的具体情况，根据多种基于以太网的通讯协议的具体特性，发明了一种能够自适应硬件改变的通讯策略和软件管理策略。此策略能够自动查找并识别EMS进行握手，之后通过本地与internet查询EMS型号获得其通讯设置信息，再次通讯并自动获取与EMS有硬件连接的各类子系统的软硬件信息，最终自动完成通讯设置、管理数据库系统的存储方式、生成系统图表，并最终实现动态地管理上位机的软件功能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例的带有储能设备的光伏发电并网系统结构图。

图2是本发明实施例的系统通讯全自动识别总过程图。

图3是本发明实施例的上位机与EMS通讯握手子过程示意图。

图4是本发明实施例的上位机与EMS硬件识别子过程示意图。

图5是本发明实施例的上位机与EMS的周围硬件设备识别子过程示意图。

图6是本发明实施例的上位机软件的部分数据库实体关系模型设计。

图7是本发明实施例的上位机软件功能设计。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

本实施例应用于主从机需要自适应连接且从设备数目种类、数目均不确定，多个从设备传输通讯类型以及传输内容不确定、数据包大小事先不知情的通讯软件上位机系统的设计。(其通讯数据仅经过EMS数据转发原始数据，从而更改为以太网数据包格式以便于上位机读取)

以下设计的目的在于使上位机系统不需要人工干预而能自动识别通讯方法，并能自动识别从设备硬件并自动更改数据库存储方法，并自动设置上位机功能。其过程可以使用也可不使用互联网络。

以下定义那些仅与EMS有通讯的硬件设备均可称为“子系统”，其包含较广，在本实例中可以大致区分为光伏发电并网设备，储能管理设备，电能流量监测设备，环境感知设备等，由于其具体类型众多(参见上面的描述)，且制造商不同，通讯设计不同，并网方式灵活多变，并需要为软件升级预留接口，给通讯策略的设计给带来了很大的困扰。

本实施例根据本发明所述的通讯设计策略，给出以下的设计实例。

图1标识了带有储能设备的光伏发电并网系统的层次结构图，具体的各个组件的功能范围的定义如发明内容中所述，应当了解的是系统图是可以在一定范围内随意变化的，因为本系统中的各个子系统的通讯方式不尽相同，且系统构成需要的组件数目不定且难以预留接口，形成了本发明对应的需要读取以及控制的系统的不确定性，本发明通讯设计的意义也在于此。

