光伏逆变器老化系统的设计与实现.pdf

2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application510 引 言国内某大型电力设备制造企业下辖多个产品事业部，随着近年来碳中和、节能减排和新能源政策的稳步推进，其光伏事业部营业额一直稳居各部门前列1-4；尤其在 2022 年初，由于公司获得德国 TUV 技术认证与 ISO9001 认证，光伏逆变器（下文简称“逆变器”）系列产品进一步打开欧洲市场。在俄乌战事不明朗的形势下，石油、煤炭、天然气等欧洲依赖度较高的化石能源价格高涨，且面临短缺甚至断供的可能性，但短期内欧洲各种能源的消费水平无法下降5-6。因此，在 2022 年 5 月后，欧洲出货渠道的订单量出现爆发式增长。为满足出口订单的要求，公司一方面加大产能，临时抽调其他事业部技术工人支援光伏事业部；另一方面，采取三班倒的工作模式，进一步激发产线潜能。在采取以上措施后，近 3 个月的订单基本达到预期目标，但也暴露出一些问题。首先，出货依然面临巨大的压力。进入 8 月中下旬后，欧方客户的需求进一步增长；相当比例的客户不但在商务谈判阶段给出超出预期的优惠价格，而且后续订单需求翻番，同时交货时间紧迫，以期应对秋冬季的能源危机。这就要求公司进一步优化生产流程，打通关键节点以释放产能。其次，与以往公司出口客户不同，欧方客户对产品的要求更高。甲方普遍希望公司采用产品全生命周期的过程管理，对逆变器从零件采购、组装生产、封装测试、物流运输、安装运行等各个阶段的数据可追溯可查询7。最后，管理层意识到最近几个月是难得的战略机遇期，公司将以此为契机，在满足逆变器订单出货的情况下，对企业内部各个子系统，如 OA/ERP/MES/SCADA 等进行进一步整合；同时对行政业务、流程控制等进行优化升级，为企业下一阶段发展奠定基础。为完成上述目的，公司组织业务骨干与第三方机构进行调研，得出以下结论：第一，在零件采购、整机生产等前期阶段，由于公司已有的 ERP/MES 系统应用已相对成熟，未发现可以大幅度提高生产效率的环节。第二，在光伏逆变器出厂前的老化测试阶段，除去老化测试的程序已写入逆变器控制逻辑，此部分属于自动化控制外，在其他的批次控制、历史数据记录、过程控制等环节，事业部目前采取人工抽查、纸质记录的方式，尚未形成自动化的流程机制。这种情况下，一方面，效率低下，多批次老化试验间的切换浪费大量时间，人为记录失误率高；另一方面，未形成全批次全部设备的电子化数据记录。第三，光伏事业部已有的 SCADA系统，即 XX 公司光伏运维智能管理平台（下文简称“光伏平台”）的功能相对完善，在平台开发阶段预留出了二次开发的接口，对于单台逆变器的老化测试控制逻辑已基本具备。但 OA/ERP/MES 系统由于是外包开发，系统的可扩展性不足，短期内难以相互整合8-9。综合考虑开发成本和实现难度后，公司亟需开发一款光伏逆变器老化系统（下文简称“老化系统”），以做到逆变器老化测试流程的自动化处理，并与原 SCADA 系统整合，将老化阶段的数据进行全周期电子化记录。1 系统的开发要求系统开发的总体原则是在短时间内，利用已有的平台，以最小的工作量开发出一套既能实现批量老化测试，又能与光伏逆变器老化系统的设计与实现张鸿博，张 伟，于 静，陈儒敏（北京科技大学天津学院 信息工程学院，天津 301830）摘 要：针对某公司近期光伏逆变器出货压力增大的问题，提出一种光伏逆变器老化系统的设计方案，旨在提高生产效率、减少人为失误、整合老化测试生产流程。笔者分别通过单台逆变器老化的流程设计、光伏平台端子模块的设计、工位电脑端老化系统设计和数据库设计共 4 个子模块对系统进行详细设计。进而，在满足软件界面操作简单、流程自动进行等要求的前提下，本文开发出一套部署在生产线工位电脑端的软件平台。此平台具有查看某批次老化实验中逆变器测试数据、报警信息、历史测试曲线的功能，并在实验结束后可导出测试数据报。将老化系统交付事业部进行部署和试运行后，取得了良好的效果。