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摘要：光儲(chǔ)充電站的數(shù)據(jù)采集裝置應(yīng)用指標(biāo)主要包括接口兼容性、批量處理數(shù)據(jù)能力和數(shù)據(jù)傳輸速率幾個(gè)方面，本系統(tǒng)從批量高速數(shù)據(jù)傳輸方面出發(fā)，采用FPGA作為主控核心單元，設(shè)計(jì)一種多接口數(shù)據(jù)傳輸裝置，可以兼容多種通信電氣接口，特別是串口采用高速電平轉(zhuǎn)換芯片，并采用非標(biāo)準(zhǔn)波特率；數(shù)據(jù)采集裝置中設(shè)置數(shù)據(jù)閾值，對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。該裝置主要發(fā)揮數(shù)據(jù)傳輸和故障數(shù)據(jù)保存的作用。

關(guān)鍵詞：多接口；數(shù)據(jù)采集；故障錄波

引言

在新能源光儲(chǔ)充電站發(fā)展過程中，儲(chǔ)能電站的功率和容量的配置越來越大，儲(chǔ)能電站需要管理和監(jiān)控的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)越來越多，為了提高系統(tǒng)的安全性，需要對(duì)各個(gè)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)信息都進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率要求達(dá)到毫秒級(jí)別甚至更高，能量管理系統(tǒng)作為核心管理單元，需要對(duì)光伏、儲(chǔ)能、充電、電網(wǎng)數(shù)據(jù)等各方面信息進(jìn)行分析，結(jié)合安全經(jīng)濟(jì)模型，計(jì)算最優(yōu)控制指令。因此儲(chǔ)能電站對(duì)于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的要求越來越高，主要指標(biāo)包括數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)傳輸速率、通信接口兼容性。

1系統(tǒng)方案

光儲(chǔ)充電站系統(tǒng)的整體通信邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示，底層設(shè)備包括電池管理系統(tǒng)，儲(chǔ)能變流器，光伏發(fā)電單元，各類繼電保護(hù)斷路器，充電終端等。底層設(shè)備的接口包括CAN、485、能量管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集裝置的通信接口為網(wǎng)絡(luò)通信接口，數(shù)據(jù)傳輸形式為UDP通信方式；能量管理系統(tǒng)備用機(jī)和數(shù)據(jù)采集裝置的通信接口為網(wǎng)絡(luò)通信接口，數(shù)據(jù)傳輸形式為UDP通信方式；數(shù)據(jù)采集裝置和底層執(zhí)行單元的通信接口形式有多種，包括標(biāo)準(zhǔn)232接口、485接口、CAN接口。底層執(zhí)行單元包括電池管理系統(tǒng)（BMS），儲(chǔ)能變流器（PCS），光伏發(fā)電單元（PV），充電終端等；各個(gè)底層設(shè)備的數(shù)據(jù)接口可以包括CAN/232/485電氣接口中的一種或者全部。通信裝置采用FPGA作為主控制核心，內(nèi)部構(gòu)建CAN/232/485通信接口，通信接口和底層執(zhí)行單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，各種通信協(xié)議獲取數(shù)據(jù)通過FPGA內(nèi)部構(gòu)建的協(xié)議轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行協(xié)議格式的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)協(xié)議格式為UDP數(shù)據(jù)協(xié)議格式。通信裝置中的串口為了滿足高速數(shù)據(jù)通信的要求，采用非標(biāo)準(zhǔn)通信速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，電平轉(zhuǎn)換芯片為AD公司高速485，具體電路圖如圖3所示。高速串口通信的波特率為非標(biāo)準(zhǔn)波特率，因此需要特殊配置方法，波特率計(jì)算步驟如下，系統(tǒng)主頻經(jīng)過FPGA倍頻后頻率fck設(shè)置為1.5GHz，從而當(dāng)配置Div初值為1時(shí)候，實(shí)際的波特率為93.75MHz。公式Baud=fck/(16*Div)（1）