图2标识了通讯以及自动设置的总过程，其包含了多个通讯试探过程以及设置过程。具体包括以下步骤：

(1)通讯握手过程；

(2)EMS硬件识别过程；

(3)子系统硬件识别过程；

(4)设备图生成过程；

(5)数据库结构生成过程；

(6)软件功能取舍过程；

以上的各个过程相对独立但需要有层次顺序，不能颠倒执行顺序，为递进关系。

以下步骤假设硬件连接已经完成，并且上位机系统已连接至EMS与广域网。

如图3所示，通讯的自动握手子过程包括以下具体步骤：

(11)上位机通过以太网发送UDP广播(局域网内)，并等待EMS的回应；

(12)EMS接收到上位机发送的UDP广播后，发送UDP广播(局域网内)回应；

(13)如果上位机多次发送UDP广播(局域网内)均未收到回应，则切换使用的端口；

(14)如果上位机发送成功，且接收到EMS的UDP广播回应，则上位机依照回应的信息建立TCP连接，如果连接建立成功，则握手过程结束；

此时，上位机已经与EMS初步建立通讯，但还不了解具体的通讯定义。

图4表示上位机与EMS硬件识别子过程(TCP连接)，其目的为建立通讯的结构框架。具体过程如下：

(21)上位机发送EMS型号请求信息，请求具体EMS型号信息；

(22)EMS收到上位机发送的请求，检查并发送自身硬件、软件型号信息；

(23)上位机收到EMS发送的型号信息，按照本地、服务器的顺序检查EMS型号的预设文件，如果不能检查到则报错处理；

(24)若成功在本地或者网络上检查到EMS型号的预设文件，则按照预设文件的定义，读取EMS支持的设备型号以及数量，并在此基础上确定数据通讯协议框架；

(25)如果通讯协议确定成功，则标志EMS已经成功识别，则EMS硬件识别过程结束。

通讯协议框架的建立标志着系统以及能够理解EMS通讯，但仍不能具体解决各个子系统的具体数据的通讯定义。

图5表示了上位机与各个子系统的识别子过程，具体步骤如下：

(31)上位机发送子系统型号请求信息，请求EMS发送各个子系统的a型号信息；

(32)EMS收到上位机发送的请求，检查并发送所有与自身有连接的子系统的型号信息，如果识别失败，则发送EMS端检查失败信息；

(33)上位机在接收到EMS发送的信息后，则按照本地、服务器的顺序检查每个子系统的硬件、软件型号对应的预设文件，如果任意一个不能检查到则报错处理；

(34)若成功在本地或者网络上检查到所有子系统对应的预设文件，则按照预设文件的定义，读取各个子系统支持的功能、数据点类型以及对应的功能函数的接口数据点，并在此基础上确定数据通讯协议的具体内容；

此时所有通讯协议定义成功，识别过程完成。

此时硬件的识别已经完成，上位机开始按以下步骤生成系统设备图：

(41)系统绘制系统图标输出供用户检查是否有失败连接；

(42)用户确认后锁定系统图表，不再允许更改系统直到下一次的解锁；

(43)如果用户发现设备缺失，则重新开始系统检查(除去握手过程，直接从第2步骤开始)。

上述步骤完成即说明系统的硬件以及通讯连接无误。系统上位机即刻进行下一步数据库设置操作，如图6所示。

下一步的设置与具体的上位机软件以及数据库结构相关，以下的举例为一种较为简单的分配方法。

例：根据硬件序号以及硬件预设文件内部的数据类型序号，综合得到数据库存储的数据类型ID。为了使得说明更加浅显易懂，以下举一个简单的例子，其他的情况类似：EMS共有3路通讯分别连接至光伏逆变子系统和2路储能管理子系统，其中光伏逆变子系统共有20种数据类型需要上行至上位机数据库系统而储能电池子系统共有2路且同型号，其每套系统均有15种数据类型需要上行存储，则可能发生的一种情况就是20路光伏逆变子系统占有1-20位的数据类型ID，储能子系统共有15*2＝30路，占有第21-50位。而所有的数据的具体存储均以数据类型ID作为区分的标准。这样的设计使得数据库可以动态的分配ID并存储所有上行数据而与系统硬件的具体情况无关。

图7表示软件功能的确定，此过程的设置与具体的上位机软件以及数据库结构相关，以下的举例为一种较为简单的实现方法。

例：以上的数据库设计虽然简单易行，且适应能力强，但由于数据类型的动态分配，使得人机界面的数据抓取出现了不能识别的问题，即上位机软件无法识别数据表示的具体意义，因为数据类型ID是在通讯之后才确定的：如上述例子之中光伏子系统的光线强度感应器所分配的ID事先并不知道，上位机无法针对光线感知的强度对比具体的天气情况进行互相印证。针对此情况，一种方式(也是最简单有效的方式)就是在子系统的硬件预设文件中添加此系统支持的软件功能的设置，并提供对应的数据源的序号(设备内的数据类型ID)。一种具体的例子如图7所示，例如上位机软件功能中的天气影响对比功能，由于光伏发电子系统中的光线感知器和互联网子系统中的天气获取功能均开启，则其天气影响对比功能可以使用，为开启状态；而太阳倾角和日照时间计算功能仅需要全球卫星定位或者互联网位置定位任何一个功能可用即为可用，本例中其为开启状态；而电能品质检测因为储能子系统的不支持，即使光伏子系统支持也为不可用状态。其他功能以此类比。这样的设计实现了软件功能随硬件改变而改变。

综上所述，上位机软件系统和EMS的这样的通讯设计不仅实现了硬件系统的完全自动化识别，也实现了软件系统可以识别多种多个硬件系统并根据硬件的支持的不同而具有不同的功能。实现了一套软件兼容所有EMS以及各种组成的硬件系统，不仅兼容了多种EMS设备，更兼容并且能够自动识别各种硬件、各种数量的组合，并能够兼容新的系统硬件，仅需要在服务器端配置更新即可，极大的简化的此类不确定系统的软件开发以及维护成本。

Claims (7)