关键词：光伏逆变器；老化测试实验；生产自动化；数据库设计；界面开发；软件平台中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）09-0051-07DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.09.014收稿日期：2022-11-02 修回日期：2022-11-30基金项目：天津市教委科研计划项目（2020KJ081）物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application52现有 SCADA 系统融合、记录测试数据的自动化控制系统。具体的要求如下：（1）开发调试周期尽量短，要求一周内完成；（2）界面美观，测试数据尽量以图形化的形式展示；（3）尽量利用事业部已有的软硬件条件，减少开发 成本；（4）逆变器的控制流程，可以借助已有的光伏平台实现，不必在新系统中重复开发。（5）考虑到产线工人的计算机能力相对不足，老化系统的操作务必简单，方便培训及应用。由一名操作工即可完成整体老化测试流程。（6）老化系统具备较强的防误操作机制，老化测试开始后，操作员只能查看当前实验记录的历史数据，不得擅自终止实验。（7）自动控制某批次老化测试的流程。当设备上线率达到 95%以上，开启老化测试；设备离线率达到 50%以上，终止本批次实验。某批次测试开始后，操作工无须进行其他操作。（8）全周期记录本批次逆变器老化测试过程中的逆变器电压、电流、报警信息，存入本地数据库中，批次完成后可以导出测试数据报表，由技术负责人确认签字后存档。同时，光伏平台开发可以访问老化系统数据库的子模块，将测试数据记录到产品设备全生命周期数据中。2 系统架构及硬件设计老化系统的设计分为流程设计、软件设计、数据库及表结构设计等多部分，本章内容详细讲述系统架构及硬件设计。由于系统开发要求尽可能应用现有硬件环境，不增加开发成本的条目，故老化系统计划沿用事业部内的现有老化测试台架、通信网络和工位电脑，只涉及软件及流程方面的开发。如图 1 所示为光伏事业部现有的逆变器老化测试台架示意图。此部分装置统一安装在事业部售前产品测试区域内，电源采取独立双回路 380 V 动力供电，以保证供电稳定性。测试场地占地 300 m2左右，方形布局，场地外设置有隔离栅栏及警示标语。每个测试台架有 5 层，单台架容量为40 台/套逆变器，共 10 排台架。在单台操作工位上，预留有两相/三相电源接口；同时，安装有支持 ModBus 通信的 RS 232 通信线。电源线接口安装在工位左侧卡槽内，通信线接口在工位底部卡槽；在台架电缆铺设中，电源线与通信线之间设计了电磁屏蔽装置，以避免强弱电信号相互干扰。逆变器集成有物联网通信模块，其 IoT 天线在测试阶段一般安装在机箱上方。在测试区四个角落及正中央，安装有无线信号放大器，以增强信号强度。图 1 老化测试台架结构示意图图 2 为系统整体架构示意图。首先，对系统整体架构所在的运行环境作简要说明。出于数据安全性与工厂供电可靠性的考虑，光伏平台未安装在事业部所在的厂区内部。光伏平台系统较为复杂，由 Web 服务器、通信前置机服务器、数据处理服务器、报警服务器、数据库服务器等多台服务器构成集群，部署在阿里云端上。服务器的日常维护由阿里云提供，事业部技术人员只关注平台运行的情况。此部分服务器所在的外网，经由数据隔离装置可以访问事业部所在厂区的内部网络。图 2 系统整体架构示意图其次，逆变器安装有物联网通信模块，可以经由物联网模块和三大电信运营商提供的数据服务，与光伏平台进行通信。通信规约及策略已经分别部署在逆变器内和光伏平台，无须重新开发。在某批次老化测试开始后，安装在老化测试台架上的各台逆变器通过 RS 232 线与部署在工位电脑上的老化系统进行通信。再次，老化系统部署在工位电脑上，通过公司内网与厂区内历史库服务器通信。外部客户可以通过光伏平台新开发的数据接口，访问存储在历史库数据库中的某批次老化测试的数据。最后，老化测试中，控制老化测试各步骤的任务主要是在单台逆变器与光伏平台间通信完成的。而工位电脑上部署2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application53的老化系统主要任务是被动接受各逆变器经由光伏平台回传的测试数据，并进行存库。