2系統(tǒng)工作流程

數(shù)據(jù)采集裝置采用FPGA作為主控制核心，在主控制MCU內(nèi)部構(gòu)造CAN接口、232接口、485接口、UDP接口等標(biāo)準(zhǔn)電氣接口。在FPGA內(nèi)部構(gòu)建協(xié)議轉(zhuǎn)換單元，對(duì)于底層執(zhí)行單元上傳上來的各種協(xié)議格式數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行解析和封裝。在FPGA內(nèi)部還可以構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，用來保存解析出來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上行流程如下所示：（1）底層能量管理系統(tǒng)（BMS）裝置具有標(biāo)準(zhǔn)CAN電氣接口，在數(shù)據(jù)上行時(shí)，將數(shù)據(jù)信息按照制定的CAN數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行封裝并通過CAN接口發(fā)送出去；（2）數(shù)據(jù)采集裝置的主控MCU通過構(gòu)造的CAN接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并通過協(xié)議轉(zhuǎn)換單元對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析出的有效數(shù)據(jù)按照一定順序保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域；（3）FPGA通過CAN接口接收到數(shù)據(jù)之后，按照約定CAN數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析，并將有效數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)；（4）需要進(jìn)行故障比對(duì)的參數(shù)，設(shè)置一個(gè)范圍閾值，超過閾值范圍的情況，數(shù)據(jù)采集裝置作出故障判斷，并作出對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作；（5）如果底層執(zhí)行單元采用的執(zhí)行裝置為232/485接口，則，按照上述1-2-3步驟同樣執(zhí)行一遍，僅僅是電氣接口和通信協(xié)議不同；（6）底層執(zhí)行單元包括能量管理系統(tǒng)（BMS），儲(chǔ)能變流器（PCS），光伏發(fā)電單元（PV），充電終端等；（7）數(shù)據(jù)采集裝置的各種電氣接口可以同時(shí)對(duì)底層執(zhí)行單元的通信接口進(jìn)行操作，各個(gè)接口均獨(dú)立運(yùn)行；（8）數(shù)據(jù)采集裝置和能量管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，首先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)據(jù)取出，按照UDP通信協(xié)議進(jìn)行封裝，然后通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送出去；（9）能量管理系統(tǒng)的主機(jī)和備用機(jī)分別分配相同的端口地址，主機(jī)的能量管理系統(tǒng)和從機(jī)的能量管理系統(tǒng)能夠接收到相同的數(shù)據(jù)，如果能量管理系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓，二者可以互相作為備用機(jī)。數(shù)據(jù)下行流程如下所示：（1）能量管理系統(tǒng)向下發(fā)送控制命令，首先將各控制數(shù)據(jù)按照UDP通信協(xié)議進(jìn)行封裝，然后通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送出去；（2）數(shù)據(jù)采集裝置的網(wǎng)絡(luò)接口接收到數(shù)據(jù)之后，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元按照UDP通信協(xié)議對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，解析出來的數(shù)據(jù)保存在FPGA內(nèi)部構(gòu)造的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域；（3）如果底層執(zhí)行單元能量管理系統(tǒng)（BMS）的電氣接口為CAN接口，則數(shù)據(jù)采集裝置將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)據(jù)按照CAN數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行封裝，并通過CAN接口發(fā)送出去；（4）底層執(zhí)行單元的能量管理系統(tǒng)CAN接口接收到數(shù)據(jù)之后，按照CAN數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析，獲取其中有效數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的控制；（5）如果底層執(zhí)行單元采用的執(zhí)行裝置為232/485接口，則，按照上述2-3-4步驟同樣執(zhí)行一遍，僅僅是電氣接口和通信協(xié)議不同；（6）底層執(zhí)行單元包括能量管理系統(tǒng)（BMS），儲(chǔ)能變流器（PCS），光伏發(fā)電單元（PV），充電終端等；（7）數(shù)據(jù)采集裝置的各種電氣接口可以同時(shí)對(duì)底層執(zhí)行單元的通信接口進(jìn)行操作，各個(gè)接口均獨(dú)立運(yùn)行。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

接口兼容性方面系統(tǒng)所采用的接口包括常規(guī)所有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如CAN口、232接口、485接口；高速數(shù)據(jù)傳輸方面系統(tǒng)采用非標(biāo)準(zhǔn)高速通信串口，波特率可以達(dá)到近100Mbps；接口并行性方面數(shù)據(jù)采集裝置采用FPGA作為主控制MCU，內(nèi)部構(gòu)造的多個(gè)通信接口可以并行運(yùn)行；網(wǎng)絡(luò)通信接口大批量數(shù)據(jù)快速傳輸，能量管理系統(tǒng)需要整合的數(shù)據(jù)量大，因此，需要一種高速大批量的數(shù)據(jù)傳輸方式，網(wǎng)絡(luò)通信方式結(jié)合高速通信模塊最高傳輸速率可以達(dá)到1000M；且系統(tǒng)對(duì)故障的判別具有一定的冗余性，數(shù)據(jù)采集裝置中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中設(shè)置了數(shù)據(jù)變量的閾值范圍，對(duì)于超過閾值范圍的參數(shù)和變量進(jìn)行故障警告和控制，從而提高系統(tǒng)可靠性。

4總結(jié)

在光儲(chǔ)充電站多接口數(shù)據(jù)采集和故障錄波裝置設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)底層的電氣接口設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集裝置的電氣接口，且為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)串口數(shù)據(jù)的高速傳輸，采用非標(biāo)準(zhǔn)485高速通信接口，UDP通信實(shí)現(xiàn)批量高速數(shù)據(jù)的傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集裝置具有較好的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控效果，滿足系統(tǒng)對(duì)批量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?。后期將采用SOPC方式在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行TCP/IP通信方式的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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[2]章勇勤,艾勇,鄧德祥,吳敏淵,陳曦.基于FPGA的超高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[A].數(shù)據(jù)采集與處理.

[3]林長青,孫勝利.基于FPGA的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表,2005,42(5):52-54.

作者：杜吉慶 潘小剛 周丹 吳憂 單位：南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院