微网的通讯实现研究

前言

在研究生期间我设计的实验平台中，一个是洗衣机的控制平台，另一个是微网的基于Starsim的半实物平台。我在微网的控制算法上研究不多，课余时间就是在研究它的通讯。
微电网的基本运行依靠各分布式电源控制器执行,但是仅依靠微源逆变器控制只能满足其局部的要求,在一些情况下需要中央管理单元从全局角度重新协调各微源逆变器工作状况,调整微电网达到新的稳态运行点。此时,中央管理单元协调控制微电源可以通过通讯技术来实现[1]。

通讯载体

目前的微网通讯，有线通信为微电网通信架构中的主体[2]，大多数传感器和执行器采用该方式，主要有以太网、CAN通讯和485通讯。以太网的优势在于覆盖广阔[3]，而Can和485的成本低，485还可以兼容大量旧有设备。通讯在硬件层面上的实现包含了CAN、串口通讯、以太网、SPI、IIC、MCBSP、单总线等多种。
而在数据采集领域，对于数据量少、传输速率要求不高，且不易采用有线方式在目标环境部署的系统来说，采用无线传感器网络( Wireless Sensor Network，WSN) 的方案是非常适合的，存在有NRF24L01、WIFI等。
各种通讯协议都需要基于硬件接口来实现。因此，两者的关系为物理层利用485、IIC等硬件接口为协议层提供物理连接，实现比特流的透明传输；协议层屏蔽下层数据通信的细节，即向用户透明地传送报文。
目前单片机和dsp对SCI（或者叫UART）、CAN等通讯接口做了硬件支持，而IIC、SPI通讯、单总线通讯往往可以通过软件时序进行模拟，以保证通讯程序的可移植性。需要注意的是IIC专利问题曾对某些单片机的硬件IIC使用造成影响，比如stm32的f1系列，使用时应当注意勘误手册。

串口通信

目前的串口通信是使用较为广泛的通讯方式之一。根据电路上电平转换芯片的不同，串口通讯可以分为RS232、485和422三种，三者基于DSP的SCI模块或者是单片机的UART模块实现的，程序上差别不大，三者的差别主要体现在电平转换上。
平时调试的时候常用的是串口通讯，且是USB转串口，需要杜邦线连接RX,TX,GND三根线。这类通讯时，和电脑进行电平转换的通讯模块有ch340、pl2303等，性质上属于全双工通讯，必须在电脑上装上相应芯片的驱动，其适用于控制平台的调试通讯，比起485通讯有着价格低廉、设计电路简单的优势，我平台就用的是ch340。如果设计的平台是交流供电，一般加个光耦隔离就行了。

RS232

232 通信主要是由RX,TX,GND三根线组成，在使用时RX与TX，TX接RX，GND接GND。因为发送和接收都有相应通道，可同时发送数据和接收数据，可实现全双工。
串口通信还有一个功能叫做全功能串口通信，也叫标准串口。因为在两个设备间进行数据传输，不同设备处理速度不同。为了保证数据能正常传输，在RX,TX的基础上，还增加了几个控制引脚，总共有9个引脚，接口为DB9。

RS485

485是为了解决232通信距离的问题。485主要是以一种差分信号进行传输，只需要两根线A+,B-两根线，或者也叫A，B两根线。AB线的差分电平信号就是作为数据信号传输。485通讯中没有RX和TX的概念了，发送和接收都是靠这两根的来传输，无法同时收发数据作，因此485为半双工通讯。

RS422

RS422，又称485-4；RS485又称485-2。485-2通讯需要2根线，485-4需要4根线。

RS422将RS232的RX分成RX+，RX-差分信号，把TX分成TX+,TX-差分信号，实现同时发送和同时接收，并且和485一样有较远的传输距离。

不定步长接收数据的方法

ARM系列

在使用stm32或者其他单片机的时候进行串口通讯时，会遇到需要接收不定长的数据。解决办法有
1.使用串口中断，在中断中读取数据。但读取方式需要CPU干预，由于中断会打断程序正常运行，经常把主程序打断，会影响主程序，或者由于有更高优先级的中断在，会打断串口中断的数据接收。
2.利用 IDLE 中断，或者称为接收超时中断，可以利用之作为所谓的“结束判断”。通信协议需要每一帧数据拥有足够的间隔时间，保证芯片可以识别到一帧数据结束。

DSP FIFO接收

由于DSP没有IDLE中断的存在，而且没有办法作为DMA的通道之一，因此，只能依靠硬件FIFO实现，而FIFO的深度最大为16字节，限制了这一使用。可以考虑一个字节就触发FIFO，这样适用于少量不定字长的数据。

