基于网络接口技术风光互补控制器系统的设计

张为民

(合肥为民电源有限公司,安徽 合肥 230088)

可再生能源的综合利用对社会经济的可持续发展和节能环保有着重要的意义。风能和太阳能作为两种应用广泛的可再生清洁能源，在资源条件和技术应用上具有很强的互补性。在一些区域或地区，独立供电系统成为最需要的电源，风光互补控制器作为离网发电系统的核心部件，应用越来越广泛。控制器的性能决定了离网发电系统的稳定性和性能状态，如何管理和监控控制器的功能、采集控制器的相关数据、分析控制器的相关性能，变得尤为重要。随着网络接入设备的普及，利用有线网络可以实现集中监控和远程监控风光互补控制器[1-4]。本文设计了一种基于网络接口技术的风光互补控制器系统，该系统集通信传输、数据采集、存储、读取、控制功能于一体，在实际使用过程中，性能稳定可靠。

本文主要介绍了网络接口风光互补控制系统的硬件电路设计和软件设计。其中，软件设计分为嵌入式软件设计和上位机监控软件设计等。

1 硬件电路设计

风光互补发电系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机组将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，蓄电池直接给直流负载供电，或通过逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，再通过输电线路送到用户负载处。

本文设计了一种基于网络接口技术的风光互补控制器系统，该系统的外围硬件电路主要包括风力发电机组、太阳能光伏电池组、带网络接口的风光互补控制器、蓄电池组、逆变器、直流负载和交流负载，系统框图如图1所示。

本文着重讨论网络接口的风光互补控制器系统的设计，该设计主要包括两个部分：(1)风光互补控制器的设计，主要包括Microchip公司的PIC16F887单片机以及外围电路(A/D转换电路、整流电路、开关控制电路、市电切换电路等)[4];(2)网络接口协议转换器的设计，主要包括：以太网接口芯片DM9000A、PIC系列PIC1867J60MCU、网口变压器件H1102,其他的接头有RJ45等。网络接口风光互补控制器系统硬件结构如图2所示。

风光互补控制器通过单片机PIC16F887采集相关数据，通过串口RS-232进入网络接口协议转换器，通过RJ45接入到Internet实现局域网和广域网互联。其网络接口协议转换模块的硬件原理图如图3所示。

该原理图中，LEDA接单片机PIC1867J60的24引脚，LEDB接单片机的 23引脚，TPOUT+接单片机的 51引脚，TPOUT-接单片机的 50引脚，TPIN+接单片机的47引脚，TPIN-接单片机的46引脚。

2 软件设计

2.1 嵌入式软件设计

PIC1867J60单片机系统内嵌TCP/IP协议栈，使用单芯片完成协议转换功能，大大降低了系统成本和复杂程度。网络接口芯 片 集 成 TCP/IP、UDP、ICMP、ARP、DHCP等众多复杂网络协议和SOCKET插口标准,能够适应现有办公网络包括无线和有线网络通信标准,可通过路由和防火墙访问,支持直连与交叉;提供 TCP Server、TCP Client、TCP Auto、UDP Master、UDP Slave、UDP广播、UDP组播多种工作模式，体积较小，易于嵌入集成，支持串口及网络方式配置，采用TCP连接实时检测技术及时恢复被中断的TCP连接，数据包全透明1：1真实转换，复合式看门狗技术，永不死机，适应低温和高温工作环境，为控制器的TTL串口轻松实现网络功能。系统运行后，单片机运行Micorchip的TCP/IP协议栈，根据配置参数对从以太网通信口接收到的数据或从串行通信口接收到的数据进行处理。当通信串行口有数据接收时，单片机接收数据并将其转换为以太网的数据格式并从以太网送出；当以太网有数据接收时，单片机接收数据并提取其数据包中的有效数据从串口送出。

首先初始化网络接口协议转换模块，初始化部分主要完成的操作有：软件复位、设定工作模式、设定临时使用的以太网物理地址、设定接收帧的类型、确定数据的传送方向、中断允许、使能接收中断、接收发送使能等。

网络接口协议转换模块软件设计的总体流程图如图4所示。

2.2 上位机监控软件设计

PC机监控软件通过定时器轮训的方式定时地向各个控制器单片机发送数据，通过TCP/IP协议、Winsock套接字，采用三次握手原理实现带网络接口的控制器的有线传输。为了实现风光互补控制器的性能要求，同时考虑到软件的安全性、稳定性和方便性，本监控软件采用VB6.0开发，后台数据库采用MySQL。从设计的角度看，本监控软件具有的功能模块：(1)用户角色权限分配功能，可以修改控制器的相关参数，只有管理员用户才可以。(2)数据显示功能，该功能可以通过多种方式对控制器的相关数据进行显示、分析和统计。可以通过曲线图、柱状图、关系表图、实物模拟图、Radar图来显示控制器的实时和统计分析数据，通过动态曲线来动态显示用电量和发电量累计数据。(3)报警功能，通过控制器返回的数据进行分析，判断其是否属于控制器的警告信息，同时对软件的使用也设计了相关报警信息。报警功能包括系统报警、通信报警、控制器的状态报警等，通过报警信息来反映控制器的相关状态信息和性能指标，如果发现故障，可以通过远程网络，利用PC机给单片机下发指令来修正控制器的相关参数，进而解除报警信息。(4)参数设置功能,提供显示和设计控制器的相关参数设置界面，通过该界面可以设置控制器的相关参数。(5)数据库功能设计,由于该监控软件要对控制器的实时数据进行分析、统计，并且大量的数据要存储到数据库中，因此要考虑到数据库的设计。数据库的设计主要包括索引设计、存储设计以及提高数据库的查询效率等。本监控软件的模块之间的关系如图5所示。

图4 网络接口协议转换模块软件设计流程图

网络接口风光互补控制器与相应的蓄电池、风机、太阳能电池板连接后，再通过RJ45网线连接到监控计算机上，上位机监控软件的监控主界面如图6所示。

本文设计了一种基于网络接口技术的风光互补控制器系统。该系统包括风光互补控制器、网络接口协议转换模块、嵌入式软件设计和上位机监控软件设计；该系统集通信传输、数据采集、存储、读取、控制功能于一体，通过实际使用证明，系统传输速度快，性能稳定可靠。

[1]杜荣华,张婧,王丽宏,等.风光互补发电系统简介[J].节能,2007，26(3)：36-38.

[2]都志杰.可再生能源离网独立发电技术与应用[M].北京：化学工业出版社,2009.

[3]张为民,李晓武,雷霆.太阳电池-铅酸蓄电池充电控制器的研究[J].电源技术,2004,28(1)：43-46.

[4]李佳旭.基于ARM7的嵌入式uC/TCP-IP协议栈的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学,2010.