同时，对测试批次进行总体把控。这样一方面能利用光伏平台原有的逆变器完整通信及控制流程，减少新系统开发工作量；另一方面，可以令研发人员重点关注新系统的整体控制流程、生产自动化方面的需求。3 系统软件设计软件设计为本系统开发的重点，分为单台逆变器老化的流程设计、光伏平台端子模块的设计、工位电脑端老化系统设计和数据库设计 4 个子模块，下面分别进行详细阐述。3.1 单台逆变器老化流程设计单台逆变器老化流程涉及到老化系统、光伏平台和逆变器三部分的信息交互，具体流程如图 3 所示。图 3 单台逆变器老化流程设计由图 3 可见，完成单台逆变器的老化流程需要 17 个步骤。图中 3 条竖直粗线条代表老化测试各阶段的控制流程，其间的箭头代表数据流和控制流；箭头上方文字代表测试步骤的序号和名称，箭头下方文字代表数据流所应用的通信规约。比如第一个箭头上方文字为“A.逆变器开机”；下方文字为“ModBus”，箭头由老化系统指向逆变器，指代操作步骤 A 是完成逆变器开机的任务，通信数据采用 ModBus 规约由老化系统发往逆变器。老化系统主要承担测试台架上逆变器的开关机，逆变器信息核对和记录测试过程中的数据。逆变器的开关机命令采用 ModBus 规约，通过铺设在老化测试台架卡槽中的 RS 232通信线下发。由老化系统与逆变器直接进行通信。该命令改变逆变器设备开关量中任何一路的输出状态。它包括子站地址（逆变器地址）、功能码、开关量地址、特征数据和 CRC校验码。其中，功能码 05H 代表下发的数据属于遥控数据。控制开关机的特定遥控地址是 0000H，特征数据 FF00H 使遥控开关量输出状态为 ON，即遥控输出继电器接点闭合，逆变器开机；特征数据 0000H 使遥控开关量输出状态为 OFF，即遥控输出继电器接点打开，逆变器关机。开机报文见表 1所列。其中数据均为 16 进制数据，多字节数据项的排序方式为低字节在前，即小端方式。表 1 ModBus 规约开机报文示例地址码功能码遥控地址特征数据CRC 校验码01H05H0000HFF00H8C3AH信息校验步骤中，主要是老化系统针对某批次老化测试中的各台设备做信息核对，比如验证逆变器的 ID 号、逆变器的生产日期等。在校验完成后，老化系统将下发逆变器允许上线的命令，通信报文经由公司内网传至光伏平台，通信规约采取 WebService 消息格式，具体在 4.2 节详述。然后，光伏平台通过 Q/GDW376.8 规约10，将命令经由物联网发送至逆变器，逆变器端设备自动进入老化测试过程。在测试过程中，逆变器每 15 min 采用 Q/GDW376.8 规约上送光伏平台一次电压、电流、功率因数、电量值等信息；光伏平台接收数据后，转变规约格式，采用 WebService 消息格式传送至老化系统。老化系统在成功解析数据后，将测试记录存入数据库，并在界面做相应展示。在测试过程中，遇到报警信息，如电流过大、电路板温度过高、电容击穿等紧急情况，光伏平台根据相应的处理流程向逆变器下发控制命令，同时将报警信息抄送至老化系统。在老化过程中，老化系统只被动接收光伏平台转发的逆变器的各种测试信息和报警数据，不直接参与单台逆变器的老化控制流程。待某批次逆变器全部完成老化测试，或者完成度达到设定指标台数后，本批次老化测试结束。3.2 光伏平台端模块设计光伏平台端的任务在整体项目中属于次要部分，主要负责逆变器与老化系统间信息的传输，以及读取老化系统历史库记录。在原光伏平台中，已完整实现逆变器 Q/GDW376.8规约的控制流程，新项目中无须重复开发，只需要开放出老化测试部分的功能即可。在信息传输阶段，采用 WebService消息的形式，与老化系统进行通信，具体的通信规约各字节定义见表 2、表 3 所列。通过表 2、表 3 可以看出，WebService 消息采用报文分区的定义格式，每部分分区中再分出次一级定义字段；整物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application54体报文格式采用 Q/GDW376.8 报文内嵌入 WebService 消息的格式。