微网通讯的问题

数据通讯的延迟

这是关键问题。分布式一致性控制是实现微电网中分布式电源并联协同运行的重要方式。在实际工程中,分布式一致性控制存在通信延迟,严重影响、制约分布式电源的性能[6]。微电网的延时主要可分为 2 类：第 1 类是不同节点之间的通信线路的通信延时，主要受通信方式、距离以及通信线路结构的影响；第 2 类是微电网分布式控制器的控制延时，主要受控制器采样频率、运算延时等因素的影响。。大部分文献仅对已有控制策略下微电网稳定性受延时的影响进行了分析，并未给出抑制延时影响的有效控制策略[7]。
延迟产生的根本原因是通讯的信道资源有限。任何软件操作的根本延迟受制于硬件循环所需要的时间由于只有一个信道，因此高优先级的消息要优先发送，低优先级的消息必须等待；如果有消息正在使用总线进行消息传输，其它任何优先级的消息都必须要等待。由于光/电的传输速度非常快，他们在物理介质中的传播时间几乎可以忽略不计，但是节点或者路由中继的处理时间是不可忽略的。
这一延迟本身无法避免，在微电网一致性控制系统中，一旦通信网络和控制器被确定，这 2 类延时即可认为基本是常数[8]。因此，算法上可针对这一特点进行补偿，或者通过一定的控制延迟来弥补。如果需要外部数据，实现一套硬件Cache，而且编码上百分之百的针对硬件的行为进行优化。

数据汇总的延迟

在系统中，大数据被划分成多个数据存储在数据中心的数据结点上等待虚拟机处理，此时不仅存在处理数据时的通讯延迟，也存在汇总计算结果时虚拟机之间的通讯延迟[9]。
采用分配策略的不同将导致最大通讯延迟的不同。已经证明对数据结点分配机子，并考虑虚拟机之间的通讯延迟，使得最大通讯延迟最小的问题是NP-hard问题。提出了一种新的虚拟机分配算法。该算法首先判断在通讯延迟的某一阈值内是否存在规模多于数据结点的能够互相通讯的虚拟机机群。

微电网通信流量预测控制

由于微网传输的分布式控制中，节点多且数据量大，容易产生堵塞问题，因此，需要考虑微电网通讯的流量，合理设计通讯系统的带宽[10]。
结合现有的分布式电源标准和变电站自动化标准研究适合微电网通信的报文结构, 同时考虑微电网网络数据的周期性、随机性和突发性。计算出理论上的带宽要求,归纳出微电网中不同报文对带宽、时延的要求,计算出理论上的带宽要求。

通讯数据的可靠性

通讯协议有modbus协议、TCP/IP协议等。实现数据校验，分为硬件上的校验和软件协议的校验两种。其中，软件协议的校验必不可少。目前这一块的研究已经有大量文献和技术报告，并且不少单片机和dsp内部集成了校验模块，这一问题相对容易解决。

微网通讯的仿真

Matlab为常用的仿真工具，其具有的通讯工具箱可用于在通信领域进行理论研究、系统开发、分析设计和仿真。而对于电力电子系统中，在前面通讯延迟的问题分析中已经得出结论，通讯延迟在拓扑确定的情况下基本为常数。因此，在原有的微网仿真模型中，只需加入一定的延迟环节，即可实现微网的算法级仿真，并且针对性验证各种补偿算法。
为了考虑通讯问题的复杂性，在matlab的系统级仿真后，需要考虑的进行半实物级别的仿真，即采用实际工程所用的控制芯片（如dsp、stm32等）和真实的中央处理器（如PC），基于这些平台开发相应的软件算法程序，通过在线仿真来更准确的复现工程应用中的问题。

分布式控制设备

PLC：可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，一种具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。

DCS：集散控制系统是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。集散控制系统简称DCS，也可直译为“分散控制系统”或“分布式计算机控制系统”它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。目前DCS在电力、冶金、石化等各行各业都获得了极其广泛的应用。

参考文献

[1] 张进. 微电网调度的通讯控制技术研究[J]. 中国高新技术企业, 2010, (17): 111-112.
[2] 贺兴, 艾芊, 解大. 基于有线/无线混合模式的微电网通信网络的研究与开发[J]. 低压电器, 2011, (19): 20-25.
[3] 曹慧子. 事件触发与TCP/IP在微电网通信系统中的研究[D]. 哈尔滨理工大学, 2014.
[4] 时远海, 刘波, 姚贤炯. 微电网通信体系架构及通信技术体制分析[J]. 电力信息与通信技术, 2018, 16(4): 9-14.
[5] 陈永安. 基于IEC61850的微电网通信网络及性能研究[D]. 大连理工大学, 2018.
[6] 刘炜, 郑天文, 孙起鹿, et al. 考虑通信延迟的独立微电网并联VSG控制[J]. 可再生能源, 2018, 36(8): 1174-1180.
[7] 邓思成 陈, 郑天文, 杨立滨, 梅生伟. 考虑系统延时的微电网有功功率分布式控制策略[J]. 电网技术, 2019, 43(5): 1536-1542.
[8] Zhou Y, Ghosh S, Ali M H, et al. Minimization of negative effects of time delay in smart grid system[C]. 2013 Proceedings of IEEE Southeastcon, 2013: 1-6.
[9] 高任飞, 武继刚, 周莹, et al. 极小通讯延迟的虚拟机分配算法[J]. 计算机科学与探索, 2016, 10(7): 924-935.
[10] 胡超. 微电网通信流量预测及研究[D]. 华北电力大学(北京), 2016.