基于SoC FPGA的电力通信管理机的研究与实现

摘要

和传统的水力发电和火力发电不同，光伏发电采用分布式的光伏面板完成光能到电能的转换。在光伏电站中，光伏面板的电流经汇流箱连接到逆变器上，并最终送入箱变，该过程中我们需对电流、电压进行测试，从而导致整个电站中需要管理的设备和数据量非常大。传统的通信管理机采用嵌入式处理器完成数据的采集和处理，一个处理器既要完成众多通信接口的数据采集，又要进行运算处理和协议转换，因此处理器负担十分重，也正因为如此，传统的通信管理机往往都无法实现海量设备的实时管理。针对传统的通信管理机在设备众多的光伏电站中端口和性能不足的问题，本文介绍了一种基于SoC FPGA（System on a Chip Field Programmable Gate Array）的电力通信管理机系统的设计方法，该系统由硬件设计和软件设计两部分组成：硬件设计主要实现多 RS485 串口的扩展、MODBUS （Modicon’s BUS）协议数据的收发和校验；软件设计主要实现基于MODBUS主站协议和基于IEC104从站协议的数据管理和规约转换，完成电站中众多设备和电站中控电脑的高效可靠的数据交互。 首先，本文简要地介绍了基于SoC FPGA的电力通信管理机系统的研究背景、意义以及国内外发展现状，并根据大型光伏电站的实际特点，分析了传统通信管理机方案功能和性能上的不足，提出了适用于光伏电站的通信管理机的设计需求。 然后，本文通过对目前已有通信管理机的实现方案进行研究：PowerPC （Performance Optimization With Enhanced RISC–Performance Computing）处理器+串口扩展芯片架构、ARM（Advanced RISC Machines）处理器架构、ARM处理器+FPGA（Field Programmable Gate Array）架构，通过比对分析，最终选择了以SoC FPGA这种创新型异构计算架构作为实现方案，该方案无论在功能、性能还是可靠性上相较于传统的实现方案都有较大优势：采用新型的集成有ARM硬核处理器的SoC FPGA作为主控芯片，将传统通信管理机的运算和通信工作进行合理划分，并由FPGA和ARM处理器协同实现。通过采用软硬件相结合的设计方式，简化了电路设计，降低通信事务对CPU（Central Processing Unit）的中断数量和运算负担，增加支持MODBUS协议的RS485端口总量，提升通信管理机的设备容量。 最后，对方案的每个部分都进行了详细的硬件电路设计和软件方案设计，并根据方案内容设计了原型验证平台，进行了电路和代码的功能调试以及性能验证。

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