在表 2 中，报文分区的消息头（CWEBCOMNT_MSG：MSG_CLIENT_HEAD）部 分 msg_type 的 值 恒 为1，代表此类报文需经由中继平台（即光伏平台）在老化系统与逆变器之间通信；uuid 的消息 ID 在老化测试流程开始后初始值为 0，发送一帧值加 1；其他字段如 onlysend_flag、oper_type、nextframe 等的值为固定的，是为老化测试定制的数值；任务头分区（CWEBCOMNT_MSG：MSG_TASK）中的 subst_id 字段电站 ID 一般默认设置成 0，指代出厂前测试站的 ID；在任务体分区（Data）中的 data_frm 内填充入 Q/GDW376.8 报文即可，实际长度不定。表 3 中的各报文分区和字段含义与表 2 类似。表 2 老化系统-光伏平台的 WebService 消息格式报文分区名称代码描 述数据类型字节个数CWEBCOMNT_MSG：MSG_CLIENT_HEAD（消息头：5 部分）msg_type值为 1Int4uuid消息 IDInt4data_len字节数Int4onlysend_flag值为 0Int4wait_count超时/sInt4CWEBCOMNT_MSG：MSG_TASK（任务头：7 部分）oper_type值为 99Int4nextframe值为 0Int4bakresult_flag值为 0Char1bakcode_flag值为 0Char1bakcodejx_flag值为 0Char1subst_id电站 IDInt4collector_id采集器 IDInt4Data_type_vect（任务体：内容类型，2 部分）data_Type_num值为 1Int4data_Type值为 0 x401Int4Data_bytenum_vect（任务体：内容字节数，2 部分）data_bytenum_num值为 1 Int4data_bytenum报文字节数Int4Data（任务体：内容，2 部分）data_len报文字节数Int4data_frm376 报文Char不定表 3 光伏平台-老化系统的 WebService 消息格式报文分区名称代码描 述数据类型字节个数CWEBCOMNT_MSG：MSG_SERVER_HEAD（消息头：3 部分）msg_type值为 1Int4uuid消息 IDInt4data_len字节数Int4CWEBCOMNT_MSG：MSG_BODY（任务体：5 部分）rx_flag接收标志Char1jx_flag恒为 0Char1frm_len376 报文字节数Int4data_frm376 报文Charfrm_len 个字节JXFrm_len值为 0Int4由于老化系统与光伏平台之间交互任务分工略有不同，光伏平台发送至老化系统的报文多为确认信息类报文，所以WebService 消息体的设计略显简单。而老化系统发送至光伏平台的消息还需要经过进一步解析后转送至逆变器，因此消息体设置更为复杂，增加了信息校验、多重字节长度确认等字段。光伏平台端另一部分设计任务在于读取老化系统历史数据库中的测试数据，并形成电子版的报表，添加到对应逆变器的全生命周期管理信息中。此部分功能主要调用 JDBC 接口来连接内网中的历史库服务器读取数据，然后将测试数据填入预先设计的报告模板中。因其流程相对较简单，此处不赘述。2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application553.3 老化系统设计老化系统是需求的重点，其软件设计的流程如图 4 所示。图 4 老化系统流程设计在某批次老化测试开始前，需要产线工人按要求整理本批次参加老化测试的逆变器信息，并形成 CSV 电子档案。文档中包含逆变器总台数，每台逆变器的 ID 号、型号、功率等信息。在老化测试开始后，系统先进行初始化检测流程，主要检查本系统与光伏平台间的网络监听端口通信情况、历史库链接情况，并读取本地工位电脑时间，存入日志中。网络监听端口及历史库连接参数可以通过图 5、图 6 的 XML文件进行配置。为方便展示，将两图中的原始文件格式稍作调整。图 5 网络监听端口配置 XML 文件工位电脑的操作系统为 Windows7 或 Windows10，为避免出现中文乱码的情况，编码方式采用 GB2313。