基于力控的风光互补发电监控系统

陈楠朱曦



基于力控的风光互补发电监控系统

陈楠1朱曦2

（1.北京电子科技职业学院自动化工程学院 2.中国航天万源国际（集团）有限公司）

针对风光互补发电系统的应用特点，利用力控组态软件开发平台设计了实时监控系统，对设备运行环境状况与运行参数进行采集和分析，可实时有效做出判断和报警。该系统提高了风光互补发电系统的监控可靠性。

风光互补；监控系统；力控

0 引言

太阳能和风能具有随机性强和负载功率变化大等特点，容易造成蓄电池损坏和供电系统不稳定的现象。光伏发电装置和风力发电装置多分散安装且环境恶劣，不便于工作人员检测和维护，因此实现对独立风光互补发电系统的监控管理，提高供电可靠性，是目前需要解决的实际问题之一[1-2]。

本文以ForceControl6.1为平台构建监测和数据采集界面，设计开发了实时监控系统。该系统能够对设备运行环境状况与运行参数进行采集和分析，并对相关部件进行控制，从而减少人员工作量，提高系统可靠性和安全性。

1 监控系统的硬件设计

1.1 系统硬件结构

本系统硬件主要由光伏发电装置、风力发电装置、光伏装置控制器、风力装置控制器、蓄电池组、蓄电池充放电控制器、逆变系统和传感器等组成。系统硬件结构如图1所示。

该系统中，光伏发电装置和风力发电装置通过蓄电池充放电控制器互补性的给蓄电池组进行充电，蓄电池储存的直流电通过逆变系统供给交流负载使用，也可为系统中各个传感器及其他直流负载提供能源。光伏发电装置和风力发电装置中均有RS485通讯接口，将采集到的风机和光伏组件的电压、电流信号传送给上位机。蓄电池充放电控制器带有RS485通讯接口，可将采集到的蓄电池充放电电流和充放电电压传送到上位机。室外的风速传感器和光线传感器通过数据采集卡将信号传送到上位机。上位机将采集到的信号进行处理后，显示在PC机上。

图1 系统硬件结构图

其中，根据输入输出点容量大小，光伏装置控制器和风力装置控制器均采用S7-200CPU226为主控制器，用以控制光伏装置的自动逐日和风力装置的偏航动作。此外，用带有RS485通讯MODBUS-RTU协议的电压电流智能仪表PD194E-2S4采集光伏装置和风力装置的电压电流信号。蓄电池充放电控制器采用TI公司的32位定点DSP芯片TMS320F2812处理器。

1.2 系统监测的物理量

1) 光伏发电装置检测量主要包括光伏组件输出电压及电流、光伏组件位置和光照强度等，其中采用行程开关OMRON V-155-1C25检测光伏组件的极限位置，采用具有4路模拟量输出的光线传感器采集光照强度和方向；

2) 风力发电装置检测量主要有风速、风机转速、风机输出电压及电流和被动偏航系统工作状态等，其中采用机械旋转式风速仪采集风速大小，采用行程开关和接近开关采集偏航尾舵的工作状态；

3) 蓄电池充放电控制器检测量主要有蓄电池放电电压及电流、蓄电池充电电压及电流；

4) 逆变系统及负载检测量主要有逆变死区时间、逆变输出电压、负载用电电压及电流等。

1.3 系统通讯的设计

本系统的通讯采用总线型结构的RS485接口，该方式结构简单可靠，且成本较低。通讯结构图如图2所示。

图2 通讯结构图

2 监控系统软件设计

2.1 编程环境

本系统采用ForceControl6.1组态软件进行上位机编程，该软件具有图形化的软件集成开发环境，内置信号采集、测量分析等功能，并有友好的人机交互界面。

2.2 通讯协议

本系统采用标准的RS485 MODBUS RTU 通讯协议，上位机作为主站，通讯波特率为19200 b/s，1个起始位，8个数据位，1个停止位。数据帧的结构如表1所示。

