電站多接口數據采集與故障裝置設計范文

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摘要：光儲充電站的數據采集裝置應用指標主要包括接口兼容性、批量處理數據能力和數據傳輸速率幾個方面，本系統從批量高速數據傳輸方面出發，采用FPGA作為主控核心單元，設計一種多接口數據傳輸裝置，可以兼容多種通信電氣接口，特別是串口采用高速電平轉換芯片，并采用非標準波特率；數據采集裝置中設置數據閾值，對故障數據進行記錄。該裝置主要發揮數據傳輸和故障數據保存的作用。

關鍵詞：多接口；數據采集；故障錄波

引言

在新能源光儲充電站發展過程中，儲能電站的功率和容量的配置越來越大，儲能電站需要管理和監控的數據節點越來越多，為了提高系統的安全性，需要對各個設備的節點信息都進行實時監測，數據傳輸的頻率要求達到毫秒級別甚至更高，能量管理系統作為核心管理單元，需要對光伏、儲能、充電、電網數據等各方面信息進行分析，結合安全經濟模型，計算最優控制指令。因此儲能電站對于數據采集和監控的要求越來越高，主要指標包括數據量、數據傳輸速率、通信接口兼容性。

1系統方案

光儲充電站系統的整體通信邏輯結構如圖1所示，底層設備包括電池管理系統，儲能變流器，光伏發電單元，各類繼電保護斷路器，充電終端等。底層設備的接口包括CAN、485、能量管理系統和數據采集裝置的通信接口為網絡通信接口，數據傳輸形式為UDP通信方式；能量管理系統備用機和數據采集裝置的通信接口為網絡通信接口，數據傳輸形式為UDP通信方式；數據采集裝置和底層執行單元的通信接口形式有多種，包括標準232接口、485接口、CAN接口。底層執行單元包括電池管理系統（BMS），儲能變流器（PCS），光伏發電單元（PV），充電終端等；各個底層設備的數據接口可以包括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，內部構建CAN/232/485通信接口，通信接口和底層執行單元進行數據交互，各種通信協議獲取數據通過FPGA內部構建的協議轉換單元進行協議格式的轉換，轉換之后的數據協議格式為UDP數據協議格式。通信裝置中的串口為了滿足高速數據通信的要求，采用非標準通信速率進行數據傳輸，電平轉換芯片為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準波特率，因此需要特殊配置方法，波特率計算步驟如下，系統主頻經過FPGA倍頻后頻率fck設置為1.5GHz，從而當配置Div初值為1時候，實際的波特率為93.75MHz。公式Baud=fck/(16*Div)（1）

2系統工作流程

數據采集裝置采用FPGA作為主控制核心，在主控制MCU內部構造CAN接口、232接口、485接口、UDP接口等標準電氣接口。在FPGA內部構建協議轉換單元，對于底層執行單元上傳上來的各種協議格式數據都可以進行解析和封裝。在FPGA內部還可以構建數據存儲區域，用來保存解析出來的數據。數據上行流程如下所示：（1）底層能量管理系統（BMS）裝置具有標準CAN電氣接口，在數據上行時，將數據信息按照制定的CAN數據協議進行封裝并通過CAN接口發送出去；（2）數據采集裝置的主控MCU通過構造的CAN接口對數據進行接收，并通過協議轉換單元對接收到的數據進行解析，解析出的有效數據按照一定順序保存在數據存儲區域；（3）FPGA通過CAN接口接收到數據之后，按照約定CAN數據協議進行解析，并將有效數據保存在數據存儲區；（4）需要進行故障比對的參數，設置一個范圍閾值，超過閾值范圍的情況，數據采集裝置作出故障判斷，并作出對應的控制動作；（5）如果底層執行單元采用的執行裝置為232/485接口，則，按照上述1-2-3步驟同樣執行一遍，僅僅是電氣接口和通信協議不同；（6）底層執行單元包括能量管理系統（BMS），儲能變流器（PCS），光伏發電單元（PV），充電終端等；（7）數據采集裝置的各種電氣接口可以同時對底層執行單元的通信接口進行操作，各個接口均獨立運行；（8）數據采集裝置和能量管理系統通過網絡接口進行數據交互，首先將數據存儲區域的數據取出，按照UDP通信協議進行封裝，然后通過網絡接口發送出去；（9）能量管理系統的主機和備用機分別分配相同的端口地址，主機的能量管理系統和從機的能量管理系統能夠接收到相同的數據，如果能量管理系統出現癱瘓，二者可以互相作為備用機。數據下行流程如下所示：（1）能量管理系統向下發送控制命令，首先將各控制數據按照UDP通信協議進行封裝，然后通過網絡接口發送出去；（2）數據采集裝置的網絡接口接收到數據之后，協議轉換單元按照UDP通信協議對接收到的數據進行數據解析，解析出來的數據保存在FPGA內部構造的數據存儲區域；（3）如果底層執行單元能量管理系統（BMS）的電氣接口為CAN接口，則數據采集裝置將數據存儲區域的數據按照CAN數據協議進行封裝，并通過CAN接口發送出去；（4）底層執行單元的能量管理系統CAN接口接收到數據之后，按照CAN數據協議進行解析，獲取其中有效數據進行對應的控制；（5）如果底層執行單元采用的執行裝置為232/485接口，則，按照上述2-3-4步驟同樣執行一遍，僅僅是電氣接口和通信協議不同；（6）底層執行單元包括能量管理系統（BMS），儲能變流器（PCS），光伏發電單元（PV），充電終端等；（7）數據采集裝置的各種電氣接口可以同時對底層執行單元的通信接口進行操作，各個接口均獨立運行。

3實驗結果

接口兼容性方面系統所采用的接口包括常規所有標準通信接口，如CAN口、232接口、485接口；高速數據傳輸方面系統采用非標準高速通信串口，波特率可以達到近100Mbps；接口并行性方面數據采集裝置采用FPGA作為主控制MCU，內部構造的多個通信接口可以并行運行；網絡通信接口大批量數據快速傳輸，能量管理系統需要整合的數據量大，因此，需要一種高速大批量的數據傳輸方式，網絡通信方式結合高速通信模塊最高傳輸速率可以達到1000M；且系統對故障的判別具有一定的冗余性，數據采集裝置中的數據存儲單元中設置了數據變量的閾值范圍，對于超過閾值范圍的參數和變量進行故障警告和控制，從而提高系統可靠性。

4總結

在光儲充電站多接口數據采集和故障錄波裝置設計過程中，根據底層的電氣接口設計數據采集裝置的電氣接口，且為了實現多個串口數據的高速傳輸，采用非標準485高速通信接口，UDP通信實現批量高速數據的傳輸。實驗結果表明，所設計的數據采集裝置具有較好的數據采集和監控效果，滿足系統對批量數據高速傳輸的要求。后期將采用SOPC方式在此基礎上，進行TCP/IP通信方式的設計。

參考文獻

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

作者：杜吉慶 潘小剛 周丹 吳憂 單位：南京郵電大學通達學院