监听端口的等待时间设定为 60 s。图 6 历史库配置 XML 文件在完成初始化检测后，将由产线工人整理的 CSV 档案读入老化系统，系统根据档案中的信息在历史库中新建本批次老化测试的数据表。然后，老化系统以 ModBus 规约格式通过 RS 232 通信线向台架上的各逆变器发送开机命令，开机报文格式详见表 1 所列。逆变器收到开机命令后，经由物联网向光伏平台发送请求上线的 Q/GDW376.8 报文；随后光伏平台将其封装成 WebService 消息转发至老化系统。在老化系统端，将消息中的逆变器具体信息解析后与历史库中信息进行核对，如一致则允许逆变器待上线；当同批次的逆变器待上线数量达到设定值后，老化流程正式开始。在老化流程中，系统将每台逆变器的测试数据与报警信息存储入历史库服务器，历史库中的各数据表格式将在 3.4 节中详细说明。同时，在软件的操作界面上，数据及报警信息用数据图和区分度明显的表格来展示，详见第 4 章。待所有逆变器完成测试流程后，本批次老化测试结束。3.4 历史库设计考虑到老化系统开发时间较为紧张，历史库的设计定位在满足应用需求的情况下尽量简单。整体数据库设计为5 张数据表，其中 4 张表格用于记录老化测试的批次和具体数据值，1 张表格为报警信息索引表，具体见表 4 表 8 所列。表 4 实验参数字段名称数据类型空 值主 键TestidVarchar（16）Not NullYesTestnameVarchar（40）NullNoDevnumIntNullNoStarttimeIntNullNoEndtimeIntNullNo表 4 记录老化测试的某批次实验名称和信息。其中，Testid 作为表格主键，由老化系统按顺序默认赋值，不可人为修改。Testname 是某次实验的名称，当新建实验后，系统自动读取工控电脑本地时间，命名为“实验批次-YYYY-MM-DD hh-mm”。实验名称可根据需要人为修改。Devnum是本批次实验的逆变器台数，需要人工输入。Starttime 和Endtime 两字段采用 UTC 时间，在系统中自动编程进行转换；数据格式定义为 Int 是为节省存储空间。表 5 实验设备字段名称数据类型空 值主 键TestidVarchar（16）Not NullYesVerifyidVarchar（32）Not NullYesDevnameVarchar（40）NullNo物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application56表 5 记录某批次老化测试中的具体逆变器信息。Verifyid字段记录单台逆变器的验证 ID 号。数据表主键为 Testid 和Verifyid，通过二者联合能够定位出具体的逆变器出现在哪次老化测试批次中。表 6 实验设备数据字段名称数据类型空 值主 键TestidVarchar（16）Not NullYesVerifyidVarchar（32）Not NullYesDtimeIntNot NullYesStatusIntNullNoData1FloatNullNoData40FloatNullNo表 6 记录老化测试过程中逆变器的测试数据。其中，Dtime 字段是逆变器数据上报时间，一般规定每 5 min 上送一次数据；但由于每台逆变器上送数据时刻不同，故在老化系统数据展示界面中，每分钟刷新一次，以降低数据的延迟；此字段同样采用 UTC 时间。Status 代表逆变器当前的工作状态：0-关机，1-开机，2-待上线，3-工作，4-故障，5-测试，在老化测试流程中，可能会出现除状态 3 外的其他值。Data1 Data40 是逆变器的各项数据，如 A、B、C 三相电压以及电流、频率、功率因数等。表 7 实验设备报警字段名称数据类型空 值主 键TestidVarchar（16）NullNoVerifyidVarchar（32）NullNoDevnameVarchar（40）NullNoDtimeIntNullNoLevelIntNullNoDescripVarchar（128）NullNo表 7 中存储历次老化测试出现的报警信息。