地址码在帧开始部分，由8位2进制码组成，表明用户指定终端设备的地址。功能码是指被寻址到的终端执行何种功能[3-4]。数据码包含了终端执行特定功能所需要的数据或者终端响应查询时采集到的数据。校验码（CRC）由传输设备计算附加到数据帧上，接受设备在接收数据时重新计算再进行比较[5]。以写入蓄电池充放电控制器的寄存器内容为例进行说明，数据帧格式如表2、表3所示。

表1 数据帧结构

2.3 软件功能

监控系统将上位机显示变量的地址与现场设备变量地址建立联系，实时显示现场设备运行情况，并控制装置[6]。主要功能如图3所示。

图3 主要功能图

数据曲线的绘制和数据归档，方便工作人员观察和查询某时间段的历史数据，也便于技术人员对数据进行分类和实验研究。脚本程序可以控制各个控制器实现响应功能，并能对监测量设定预警范围。报警阈值可由具有权限的工作人员根据实际情况在线修改[7]。

交互界面设计可使工作人员直观地观察设备运行环境，包括风速、光照度等。通过充放电控制器并根据具体需要对系统工作状态进行切换。

2.4 功能实现

2.4.1 测量设备的通讯连接

以测量光伏方阵输出的智能仪表为例说明设备通讯连接的方法。首先在I/O设备中选择MODBUS下的MODBUS（RTU串行口），如图4所示；再填写设备名称和地址，选择串口，并设置串口数据，如图5所示。

图4 添加I/O设备

2.4.2 数据库的建立

数据库的建立是将底层设备的数据与上位机进行连接的重要步骤。首先在新建数据库中选择区域及点的性质，并填写点名。其次，选择与此数据连接的设备，如图6、图7所示。

图5 设备名称设置

图6 选择区域及点的性质

3 实验与调试

利用ForceControl6.1开发软件对整个系统的各个设备进行监控，并通过模拟光源和模拟风场对光伏装置和风力装置进行启动和制动、以及蓄电池的过充保护和过放保护测试。设计的界面列举如图8、图9、图10、图11所示。

经调试，系统可实现实时监测环境状况，监测光伏组件和风机输出电压、电流，监测蓄电池充放电电压、电流，实时超风速保护，自动逐日控制，生成数据曲线和报表，限制工作人员登录和操作权限。

图8 用户管理界面

图9 风光互补发电监控系统数据监测界面

图10 风光互补发电监控系统曲线界面

图11 风光互补发电监控系统报表界面

4 结语

利用ForceControl6.1软件设计开发的风光互补发电监控系统具有可视化数据监测、友好人机交互界面，方便工作人员操作维护和管理，可减少巡检人员的工作量和工作难度，有效提高设备可靠性。

[1] 张隽,许洪华,边莉.小型光伏独立系统的实时数据采集监测系统[J].可再生能源,2003(6):22-24.

[2] Zhao Xiangyang, Liu Shiyang. Design of a monitoring system of micro-grid[J]. Smart Grid and Renewable Energy, 2013,4(2): 198-201.

[3] 张怡,张丛,黄健.基于面向对象的机房电力监控系统的设计与实现[J].航空计算技术,2009,39(6):81-84.

[4] 关巍.基于TCP/IP的配电柜监控装置[J].中国传媒科技,2012 (2):177-178.

[5] 马明建.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社,2005.

[6] 王存堂,张新星.基于WinCC风光互补发电监控系统的设计[J].信息技术,2014(9):89-92.

[7] 王宇,娄承芝.风光互补电源控制系统的开发与应用[J].电源技术.2007,31(8):644-647.

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

陈楠，女，1990年生，工学硕士，助理讲师，主要研究方向：智能控制算法和电能质量监测。E-mail:18511699124@163.com

朱曦，男，1989年生，工学硕士，工程师，主要研究方向：风力发电控制系统的设计。E-mail: zhuxi.ce@chinaenergine.com