張為民

(合肥為民電源有限公司,安徽 合肥 230088)

可再生能源的綜合利用對社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能環(huán)保有著重要的意義。風(fēng)能和太陽能作為兩種應(yīng)用廣泛的可再生清潔能源，在資源條件和技術(shù)應(yīng)用上具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。在一些區(qū)域或地區(qū)，獨(dú)立供電系統(tǒng)成為最需要的電源，風(fēng)光互補(bǔ)控制器作為離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，應(yīng)用越來越廣泛?？刂破鞯男阅軟Q定了離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能狀態(tài)，如何管理和監(jiān)控控制器的功能、采集控制器的相關(guān)數(shù)據(jù)、分析控制器的相關(guān)性能，變得尤為重要。隨著網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的普及，利用有線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控風(fēng)光互補(bǔ)控制器[1-4]。本文設(shè)計了一種基于網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的風(fēng)光互補(bǔ)控制器系統(tǒng)，該系統(tǒng)集通信傳輸、數(shù)據(jù)采集、存儲、讀取、控制功能于一體，在實(shí)際使用過程中，性能穩(wěn)定可靠。

本文主要介紹了網(wǎng)絡(luò)接口風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。其中，軟件設(shè)計分為嵌入式軟件設(shè)計和上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計等。

1 硬件電路設(shè)計

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將發(fā)出的電能存儲到蓄電池組中，當(dāng)用戶需要用電時，蓄電池直接給直流負(fù)載供電，或通過逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，再通過輸電線路送到用戶負(fù)載處。

本文設(shè)計了一種基于網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的風(fēng)光互補(bǔ)控制器系統(tǒng)，該系統(tǒng)的外圍硬件電路主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏電池組、帶網(wǎng)絡(luò)接口的風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池組、逆變器、直流負(fù)載和交流負(fù)載，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本文著重討論網(wǎng)絡(luò)接口的風(fēng)光互補(bǔ)控制器系統(tǒng)的設(shè)計，該設(shè)計主要包括兩個部分：(1)風(fēng)光互補(bǔ)控制器的設(shè)計，主要包括Microchip公司的PIC16F887單片機(jī)以及外圍電路(A/D轉(zhuǎn)換電路、整流電路、開關(guān)控制電路、市電切換電路等)[4];(2)網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，主要包括：以太網(wǎng)接口芯片DM9000A、PIC系列PIC1867J60MCU、網(wǎng)口變壓器件H1102,其他的接頭有RJ45等。網(wǎng)絡(luò)接口風(fēng)光互補(bǔ)控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

風(fēng)光互補(bǔ)控制器通過單片機(jī)PIC16F887采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過串口RS-232進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通過RJ45接入到Internet實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)互聯(lián)。其網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的硬件原理圖如圖3所示。

該原理圖中，LEDA接單片機(jī)PIC1867J60的24引腳，LEDB接單片機(jī)的 23引腳，TPOUT+接單片機(jī)的 51引腳，TPOUT-接單片機(jī)的 50引腳，TPIN+接單片機(jī)的47引腳，TPIN-接單片機(jī)的46引腳。

2 軟件設(shè)計

2.1 嵌入式軟件設(shè)計

PIC1867J60單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，使用單芯片完成協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，大大降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度。網(wǎng)絡(luò)接口芯 片 集 成 TCP/IP、UDP、ICMP、ARP、DHCP等眾多復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和SOCKET插口標(biāo)準(zhǔn),能夠適應(yīng)現(xiàn)有辦公網(wǎng)絡(luò)包括無線和有線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn),可通過路由和防火墻訪問,支持直連與交叉;提供 TCP Server、TCP Client、TCP Auto、UDP Master、UDP Slave、UDP廣播、UDP組播多種工作模式，體積較小，易于嵌入集成，支持串口及網(wǎng)絡(luò)方式配置，采用TCP連接實(shí)時檢測技術(shù)及時恢復(fù)被中斷的TCP連接，數(shù)據(jù)包全透明1：1真實(shí)轉(zhuǎn)換，復(fù)合式看門狗技術(shù)，永不死機(jī)，適應(yīng)低溫和高溫工作環(huán)境，為控制器的TTL串口輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。系統(tǒng)運(yùn)行后，單片機(jī)運(yùn)行Micorchip的TCP/IP協(xié)議棧，根據(jù)配置參數(shù)對從以太網(wǎng)通信口接收到的數(shù)據(jù)或從串行通信口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)通信串行口有數(shù)據(jù)接收時，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)格式并從以太網(wǎng)送出；當(dāng)以太網(wǎng)有數(shù)據(jù)接收時，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并提取其數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)從串口送出。

