基于KingView的风-氢-燃料电池微网监控系统设计

张建良， 齐冬莲， 吴 越， 韩 涛， 陆玲霞

(浙江大学 电气工程学院，杭州 310027)

·仪器设备研究与开发·

基于KingView的风-氢-燃料电池微网监控系统设计

张建良， 齐冬莲， 吴 越， 韩 涛， 陆玲霞

(浙江大学 电气工程学院，杭州 310027)

为了实现对风力发电、电解制氢、压缩储氢及燃料电池系统所组成微网的协调运行控制，设计了一种基于KingView的微网监控系统，介绍了该系统的软硬件构成，并叙述了开发技术路线及具体开发流程。通过该微网监控系统的开发和应用，不但实现了微网系统在风电制储氢运行模式、燃料电池发电运行模式以及微网全系统运行3种模式的稳定运行及平滑切换，保证了微网系统的安全稳定运行，而且有助于电气工程类专业学生在分布式能源发电和微网前沿技术领域开展探索性实验，同时为教学科研人员在微电网和智能电网领域开展教学改革和科学研究提供了有力的实验支撑条件。

风电制氢系统； 燃料电池发电系统； 监控系统； KingView

0 引 言

近年来，由于能源危机的加重和环境保护的需要，以风能为代表的清洁能源高效综合利用技术得到快速发展。由于风能的波动性以及储能技术的限制，大规模风电并网消纳目前仍存在相当的难度。将风电与氢能耦合组成微网协调运行，既可以实现风能的高效消纳利用，提升风电并网品质，又可以实现零污染氢能的批量化制备和工业应用，具有重要意义[1-6]。

通过基于组态王软件KingView开发风-氢-燃料电池微网监控系统，利用上位机实现对风机发电系统、电解制氢系统、压缩储氢系统、燃料电池系统等子系统的协调控制和优化运行，保证微网系统在风电制储氢系统运行模式、燃料电池发电系统运行模式以及微网全系统运行3种运行模式的平滑切换，确保了微网系统的稳定和安全运行。

风-氢-燃料电池微网监控系统的开发和利用[2-11]，不但可以为浙江大学电气工程类专业学生提供在分布式能源发电和微网前沿技术领域开展探索性实验的平台，同时为电气工程学院科研人员在开展清洁能源发电技术和微电网科研实验方面，以及申请和完成智能电网领域科研项目方面，提供了有力的技术支撑和理论储备[7-15]。

1 风-氢-燃料电池微网系统

风-氢-燃料电池微网系统由风力发电系统、电解制氢系统、压缩储氢系统、燃料电池系统、可变负荷系统以及相关的控制单元组成。整个微网系统的组成结构如图1所示。通过上位机搭载组态软件的方式，实现图1中央控制器对于微网系统的协调控制。具体地，通过中央控制器与风电场调度系统的信息传递，控制所有风机出力大小及是否停机，并确认风能大小及是否可以开始开启风电制氢运行模式，以制备和存储氢气；根据风电并网的容量和质量，以及本地负荷的实际需求和储氢系统的运行状况等，协调投切开关的开闭状态，以控制微网系统运行在燃料电池发电系统运行模式或微网全系统运行模式。

图1 风-氢-燃料电池微网系统组成结构

2 系统软硬件构成

为了实现微网系统的协调控制和安全运行，利用上位机为主的硬件系统搭载组态软件来设计中央监控系统是较为常用也较为有效的实现方案。目前,工业工控机设备发展成熟，技术参数指标均较高，工业级的PLC性能稳定，功能丰富，因此硬件选取基本不受限制，整个监控系统的硬件组成如图2所示。在软件方面，目前比较流行的组态软件主要有美国FIX32、 iFIX、德国Wincc，中国KingView(组态王)、力控、FameView、MCGS等。其中亚控公司开发的KingView组态软件以其强大的功能和便捷的开发方式，成为很多工业控制系统工程师的首选。这里选择KingView 6.53版本来开发微网监控系统，该监控系统集成了微网的协调控制策略，实现了微网中央控制器的角色。

