陳楠朱曦

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基于力控的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)

陳楠1朱曦2

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院 2.中國(guó)航天萬源國(guó)際（集團(tuán)）有限公司）

針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，利用力控組態(tài)軟件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境狀況與運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集和分析，可實(shí)時(shí)有效做出判斷和報(bào)警。該系統(tǒng)提高了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控可靠性。

風(fēng)光互補(bǔ)；監(jiān)控系統(tǒng)；力控

0 引言

太陽(yáng)能和風(fēng)能具有隨機(jī)性強(qiáng)和負(fù)載功率變化大等特點(diǎn)，容易造成蓄電池?fù)p壞和供電系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。光伏發(fā)電裝置和風(fēng)力發(fā)電裝置多分散安裝且環(huán)境惡劣，不便于工作人員檢測(cè)和維護(hù)，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)立風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控管理，提高供電可靠性，是目前需要解決的實(shí)際問題之一[1-2]。

本文以ForceControl6.1為平臺(tái)構(gòu)建監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集界面，設(shè)計(jì)開發(fā)了實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行環(huán)境狀況與運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集和分析，并對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行控制，從而減少人員工作量，提高系統(tǒng)可靠性和安全性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件主要由光伏發(fā)電裝置、風(fēng)力發(fā)電裝置、光伏裝置控制器、風(fēng)力裝置控制器、蓄電池組、蓄電池充放電控制器、逆變系統(tǒng)和傳感器等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)中，光伏發(fā)電裝置和風(fēng)力發(fā)電裝置通過蓄電池充放電控制器互補(bǔ)性的給蓄電池組進(jìn)行充電，蓄電池儲(chǔ)存的直流電通過逆變系統(tǒng)供給交流負(fù)載使用，也可為系統(tǒng)中各個(gè)傳感器及其他直流負(fù)載提供能源。光伏發(fā)電裝置和風(fēng)力發(fā)電裝置中均有RS485通訊接口，將采集到的風(fēng)機(jī)和光伏組件的電壓、電流信號(hào)傳送給上位機(jī)。蓄電池充放電控制器帶有RS485通訊接口，可將采集到的蓄電池充放電電流和充放電電壓傳送到上位機(jī)。室外的風(fēng)速傳感器和光線傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)傳送到上位機(jī)。上位機(jī)將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理后，顯示在PC機(jī)上。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

其中，根據(jù)輸入輸出點(diǎn)容量大小，光伏裝置控制器和風(fēng)力裝置控制器均采用S7-200CPU226為主控制器，用以控制光伏裝置的自動(dòng)逐日和風(fēng)力裝置的偏航動(dòng)作。此外，用帶有RS485通訊MODBUS-RTU協(xié)議的電壓電流智能儀表PD194E-2S4采集光伏裝置和風(fēng)力裝置的電壓電流信號(hào)。蓄電池充放電控制器采用TI公司的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812處理器。

1.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的物理量

1) 光伏發(fā)電裝置檢測(cè)量主要包括光伏組件輸出電壓及電流、光伏組件位置和光照強(qiáng)度等，其中采用行程開關(guān)OMRON V-155-1C25檢測(cè)光伏組件的極限位置，采用具有4路模擬量輸出的光線傳感器采集光照強(qiáng)度和方向；

2) 風(fēng)力發(fā)電裝置檢測(cè)量主要有風(fēng)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)輸出電壓及電流和被動(dòng)偏航系統(tǒng)工作狀態(tài)等，其中采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速儀采集風(fēng)速大小，采用行程開關(guān)和接近開關(guān)采集偏航尾舵的工作狀態(tài)；

3) 蓄電池充放電控制器檢測(cè)量主要有蓄電池放電電壓及電流、蓄電池充電電壓及電流；

4) 逆變系統(tǒng)及負(fù)載檢測(cè)量主要有逆變死區(qū)時(shí)間、逆變輸出電壓、負(fù)載用電電壓及電流等。

1.3 系統(tǒng)通訊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的通訊采用總線型結(jié)構(gòu)的RS485接口，該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，且成本較低。通訊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 通訊結(jié)構(gòu)圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 編程環(huán)境

本系統(tǒng)采用ForceControl6.1組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)編程，該軟件具有圖形化的軟件集成開發(fā)環(huán)境，內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析等功能，并有友好的人機(jī)交互界面。

2.2 通訊協(xié)議

本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485 MODBUS RTU 通訊協(xié)議，上位機(jī)作為主站，通訊波特率為19200 b/s，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如表1所示。