1.基于光伏逆变并网储能管理系统的上位机与下位机全自动通讯与硬件识别方法，包括以下步骤：

(1)通讯握手过程；所述通讯握手过程通过更加简单和容易连接的UDP协议使上位机更容易获取EMS信息；

(2)EMS硬件识别过程；所述EMS硬件识别过程通过稳定可靠的TCP连接获取EMS硬件软件资料已确定通讯协议框架定义；

(3)子系统硬件识别过程；所述子系统硬件识别过程通过稳定可靠的TCP连接获取各个子系统的硬件软件资料并确定协同协议中的数据包大小以及用于后期分析的数据接口定义；

(4)设备图生成过程；所述生成系统图标，等待人工确认；

(5)数据库结构生成过程；所述数据库结构生成过程基于对全局的硬件系统的了解分配给每一个需要的数据一个ID；

(6)软件功能取舍过程；所述软件功能取舍过程根据数据接口的定义取舍整个软件系统的各个软件功能，并定义功能对应的数据源；

所述通讯握手过程、EMS硬件识别过程、子系统硬件识别过程、设备图生成过程、数据库结构生成过程、软件功能取舍过程的执行顺序为递进关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述通讯握手过程包括以下步骤：

(11)上位机通过以太网发送UDP广播，并等待EMS的回应；

(12)EMS接收到上位机发送的UDP广播后，发送UDP广播回应；

(13)如果上位机多次发送UDP广播均未收到回应，则切换使用的端口；

(14)如果上位机发送成功，且接收到EMS的UDP广播回应，则上位机依照回应的信息建立TCP连接，如果连接建立成功，则握手过程结束；

此时，上位机已经与EMS初步建立通讯，但还不了解具体的通讯定义。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述EMS硬件识别过程包括以下步骤：

(21)上位机发送EMS型号请求信息，请求具体EMS型号信息；

(22)EMS收到上位机发送的请求，检查并发送自身硬件、软件型号信息；

(23)上位机收到EMS发送的型号信息，按照先本地到服务器的顺序检查EMS型号的预设文件，如果不能检查到则报错处理；

(24)若成功在本地或者网络上检查到EMS型号的预设文件，则按照预设文件的定义，读取EMS支持的设备型号以及数量，并在此基础上确定数据通讯协议框架；

(25)如果通讯协议确定成功，则标志EMS已经成功识别，且EMS硬件识别过程结束；

如果步骤(21)～(25)中任何一个步骤不成功则重新进行该步骤，在连续多次不成功时报错并告知用户；

至此通讯协议框架建立完成。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述子系统硬件识别过程包括以下步骤：

(31)上位机发送子系统型号请求信息，请求EMS发送各个子系统的a型号信息；

(32)EMS收到上位机发送的请求，检查并发送所有与自身有连接的子系统的型号信息，如果识别失败，则发送EMS端检查失败信息；

(33)上位机在接收到EMS发送的信息后，则按照先本地到服务器的顺序检查每个子系统的硬件、软件型号对应的预设文件，如果任意一个不能检查到则报错处理；

(34)若成功在本地或者网络上检查到所有子系统对应的预设文件，则按照预设文件的定义，读取各个子系统支持的功能、数据点类型以及对应的功能函数的接口数据点，并在此基础上确定数据通讯协议的数据包大小，并保证上位机能够识别通讯协议中定义的数据代表的具体意义；

至此所有通讯协议定义成功，识别过程完成。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述设备图生成过程包括以下步骤：

(41)系统绘制系统图标输出供用户检查是否有失败连接；

(42)用户确认后锁定系统图表，不再允许更改系统直到下一次的解锁；

(43)如果用户发现设备缺失，则重新开始系统检查；重新开始系统检查从步骤(2)所述EMS硬件识别过程开始。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述数据库结构生成过程包括以下步骤：

(51)根据生成的系统图确定整个系统需要记录的物理量，并对每个物理量分配数据ID以区分；

(52)标识各个上位机功能需要的物理量ID的接口或者计算方法；

(53)建立以数据ID为区分方法的数据存储数据库。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)所述软件功能取舍过程包括以下步骤：

(61)软件功能的数据来自数据库，互联网，用户输入以及这些数据的再组织、再计算；

(62)软件功能根据是否有支持其功能的数据是否存在而开启，并支持多种逻辑关系，如且，或，或者多层关系；

(63)软件根据具体功能开启与否确定软件功能以及界面。