(1) 工控机、PLC选型及参数。综合考虑经济性和可靠性，选用研华公司型号为AOL-IPC-610的原装4U标准48.26 cm(19 in)上架式工控机。该机配备300 W ATX电源，CPU型号为E-5300，主频为2.6 GHz，2 GB，500 GB硬盘。同时具备丰富的工业接口，包括工业以太网卡及接口、2个通用串口、1个并口、2个PCI槽、1个PCIE槽、4个USB口。工控机的监视设备采用三星48.26 cm(19 in)液晶显示器。

协调控制系统PLC单元选用西门子S7-300系列，采用CP5611通信板卡，相应通讯协议为西门子MPI协议通信，现场通信距离最大约为50 m，以预埋通信线的方式，采用西门子DP头连接工控机和PLC单元。

(2) 组态软件开发选型。通过对监控系统要求及实现功能的分析，因为具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济方便、开发周期短等优点，采用组态王KingView对系统监控功能进行设计,从而不但实现对现场的实时监测与控制，而且可以在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。组态软件为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控，而且它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利地生成各种报表。此外，它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。组态王KingView 6.53开发版及运行版，具有真正良好的设备无关性、开放的实时数据库结构和友好的用户界面，可以大大提高开发效率和监控可靠性，能够高效、稳定、经济的实现微网实验系统的监控需求。

(3) 系统通信协议选型。由于MPI通信是一种简单经济实用的通信方式，适用于通信速率要求不高，通信数据量不是特别大的情况，尤其适合工控机与协调控制系统PLC之间的通信和控制，故采用西门子MPI通信协议(配备西门子CP5611数据采集卡、西门子专用MPI数据线及接头)；工控机与风场侧调度系统之间的通信控制则采用Modbus TCP/IP协议，如图2所示。

图2 风-氢-燃料电池微网监控系统硬件组成

3 微网监控系统开发流程

根据实际系统的运行工况，首先确定风-氢-燃料电池微网系统的3种运行模式及相应的系统协调控制算法流程，然后利用KingView组态软件搭建上位机监控系统，并将该软件系统装配于工控机上，借助实时、高速的现场总线通信能力，实现微网系统多模式可靠控制。

3.1 微网系统的3种运行模式及控制

根据系统规模和运行工况要求，建立微网实验系统的3种运行模式，如图3所示。

图3 微网系统运行模式图

(1) 模式1(风电制储氢模式)。系统主要工作模式。该模式的目的是当电网无法消纳过多风电时，将剩余风电转换为氢气存储；该模式必须保证风电质量既能满足并网要求，也能满足电解池运行要求；该模式以电解池的运行为依据，输入的功率不能超过其额定功率。

(2) 模式2(燃料电池发电系统运行模式)。氢能发电利用模式。当负荷需要供电或风电场输出电能质量无法满足调度要求时，启动燃料电池发电系统，将储氢系统的氢能转化为电能，供给微网内负荷或馈送电网。

(3) 模式3(全系统运行模式)。风电系统同时向电解池和电网供电，同时燃料电池向电网输出高质量电能。当风电质量较差或调度要求弃风时，启动制氢和储氢系统，该模式的目的是将质量较差的风电转换为氢气存储，然后利用燃料电池将存储的氢气转化为高品质电能馈送至电网。

3.2 监控系统开发的技术路线与开发步骤

利用KingView组态王软件开发一个完整的监控系统，步骤如图4所示。根据开发时序，接下来详细介绍风-氢-燃料电池微网监控系统的开发流程。

图4 微网监控系统软件开发流程图

(1) 建立工程、设置外部设备。每一个实际工程的监控系统对应于组态王中的一个“工程”，建立工程是开发过程简单的第一步。组态王的工程管理器可对工程进行新建、搜索、删除、备份、恢复、属性设置、导入导出数据词典等操作，可与工程浏览器相互切换。工程浏览器的作用是管理开发系统，将图形画面、命令语言、设备驱动管理、数据库访问等配置集中管理，并以树形结构显示，类似于Windows资源管理器的功能。

在“设备”中可定义外部设备，包括各类PLC、仪表、智能模块、板卡、变频器等。组态王内部集成了大量的设备驱动，作为与外部设备通信的接口。驱动程序采用ActiveX技术，每一个驱动都是一个COM对象，这种方式使得驱动和组态王成为一个完整的系统，保证了运行系统的高效运行，同时也节省了驱动的开发成本。本文工程需要定义两个设备：协调控制系统PLC(西门子S7-300系列，CP5611数据卡通信方式)和风场调度系统(COM1口连接，Modbus协议)。