首先初始化網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，初始化部分主要完成的操作有：軟件復(fù)位、設(shè)定工作模式、設(shè)定臨時使用的以太網(wǎng)物理地址、設(shè)定接收幀的類型、確定數(shù)據(jù)的傳送方向、中斷允許、使能接收中斷、接收發(fā)送使能等。

網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計的總體流程圖如圖4所示。

2.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計

PC機(jī)監(jiān)控軟件通過定時器輪訓(xùn)的方式定時地向各個控制器單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過TCP/IP協(xié)議、Winsock套接字，采用三次握手原理實(shí)現(xiàn)帶網(wǎng)絡(luò)接口的控制器的有線傳輸。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)控制器的性能要求，同時考慮到軟件的安全性、穩(wěn)定性和方便性，本監(jiān)控軟件采用VB6.0開發(fā)，后臺數(shù)據(jù)庫采用MySQL。從設(shè)計的角度看，本監(jiān)控軟件具有的功能模塊：(1)用戶角色權(quán)限分配功能，可以修改控制器的相關(guān)參數(shù)，只有管理員用戶才可以。(2)數(shù)據(jù)顯示功能，該功能可以通過多種方式對控制器的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和統(tǒng)計?？梢酝ㄟ^曲線圖、柱狀圖、關(guān)系表圖、實(shí)物模擬圖、Radar圖來顯示控制器的實(shí)時和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，通過動態(tài)曲線來動態(tài)顯示用電量和發(fā)電量累計數(shù)據(jù)。(3)報警功能，通過控制器返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷其是否屬于控制器的警告信息，同時對軟件的使用也設(shè)計了相關(guān)報警信息。報警功能包括系統(tǒng)報警、通信報警、控制器的狀態(tài)報警等，通過報警信息來反映控制器的相關(guān)狀態(tài)信息和性能指標(biāo)，如果發(fā)現(xiàn)故障，可以通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，利用PC機(jī)給單片機(jī)下發(fā)指令來修正控制器的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而解除報警信息。(4)參數(shù)設(shè)置功能,提供顯示和設(shè)計控制器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置界面，通過該界面可以設(shè)置控制器的相關(guān)參數(shù)。(5)數(shù)據(jù)庫功能設(shè)計,由于該監(jiān)控軟件要對控制器的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計，并且大量的數(shù)據(jù)要存儲到數(shù)據(jù)庫中，因此要考慮到數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計主要包括索引設(shè)計、存儲設(shè)計以及提高數(shù)據(jù)庫的查詢效率等。本監(jiān)控軟件的模塊之間的關(guān)系如圖5所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計流程圖

網(wǎng)絡(luò)接口風(fēng)光互補(bǔ)控制器與相應(yīng)的蓄電池、風(fēng)機(jī)、太陽能電池板連接后，再通過RJ45網(wǎng)線連接到監(jiān)控計算機(jī)上，上位機(jī)監(jiān)控軟件的監(jiān)控主界面如圖6所示。

本文設(shè)計了一種基于網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的風(fēng)光互補(bǔ)控制器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括風(fēng)光互補(bǔ)控制器、網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、嵌入式軟件設(shè)計和上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計；該系統(tǒng)集通信傳輸、數(shù)據(jù)采集、存儲、讀取、控制功能于一體，通過實(shí)際使用證明，系統(tǒng)傳輸速度快，性能穩(wěn)定可靠。

[1]杜榮華,張婧,王麗宏,等.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)簡介[J].節(jié)能,2007，26(3)：36-38.

[2]都志杰.可再生能源離網(wǎng)獨(dú)立發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[3]張為民,李曉武,雷霆.太陽電池-鉛酸蓄電池充電控制器的研究[J].電源技術(shù),2004,28(1)：43-46.

[4]李佳旭.基于ARM7的嵌入式uC/TCP-IP協(xié)議棧的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué),2010.