地址碼在幀開始部分，由8位2進(jìn)制碼組成，表明用戶指定終端設(shè)備的地址。功能碼是指被尋址到的終端執(zhí)行何種功能[3-4]。數(shù)據(jù)碼包含了終端執(zhí)行特定功能所需要的數(shù)據(jù)或者終端響應(yīng)查詢時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。校驗(yàn)碼（CRC）由傳輸設(shè)備計(jì)算附加到數(shù)據(jù)幀上，接受設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時(shí)重新計(jì)算再進(jìn)行比較[5]。以寫入蓄電池充放電控制器的寄存器內(nèi)容為例進(jìn)行說明，數(shù)據(jù)幀格式如表2、表3所示。

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

2.3 軟件功能

監(jiān)控系統(tǒng)將上位機(jī)顯示變量的地址與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備變量地址建立聯(lián)系，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，并控制裝置[6]。主要功能如圖3所示。

圖3 主要功能圖

數(shù)據(jù)曲線的繪制和數(shù)據(jù)歸檔，方便工作人員觀察和查詢某時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)，也便于技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和實(shí)驗(yàn)研究。腳本程序可以控制各個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)響應(yīng)功能，并能對(duì)監(jiān)測(cè)量設(shè)定預(yù)警范圍。報(bào)警閾值可由具有權(quán)限的工作人員根據(jù)實(shí)際情況在線修改[7]。

交互界面設(shè)計(jì)可使工作人員直觀地觀察設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，包括風(fēng)速、光照度等。通過充放電控制器并根據(jù)具體需要對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行切換。

2.4 功能實(shí)現(xiàn)

2.4.1 測(cè)量設(shè)備的通訊連接

以測(cè)量光伏方陣輸出的智能儀表為例說明設(shè)備通訊連接的方法。首先在I/O設(shè)備中選擇MODBUS下的MODBUS（RTU串行口），如圖4所示；再填寫設(shè)備名稱和地址，選擇串口，并設(shè)置串口數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖4 添加I/O設(shè)備

2.4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是將底層設(shè)備的數(shù)據(jù)與上位機(jī)進(jìn)行連接的重要步驟。首先在新建數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇區(qū)域及點(diǎn)的性質(zhì)，并填寫點(diǎn)名。其次，選擇與此數(shù)據(jù)連接的設(shè)備，如圖6、圖7所示。

圖5 設(shè)備名稱設(shè)置

圖6 選擇區(qū)域及點(diǎn)的性質(zhì)

3 實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

利用ForceControl6.1開發(fā)軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并通過模擬光源和模擬風(fēng)場(chǎng)對(duì)光伏裝置和風(fēng)力裝置進(jìn)行啟動(dòng)和制動(dòng)、以及蓄電池的過充保護(hù)和過放保護(hù)測(cè)試。設(shè)計(jì)的界面列舉如圖8、圖9、圖10、圖11所示。

經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況，監(jiān)測(cè)光伏組件和風(fēng)機(jī)輸出電壓、電流，監(jiān)測(cè)蓄電池充放電電壓、電流，實(shí)時(shí)超風(fēng)速保護(hù)，自動(dòng)逐日控制，生成數(shù)據(jù)曲線和報(bào)表，限制工作人員登錄和操作權(quán)限。

圖8 用戶管理界面

圖9 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面

圖10 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)曲線界面

圖11 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)表界面

4 結(jié)語(yǔ)

利用ForceControl6.1軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)具有可視化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、友好人機(jī)交互界面，方便工作人員操作維護(hù)和管理，可減少巡檢人員的工作量和工作難度，有效提高設(shè)備可靠性。

[1] 張雋,許洪華,邊莉.小型光伏獨(dú)立系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].可再生能源,2003(6):22-24.

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Wind-Solar Hybrid Power Supply Monitoring System Based on Force Control

Chen Nan1Zhu Xi2

(1.College of Automation Engineering, Beijing Polytechnic2. China ENERGINE International(Holdings) Co., Ltd.)

According to the characteristics of the wind-solar hybrid power supply system, this paper designs a real-time monitoring system based on the ForceControl 6.1. This system could realize the collection and analysis of key data and operating environment, and reduce the difficulty of design and improve the reliability of the wind-solar hybrid power supply monitoring system.

Wind-Solar Hybrid Power; Monitor System; Force Control

陳楠，女，1990年生，工學(xué)碩士，助理講師，主要研究方向：智能控制算法和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)。E-mail:18511699124@163.com

朱曦，男，1989年生，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向：風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。E-mail: zhuxi.ce@chinaenergine.com