(2) 建立数据词典。工程中任何一个变量都需在软件中得到申明，所有这些变量的集合就是“数据词典”。这是实际通信、开发画面和实现控制逻辑的必要前提步骤。以本工程中变量“电解槽温度”为例，设置变量属性：变量类型—I/O实数；最大值—1 000；最小值—-20；连接设备—制氢PLC；寄存器—DB1.12；数据类型—float；属性—只读(周期50 ms)；高报警限—85；极高报警限—90；定时记录—每5 min。将工程所需变量依次建立并设置完成即是工程数据词典，本工程变量数量约为200个。

(3) 工程画面与动画连接。绘制工程画面和设置动画连接，对于开发过程来说尤为重要，决定了系统监控的直观性和美观性。画面的绘制工具类似Windows绘图软件，并自带了一部分各行业经典元件模型。所谓动画连接就是在确定画面中某个图素跟随数据库中特定变量变化，体现视觉直观性或报警、故障等提示性需求。例如“储氢压力”变量的变化被组态王数据库接收后，就需要在画面对应的压力计上有指针转动的变化来直观体现。动画连接类型多样，形式各异。

画面和动画用以实现对微网系统的实时监控，同时嵌入控制逻辑的部分内容。画面包括系统主监控画面和一系列辅助画面以及报警查询、历史趋势曲线画面等。每个画面均需要设置必要动画连接，部分画面还需要用到一部分组态王自带控件。监控系统主画面如图5所示。

图5 监控系统主画面

该画面集中模拟了风-氢-燃料电池微网监控系统的构成单元和结构。每个模块设置丰富的动画连接，对应展示各部分不同运行状况，以增强视觉表现力，同时利用动画连接实现一部分控制逻辑的功能；设置各子系统重要参数的实时显示和设置功能；指示区用于对各单元运行、报警、故障状态的实时监控，并设置有实时、历史的记录查询功能；操作区设置了各单元模块的快关量手动操作按钮、系统紧急停车按钮，并设有手动模式选择开关。

(4) 编写命令语言。借助组态王动画连接功能可以实现一部分简单的监控逻辑，对于较为复杂的控制逻辑的实现，主要借助于组态王命令语言实现。对于本微网监控系统来说，以实现子系统间协调控制为主要目标，因此控制逻辑较为繁琐、复杂，协调控制需要更多的借助命令语言实现。同时实际编写过程中需要注意各个子系统及子系统间较为繁琐的控制细节和逻辑细节要求，因此命令语言编写也是工作量较大的一个步骤。

(5) 制作报表和曲线。数据报表是反映生产过程中的数据、状态等记录的一种重要手段。趋势曲线用来反映数据变量随时间变化的情况，分为实时数据曲线和历史趋势曲线。以本工程中“氢中氧”变量(纯化后氢气中的含氧量)为Y轴，建立控件型历史趋势曲线见图6。曲线设置X轴时间跨度为24 h，Y轴按百分比显示(100%对应于5×10-6，方便与“氧中氢”作对比)。结果可见,氢中氧含量始终保持在20%(即1×10-6)以下，符合系统运行制氢纯度指标要求。

图6 氢中氧含量24 h历史趋势曲线

(6) 制作报警窗口。报警事件处理是监控软件不可缺少的功能，组态王中的报警事件包括：变量报警事件、操作事件、用户登录事件及工作站事件。发生报警时，报警窗口会按设置的过滤条件实时显示。监控系统现场运行时，可对报警窗口进行相关操作，包括报警确认和删除、报警事件优先级调整、更改报警类型和事件类型、更改报警组和站点名称等。

(7) 系统安全管理。为了保证系统的安全运行，组态王软件提供了“安全区域”和“操作权限值”两个措施。“安全区域”限制了操作员能看到的内容;“操作权限值”限制了操作员的相关操作权限。“安全区域”可以命名成有现实意义的名称，如“制氢系统”。“操作权限值”可以考虑以操作员身份命名，如“管理员”。考虑到项目现场操作人员的固定性较强，监控系统暂时简单设置了“游客”和“管理员”两个身份权限，管理员具有最高权限。

