基于微能源网的物联网管理平台设计

王文龙 张自雷 袁航航

摘要：文章以微能源网优化运行系统为研究背景，设计了一种基于数字信号处理器（DSP）的微能源网物联网管理平台。文章简述了监控管理平台以DSP为控制核心的主控模块、数据采集模块、网络通信等硬件设计；详细介绍了软件设计流程和相应控制策略，系统控制策略包括并网和离网；通过软件设计搭建虚拟管理平台LabVIEW，将系统采集数据接入物联网云平台，达到实现远程监控的目标。结果表明，物联网监控管理系统具有良好的实用性，便于系统的管理和故障排查，确保管理平台的稳定运行。

关键词：微能源网；物联网管理平台；云平台；DSP；LabVIEW

中图分类号：TP31文献标志码：A

0 引言

在当前节能减排的大环境下，将进一步减少非清洁资源的利用率。光伏发电作为一种清洁、低碳的清洁能源技术，提高其效率便显得尤为重要。在清洁能源的有效利用方面，光伏发电和分布式能源技术能满足低碳高效的要求，而微能源网技术的引入加快了清洁能源消耗的刺激［1］。微能源网基于微型电网通过将地热泵集成到地源以及太阳能热泵形成了3种能源：冷、热和电，这种协调的方法包括制冷系统、加热、蓄热和供电等，可以有效地改进能源的高效利用，并降低用户成本，减少环境污染。以微能源网系统数据为基础，将管理与监控一体化，达到微能源网系统智能化运行操作的要求［2］。本文论述了热电联产与网络建设的重要性，利用物联网实现了能源与网络的高效融合。相较于传统的微能源网监控系统使用单片机和A/D转换电路，虽在成本上较低，但检测的可靠性也较低；由于单片机主频限制，系统对于检测的反应速度较慢，在复杂环境下容易受到影响。

本文提出一种基于DSP的微能源网数据采集管理平台设计，系统具有良好的稳定性、可靠性及较高精度，能够满足监控系统平台的需求。通过DSP硬件设计和软件设计以及物联网云平台，上位机设计，将采集的数据上传物联网平台，实现相关数据的采集、系统运行状态监控和数据联网处理等，满足当前微能源网数据检测的要求。

1 物联网监控系统的总体设计

本文设计微能源网的物联网管理系统，可实现数据采集、操作控制、状态控制和物联网连接的功能。为了达到监测设备之间稳定运行的目标，对微能源网控制系统进行了结构规划，包括网页端与移动端。在设计硬件框架的基础上，开发了物联网监控平台的软件设计，其中，含有软件与硬件的数据传输、虚拟平台的设计与数据的分析等，大大提高了操作的直观性。DSP控制器可以通过WiFi模块将收到的数据传送到物联网云平台，并通过连接显示和储存传送到手机终端，可在手机终端显示和控制单元的数据信息，以及对被控单元进行远程操作［3］。

物联网监控平台的总体结构设计如图1所示，系统设计包括硬件数据采集和上位机管理；上位机采用虚拟仪器LabVIEW，包括数据管理、数据分析以及辅助模块等。其中，交互操作的功能，即在系统中通过远程云平台进行人机交互，在物联网系统中显示和控制显示界面端的虚拟工具是两种实现模式。

2 硬件设计

微能源网的物联网管理平台硬件部分由控制端和DSP核心控制器构成。在微能源网中，将大电压和大电流转化为可用于芯片工作的小电压信号，这部分被称为信号调节。WiFi单元将采集到的数据传输至互联网平台，并在创建的人机操作模块显示数据信息。控制端的通信管理模块主要由RS-485构成，用于采集数据和控制命令的传输；控制端包括DSP中央控制器，各单元模块包括数据采集、控制保护、网络通信；辅助功能包含控制单元、界面交互以及设备通信和数据处理 ［4］。其中，核心控制器采用TMS320C28X系列浮点DSP控制器。物联网管理平台硬件结构如图2所示。

2.1 通信模块

控制端的通信模块主要组成部分为RS-485和SCI，RS-485能够实现数据采集和控制指令的传输；SCI能够实现交流电能芯片将采集到的电能数据传输到DSP控制器中，并通过RS-485总线将所有采集数据传输至核心控制器；核心控制器的通信模块由RS-485通信单元和ESP通信单元组成。RS-485通信单元负责传递到上位机，实现电脑端物联网管理平台的监测，包括实现与控制端的通信连接；ESP通信单元负责完成将采集的数据通过无线传输方式上传到物联网平台，进而实现微能源網的物联网管理平台的数据监测。