Level 字段代表报警的等级，本系统设计 3 种：0-普通故障/状态，1-一般故障，2-严重故障。普通故障/状态只有待机、运行两种取值；一般故障下逆变器可以带故障运行，严重故障下逆变器必须停机。Descrip 字段描述报警的具体信息，其字符串由系统自动生成，格式为：“Devname”在 XX 时间出现“Desc”故障；时间由 Dtime 自动换算成北京时间，“Desc”通过查询表 8 中的对应字段得到。表 8 报警索引字段名称数据类型空 值主 键IdIntNot NullYesDescVarchar（64）NullNoLevelIntNullNoInfoVarchar（128）NullNo表 8 是不可更改的报警信息索引表，以供生成具体设备的记录信息。同时，Info 字段详细描述故障的细节。表 8 中的信息在老化系统部署阶段，通过 SQL 语句进行插入，如下所列举的几条 SQL 语句所示，总共 126 条，其中inverteralarm 是数据表的名称。INSERT INTO inverteralarm VALUES（0，待机状态，0，逆变器处于待机状态）；INSERT INTO inverteralarm VALUES（1，运行状态，0，逆变器处于运行状态）；INSERT INTO inverteralarm VALUES（2，故障状态，1，逆变器处于故障状态）；INSERT INTO inverteralarm VALUES（3，总故障位，1，检测到有故障置位）；INSERT INTO inverteralarm VALUES（4，无 电 网，2，电网电压小于 50 V）；4 界面设计与实现老化系统界面布局如图 7 所示。界面左侧列出实验批次；菜单栏设计新建实验、停止、退出 3 个按钮；右侧数据区分为 3 类选项。图 7 中展示的是参数部分，列有设备名称验证ID 和通信相关的数据。新建实验按钮显示灰色，因截图所示的最新批次实验已开启，按钮不可操作。图中显示为 2017 年 的虚拟测试数据。图 7 老化系统界面布局当产线工人点击新建实验的按钮后，弹出图 8 所示的新实验批次命名及设备数量确认界面。图 9 和图 10 展示了数据界面的情况。图 9 是数据的数值展示；在双击某个数值单元格后，能打开截止到上一数据刷新时刻的数值曲线界面，如图 10 所示。2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application57图 8 新建实验界面图 9 数值展示界面图 10 数值曲线界面报警界面如图 11 所示，对于严重故障，即表 7 和表 8中 Level 值是 2 的报警数据，记录标红；对于一般故障标黄，普通故障/状态不变色。图 11 报警界面在某批次实验完成后，操作员可以从左侧实验批次导出实验数据，交由负责人签字存档。如图 12 所示，实验批次的删除只是在界面展示段不显示，不会将测试数据从历史库中删除。图 12 数据导出界面5 结 语本文针对光伏事业部出现的逆变器产能不足问题，对于老化测试阶段设计出一套光伏老化测试系统。本系统能与原有光伏平台进行初步整合，并自动控制老化实验流程，降低人为失误概率，显著提高生产效率。经过一周的研发测试后，成功交付事业部应用，取得了良好效果。下一步，考虑将系统与行政职能部门的 OA/ERP/MES 进一步整合，以提高公司的信息化程度。参考文献1 贾婷婷.碳中和背景下风光互补发电系统控制策略 J.科技创新与应用，2022，12（28）：17-20.2 于东霞，张建华，王晓燕，等.并网型风光储互补发电系统容量优化配置 J.电力系统及其自动化学报，2019，31（10）：59-65.3 陈义.碳达峰、碳中和形势下打造绿色资产和节能减排路径探讨J.黑龙江科学，2022，13（18）：86-88.4 何得虎.建筑电气节能减排措施和光伏新能源的应用 J.科技资讯，2022，20（18）：50-52.5 王战，李永全，姜锋，等.俄乌冲突、全球政治经济转型及其对中国的影响 J.俄罗斯研究，2022，41（3）：20-54.6 张锐.欧盟能源“去俄化”的出路选择和成本估量 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