4 微网监控系统的教学和科研应用

构建风-氢-燃料电池微网监控系统，不但可以为电气专业学生学习微网技术基础知识提供实验条件，而且为电气学院科研人员进行多种清洁能源耦合条件下的系统控制技术和试验研究，以及相关科研项目的申请和实施方面提供了经验指导。

4.1 新能源实验

考虑到电气学院专业设置背景和社会需求，该微网监控平台可以为电气大类本科生在培养过程中，提供了学习分布式发电和微网技术相关实验课程的条件。根据不同的专业、年级、知识水平和兴趣，开展不同层次的新能源控制技术相关的实验项目：可以开展以风力发电系统展示实验、燃料电池发电系统结构展示实验等为代表的基础性实验设计；也可以进一步地针对具有较强学习能力高年级本科生，结合其他电气类课程知识开展相应的综合性实验，如风力发电系统运行控制系统实验、燃料电池系统运行控制实验等；而且可以探索开展短学期兴趣实验小组的形式，实行教师指导下的探究性实验研究，比如风-氢耦合系统运行控制实验、风-氢-燃料电池系统协调控制实验、以及微网系统优化运行实验等[12-16]。

4.2 微电网科研

微网监控平台的建设，直接促进了浙江大学电气工程学院在微网和新能源领域科研项目的申请和工程实施。该实验平台的建设经验和技术积累，为学院相关科研团队申请和实施国家“863”项目“风电耦合制储氢燃料电池发电柔性微网系统开发及示范(2014AA052501)”以及“以可再生能源为主的冷热电联供微网系统关键技术研究”(2015AA0501374)等国家级项目，提供了有力的实验基础保证。同时，在新能源和微网相关研究领域，以该实验平台为基础，学院科研团队近年来成功申请了包括国家973、863计划、国家自然科学基金、浙江省科技计划重大项目等省部级以上项目52项，获得国家级科技奖励3项、省级科技奖励11项，发表一系列高水平的科技论文，提高了学院在新能源和微网领域的科研影响和学术声誉。

5 结 语

基于KingView的风电制氢-燃料电池微网监控系统的开发，实现了对风机发电系统、电解制氢系统、压缩储氢系统及燃料电池系统所组成微网的协调控制，保证了微网系统的稳定和安全运行。同时，该实验平台的开发和应用，为电气专业学生和教师开展科研开发活动以及实验教学改革提供了良好的实验技术支撑条件。

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Design of Monitoring System for Microgrid of Wind-Hydrogen-Fuel Cell Based on KingView Software

ZHANGJianliang,QIDong-lian,WUYue,HANTao,LULingxia

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

A KingView based wind-hydrogen-fuel cell microgrid monitoring system is designed to implement the coordinated control of the wind turbine generation system, electrolytic hydrogen production system, compressed hydrogen storage system and fuel cell generation system. The hardware and software components of the system are introduced, and the technical route and the development process are described in detail. The development and application of microgrid monitoring system will not only implement three different operating modes including the wind power hydrogen production and storage operation mode, the fuel cell power generation operating mode as well as microgrid system-wide operation mode, ensuring a safe and stable operation of the microgrid system, but also help to provide a platform for the students of electrical engineering to carry out exploratory experiments in the cutting-edge technology in distributed generations and microgrid, and provide a strong experimental support conditions for teaching and research staffs to promote teaching reform and scientific research in the field of smart grid and microgrid.

wind power hydrogen production system; fuel cell power system; monitoring system; KingView

2016-10-08

国家高技术研究发展计划(863)项目(2015AA0501374)；浙江省自然科学基金项目(LY15E070001)；浙江省教育厅科研项目(Y201533326)；浙江大学实验技术研究重点项目(SZD201501)；浙江大学本科实验教学自制仪器设备项目(2016046)

张建良(1984-)，男，河南新野人，博士，讲师，研究方向为信号分析与处理，复杂工业系统的分析与控制。

Tel.：0571-87952707;E-mail：jlzhang@zju.edu.cn

TM 727

A

1006-7167(2017)06-0032-05