2.2 DSP核心系统

TMS320F28335具有高达150 MHz的快速处理能力，处理器拥有浮点数为32位，支持ADC，McBSP和EMIF在6个DMA通道与18个PWM的输出，其中有6个特定的HRPWM和16个12位ADC通道。此控制器使用浮点运算单元，不仅用户能够快速编写控制算法，不必在小数运算上花费太多的时间和精力，而且平均性能比上一代DSP提高50%，并与c28x定点控制软件兼容，简化了软件开发，缩短了开发周期，开发成本也进一步降低；它可配置两种不同的8通道入口模式，也可为其配置具有16通道的级联输入模式；输入可以通过配置顺序收集。与以往的定点DSP相比，该器件具有精度高、功耗小、性能高、外设集成度高、数据以及程序存储量大、A/D转换更精确和快速等众多优点［5］。

2.3 信号采集模块

信号采集模块实现微能源网的信号采集，根据采集可分为信号调理和模数转换两个部分。外部硬件电路主要含有电流输入模拟、输出脉冲SCI通信接口以及电源等电路；SCI串行通信接口是HT7038内部集成操作的依赖，采用两条控制线和两条数据线，便于主芯片测量和校准表参数的传输；HT7038芯片使用的是LQP32封装。模数转换是将采集的电压电流信号转换成数字量，便于TMS320F28335对数据进行读取；电压电流互感器将电压电流信号转换成交流差分信号，以达到HT7038的稳定电压范围。TMS320F28335芯片内部含专用通道，可用于直流电压电流的数据采集，通过数据传输到Analog MUX，数据传到EPWM处理，经由12位ADC进转换处理，最后输出到寄存器。

3 软件设计

3.1 主程序设计

基于系统要求对主程序进行了相应设计，对采集到的数据实时分析，可以评估微电网以外的运行情况，并根据不同的操作类型，在并网或离网的条件下执行相应的控制程序。在主程序开始运行后，首先实现了对TMS320F28335和HT7038进行初始化配置，然后进入程序的主程序循环。微电网运行数据的第一次采集发生在程序的主周期中，包括：读取HT7038寄存器数据，打开ADC并启动DMA传输，从微能源网储能系统中读取信息，并对光耦输入状态进行监测。然后对采集到的数据进行分析，并通过分析得出微能源电网运行状态和并离网运行状态。系统的主程序流程如图3所示，根据分析的结果，在并网或离网连接的情况下执行相应的控制和监测程序。

3.2 并网控制程序设计

为了能够最大限度地利用新能源，在电网运行过程中，主要由光伏和风能系统产生的能量来提供，不足的部分通过注入大型电网来补偿，多余的能量由储能系统补偿，该系统通过给主电池充电来补偿电网能量。若风光提供能量都高于需求，且主蓄电池组已经充满电时，可适当通过减少光伏发电来实现能量平衡。并网控制策略名词包含：微能源网内部实时发电功率（PG）及负荷功率（PL）；储能电池的荷电状态（SOCH）；储能电池S0C的上限（SOCmax）；功率误差可波动范围（PS）；储能电池充电功率（PFC）；储能电池的充电功率最大值（PFCmax）。若功率变化量绝对值低于功率误差可波动范围时，功率误差在功率可波动允许范围内，实现系统平衡，不进行能源调节；若功率变化量绝对值高于功率误差可波动范围且不低于0时，设定注入电网来适度调节；当荷电状态低于储能电池的最大值且充电功率低于充电功率最大值时，对储能系统电池组进行充电，采用算法控制电池组的充电功率，能够使其与变化量ΔP相等；当荷电状态高于储能电池的最大值或充电功率高于充电功率最大值时，通过算法控制来达到减小光伏发电功率的目的，使其与电力负载系统相等。其中，并网运行控制流程如图4所示。

