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电站多接口数据采集与故障装置设计

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摘要:光储充电站的数据采集装置应用指标主要包括接口兼容性、批量处理数据能力和数据传输速率几个方面,本系统从批量高速数据传输方面出发,采用FPGA作为主控核心单元,设计一种多接口数据传输装置,可以兼容多种通信电气接口,特别是串口采用高速电平转换芯片,并采用非标准波特率;数据采集装置中设置数据阈值,对故障数据进行记录。该装置主要发挥数据传输和故障数据保存的作用。

关键词:多接口;数据采集;故障录波

引言

在新能源光储充电站发展过程中,储能电站的功率和容量的配置越来越大,储能电站需要管理和监控的数据节点越来越多,为了提高系统的安全性,需要对各个设备的节点信息都进行实时监测,数据传输的频率要求达到毫秒级别甚至更高,能量管理系统作为核心管理单元,需要对光伏、储能、充电、电网数据等各方面信息进行分析,结合安全经济模型,计算最优控制指令。因此储能电站对于数据采集和监控的要求越来越高,主要指标包括数据量、数据传输速率、通信接口兼容性。

1系统方案

光储充电站系统的整体通信逻辑结构如图1所示,底层设备包括电池管理系统,储能变流器,光伏发电单元,各类继电保护断路器,充电终端等。底层设备的接口包括CAN、485、能量管理系统和数据采集装置的通信接口为网络通信接口,数据传输形式为UDP通信方式;能量管理系统备用机和数据采集装置的通信接口为网络通信接口,数据传输形式为UDP通信方式;数据采集装置和底层执行单元的通信接口形式有多种,包括标准232接口、485接口、CAN接口。底层执行单元包括电池管理系统(BMS),储能变流器(PCS),光伏发电单元(PV),充电终端等;各个底层设备的数据接口可以包括CAN/232/485电气接口中的一种或者全部。通信装置采用FPGA作为主控制核心,内部构建CAN/232/485通信接口,通信接口和底层执行单元进行数据交互,各种通信协议获取数据通过FPGA内部构建的协议转换单元进行协议格式的转换,转换之后的数据协议格式为UDP数据协议格式。通信装置中的串口为了满足高速数据通信的要求,采用非标准通信速率进行数据传输,电平转换芯片为AD公司高速485,具体电路图如图3所示。高速串口通信的波特率为非标准波特率,因此需要特殊配置方法,波特率计算步骤如下,系统主频经过FPGA倍频后频率fck设置为1.5GHz,从而当配置Div初值为1时候,实际的波特率为93.75MHz。公式Baud=fck/(16*Div)(1)

2系统工作流程

数据采集装置采用FPGA作为主控制核心,在主控制MCU内部构造CAN接口、232接口、485接口、UDP接口等标准电气接口。在FPGA内部构建协议转换单元,对于底层执行单元上传上来的各种协议格式数据都可以进行解析和封装。在FPGA内部还可以构建数据存储区域,用来保存解析出来的数据。数据上行流程如下所示:(1)底层能量管理系统(BMS)装置具有标准CAN电气接口,在数据上行时,将数据信息按照制定的CAN数据协议进行封装并通过CAN接口发送出去;(2)数据采集装置的主控MCU通过构造的CAN接口对数据进行接收,并通过协议转换单元对接收到的数据进行解析,解析出的有效数据按照一定顺序保存在数据存储区域;(3)FPGA通过CAN接口接收到数据之后,按照约定CAN数据协议进行解析,并将有效数据保存在数据存储区;(4)需要进行故障比对的参数,设置一个范围阈值,超过阈值范围的情况,数据采集装置作出故障判断,并作出对应的控制动作;(5)如果底层执行单元采用的执行装置为232/485接口,则,按照上述1-2-3步骤同样执行一遍,仅仅是电气接口和通信协议不同;(6)底层执行单元包括能量管理系统(BMS),储能变流器(PCS),光伏发电单元(PV),充电终端等;(7)数据采集装置的各种电气接口可以同时对底层执行单元的通信接口进行操作,各个接口均独立运行;(8)数据采集装置和能量管理系统通过网络接口进行数据交互,首先将数据存储区域的数据取出,按照UDP通信协议进行封装,然后通过网络接口发送出去;(9)能量管理系统的主机和备用机分别分配相同的端口地址,主机的能量管理系统和从机的能量管理系统能够接收到相同的数据,如果能量管理系统出现瘫痪,二者可以互相作为备用机。数据下行流程如下所示:(1)能量管理系统向下发送控制命令,首先将各控制数据按照UDP通信协议进行封装,然后通过网络接口发送出去;(2)数据采集装置的网络接口接收到数据之后,协议转换单元按照UDP通信协议对接收到的数据进行数据解析,解析出来的数据保存在FPGA内部构造的数据存储区域;(3)如果底层执行单元能量管理系统(BMS)的电气接口为CAN接口,则数据采集装置将数据存储区域的数据按照CAN数据协议进行封装,并通过CAN接口发送出去;(4)底层执行单元的能量管理系统CAN接口接收到数据之后,按照CAN数据协议进行解析,获取其中有效数据进行对应的控制;(5)如果底层执行单元采用的执行装置为232/485接口,则,按照上述2-3-4步骤同样执行一遍,仅仅是电气接口和通信协议不同;(6)底层执行单元包括能量管理系统(BMS),储能变流器(PCS),光伏发电单元(PV),充电终端等;(7)数据采集装置的各种电气接口可以同时对底层执行单元的通信接口进行操作,各个接口均独立运行。

3实验结果

接口兼容性方面系统所采用的接口包括常规所有标准通信接口,如CAN口、232接口、485接口;高速数据传输方面系统采用非标准高速通信串口,波特率可以达到近100Mbps;接口并行性方面数据采集装置采用FPGA作为主控制MCU,内部构造的多个通信接口可以并行运行;网络通信接口大批量数据快速传输,能量管理系统需要整合的数据量大,因此,需要一种高速大批量的数据传输方式,网络通信方式结合高速通信模块最高传输速率可以达到1000M;且系统对故障的判别具有一定的冗余性,数据采集装置中的数据存储单元中设置了数据变量的阈值范围,对于超过阈值范围的参数和变量进行故障警告和控制,从而提高系统可靠性。

4总结

在光储充电站多接口数据采集和故障录波装置设计过程中,根据底层的电气接口设计数据采集装置的电气接口,且为了实现多个串口数据的高速传输,采用非标准485高速通信接口,UDP通信实现批量高速数据的传输。实验结果表明,所设计的数据采集装置具有较好的数据采集和监控效果,满足系统对批量数据高速传输的要求。后期将采用SOPC方式在此基础上,进行TCP/IP通信方式的设计。

参考文献

[1]贾龙,林岩.基于DSP和FPGA的高速数据采集系统的设计及实现[J].电子测量技术,2017.05.

[2]章勇勤,艾勇,邓德祥,吴敏渊,陈曦.基于FPGA的超高速数据采集与处理系统[A].数据采集与处理.

[3]林长青,孙胜利.基于FPGA的多路高速数据采集系统[J].电测与仪表,2005,42(5):52-54.

作者:杜吉庆 潘小刚 周丹 吴忧 单位:南京邮电大学通达学院

电站多接口数据采集与故障装置设计责任编辑:张雨    阅读:人次
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