3.3 离网控制程序设计

在离网运行状态下，微电网的能量规划中不含有大电网，在发电功率和负载功率不平衡的情况下，通过控制储能系统的放电和充电的次数，减少负载，来调节光能系统的生产功率，从而平衡微电网的能量。在光伏发电场产生剩余电力的情况下，可对储能系统进行充电或适当降低光伏电站的发电量。当储能系统的排气功率达到下限或排气功率用尽时，负荷应当优先于平均负荷。储能系统的放电功率达到下限或电量耗尽时，按照平均负荷的优先顺序承担负荷。离网控制策略名词包含：储能电池的下限（S0Cmin）；储能电池充电功率（PC）；储能电池充电功率的最大值（PCmax）；储能电池的放电功率（PF）；储能电池放电功率的最大值（PFmax）。若功率变化量绝对值低于功率误差可波动范围时，功率误差在功率可波动允许范围内，实现系统平衡，不进行能源调节；若功率变化量绝对值高于功率误差可波动范围且不大于0时，荷电状态高于储能电池的最小值且充电功率低于充电功率最大值时，通过控制算法来控制储能系统功率变化量|ΔP|；若荷电状态低于储能电池的最小值或充电功率高于充电功率最大值时，则负载按重要性的顺序被除去；若功率变化量绝对值高于功率误差可波动范围且不低于0时，荷电状态低于储能电池的最大值且充电功率低于充电功率最大值时，则储能系统进行充电，通过控制算法控制充电功率，使其等于功率变化量ΔP。若功率变化量绝对值高于功率误差可波动范围且不低于0时，荷电状态高于储能电池的最大值或充电功率高于充电功率最大值时，通过控制算法使得光伏发电功率减小，直到与系统负荷功率相等。其中，离网运行控制流程如图5所示。

3.4 物联网平台与上位机设计

在物联网的通用应用层中，MQTT以其简单、轻便、易用的特点被各种物联网平台广泛使用［6］。MQTT通信协议对于嵌入式设备及多种不可靠的网络环境，具有较好的适应性。该协议是顶层TCP/IP协议，使用订阅/发布通信结构。Web发布功能是利用Web技术将微能源监测数据经过MQTT通信协议发布，可完成远程访问与管理［7-8］；核心控制器将采集的电能数据上传物联网平台，将数据通过通信协议发至相应服务器集中数据管理，显示在移动端；物联网云平台总体架构如图6所示。系统中上位机设计的功能包含：LabVIEW与DSP之间的通信功能、数据处理、监控设计和存储数据等。上位机使用虚拟仪器LabVIEW进行设计；在设计虚拟仪器LabVIEW和DSP通信过程时，需要使用VISA签证库与相应串口通信协议建立链接，建立上下位机之间的通信［9］。

4 結语

本文针对微能源网的物联网管理系统进行了研究与设计，实现对数据的采集与分析，提高了管理平台的直观性。经过测试，用户可通过物联网云平台远程接入并掌握系统设备的实时运行性能和实时运行数据、可调可控系统设备、分析数据等，显著提高光伏电站运行效率，提升微能源网运行的安全可靠性，满足设计要求。

参考文献

［1］杨伊静.“低碳能源 零废未来”论坛暨微能源网协同创新平台与碳中和绿色发展创新平台2022年度峰会在京举办［J］.中国科技产业，2022（9）：5-7.

［2］谭华.基于LabVIEW监控的远程无线多参数水质监测系统设计［J］.网络安全技术与应用，2022（8）：34-38.

［3］张建良，吴越，齐冬莲，等．基于DSP的微电网泛能控制实验平台设计［J］.实验室研究与探索，2018（37）：82-85.

［4］秦东东，韦巍，彭勇刚，等.新能源海岛微电网监控系统的设计和实现［J］.电子技术，2016（45）：66-69.

［5］王元.基于DSP的微电网电能质量数据采集系统设计实现［D］.芜湖：安徽工程大学，2016.

［6］黄赵明.基于物联网平台的充电站系统的设计与实现［D］.南昌：南昌大学，2020.

［7］张帅，张迪，樊京，等.基于阿里云的电动汽车无线充电监控系统设计［J］.电工技术，2021（1）：101-104.

［8］王文斌，张鑫，赵玉，等.阿里云物联网平台的混流泵房远程监控系统设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2021（1）：38-41.

［9］王怀念.基于DSP和LabVIEW的后备式电源测试系统研究［D］.深圳：深圳大学，2019.

（编辑 沈 强）