基于Netcontrol组态软件的光伏发电监控系统设计与实现

2018-09-20金蔚霄

电气自动化 2018年3期

金蔚霄

(上海电气自动化设计研究所有限公司软件中心，上海 200023)

基金项目:本项研究工作得到了上海市科学技术委员会的资助，资助课题项目(17DZ2283400)

0 引言

太阳能作为一种清洁能源，其光伏发电规模可大可小，既可以独立发电，也可并网发电，因此在未来具有较好的发展前景[1]。随着光伏发电在全球范围的普及，如何对发电系统进行有效的监控也越来越受到广泛关注。光伏发电监控系统一方面可以实时统计查看基本发电参数，为业主方效益计算提供有效的依据；另一方面可以实时监控发电系统实时运行情况，做到及时发现故障，从而快速处理故障，尽量减少系统故障带来的损失。传统光伏发电监控系统上位机监控软件大多应用.NET、VB等技术进行设计开发[2]，对于开发人员编程能力要求比较高，且设计实施较复杂，开发周期一般较长。Netcontrol组态软件是基于.NET Framework的自动化过程监视、控制和管理的平台软件，结合了计算机、网络、通信、控制和软件技术[3]，以该软件为基础进行监控系统的二次开发，可减少涉及到基础技术的开发任务，使得监控系统软件开发能够快速高效的完成。本文提出了应用Netcontrol组态软件进行上位机监控软件开发的方法，以在某1.25 MWp分布式光伏发电项目实际应用为例，在介绍光伏发电系统架构的基础上，重点对上位机监控系统软件的功能及设计实现进行介绍。

1 太阳能光伏发电及监控系统

太阳能光伏发电及监控系统一般由以下几部分组成[4]：

(1)太阳能电池板阵列：通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，并通过太阳能板串并联的方式增大单路输出的电压电流。

(2)逆变器：将太阳能电池板阵列输出的直流电转化为符合并网要求或实际使用的交流电，用于并网输出或就地使用。

(3)储能装置：一般用蓄电池作为储能装置，一方面可在无阳光时持续供电，另一方面可对太阳能输出交流电的质量进行一定的调节。

(4)监控系统：监控系统主要用于检测和控制整个光伏发电系统，保证系统正常运行。根据实际数据采集传输设计方案的不同，所配置的装置设备也不尽相同，本文结合实际设计，配置了数据采集器、数字通信管理机和监控计算机。

整体光伏发电及监控系统结构如图1所示。

2 太阳能光伏发电监控系统设计与实现

如图1所示，光伏发电监控系统由数据采集器、数字管理机和监控计算机三部分组成。

(1)数据采集器：负责采集逆变器及环境监测仪中的实时数据，并下发对逆变器的控制指令，包括实时发电量、累计发电量、逆变器状态、实时电流、电压、环境参数等数据以及逆变器开关机指令。

(2)数字管理机：集成连接下位设备所需的多种驱动及接口，用于接收数据采集器上发的数据、各配电柜中断路器状态数据、储能系统上发的储能系统相关数据以及下发对逆变器、断路器、储能系统相关设备等的控制指令。

(3)监控计算机：其上位机监控软件负责对采集到的模拟量数据进行显示存储、对报警信息进行报警输出、对控制指令进行下发等工作。

基于Netcontrol的上位机监控软件的功能如图1所示，包括用户管理、通信IO管理、光伏发电监控界面、设备远程操控、数据曲线显示和数据库管理六大功能模块。

图1 太阳能光伏发电及监控系统结构图

2.1 用户管理

用户管理模块主要功能是管理用户操作权限，Netcontrol中“用户”与“安全区”配合使用，安全区是Netcontrol工程中有关操作控制安全的一种逻辑划分单位。同一个安全区的安全控制要求是相同的，不同的安全区有不同的安全要求。用户分“一般用户”和“系统管理员”。“一般用户”具有对指定安全区的操作权限，“系统管理员”除了具有对指定安全区的操作权限外，还可以管理一般用户，在工程运行期间增加、删除和修改用户。

本监控系统中设定两级操控权限：一般用户通过设定，权限只限于查看画面、数据等操作；高级用户在一般用户功能权限的基础上增加对下位设备的操控权限，包括断路器开合闸、逆变器开关机和储能系统充放电切换开关操作等功能。通过设定两个权限不同的安全区，再给对应用户指定安全区即可实现权限的划分。设计流程如下：①建立两级安全区；②为监控界面操控按钮分别指定安全区；③建立用户并分别指定对应级别的安全区。

2.2 通信IO管理

工程中的IO管理又称设备管理，是Netcontrol工程与下位设备进行连接设置模块，通过不同方式进行通信从而实现数据读写的功能。

该光伏发电监控系统中，与上位计算机直接通信的设备为数字管理机，上位计算机和数字管理机与以太网连接，上位机监控软件与下位数字管理机以IEC104规约进行通信，数字管理机以Modbus、IEC103/104等规约与下位设备进行通信。数据通信链路如图2所示。

图2 IO数据通信链路

在Netcontrol中通过对通道参数与设备参数进行设置，并建立好数据点表后即可进行数据传输通信。通道参数与设备参数设置界面如图3所示。

图3 通信参数设置

2.3 光伏发电监控人机界面

人机界面是工程运行人员了解和控制监控系统的主要途经。界面的开发就是绘制图形画面，来模拟工业现场。画面的基本构成元素称为“图形”或“图形对象”。

光伏发电监控界面是用于查看光伏发电系统运行状态最直观的方式，监控界面包括系统原理结构图、实时发电参数、实时状态指示模块(指示灯)、画面切换按钮和设备操控按钮等。从系统原理结构图上可直观地看出整个光伏发电系统的原理架构。实时发电参数显示光伏发电系统实时发电情况,状态指示模块指示当前各设备运行状态，一般包括开状态、关状态、正常状态和故障状态四种模式。画面切换按钮用于在各监控画面之间进行切换查看。设备操控按钮用于对设备进行远程操控，如逆变器开关机、断路器分合闸等。监控画面设计开发流程如下：①新建画面并调整尺寸、背景；②画面布局划分；③添加图形对象；④配置图形对象属性。根据开发流程所设计监控画面如图4所示。

图4 光伏发电监控界面

2.4 设备远程操控

本光伏发电系统中主要可以远程操控的设备有逆变器、断路器和储能系统充放电开关，针对逆变器与断路器开关操作，采用直接在监控界面点击对应按钮进行远程手动开关机。储能系统充放电开关则采用了远程手动开关与自动开关两种模式:手动模式下，需操作员在监控界面上以开关逆变器和断路器同样的方法进行开关操作;自动模式下，无需人员干预，软件自动根据当前光照指数以及蓄电池现有电量进行判断，根据判断结果进行充放电开关指令下发，手动远程操控的实现方式是在按钮事件中的左键点击属性中写入指定的变量赋值程序，给所要开关的设备对应工程变量赋值。自动控制实现方法是在用户程序的工程程序中根据控制逻辑写入对应程序进行控制。

2.5 数据曲线显示

光伏发电系统监控软件中数据曲线主要用于对历史发电量进行显示分析，可按日、月、年进行显示，也可按所属子系统支路进行显示分析。曲线数据显示原理为将数据库中数据根据指定条件进行查询，并将查询结果以曲线的形式显示到监控画面，设计流程如下：①添加数据曲线插件；②链接对应变量；③调整曲线显示属性。

2.6 数据库管理

数据库管理模块具有保存实时数据到数据库、查询历史数据、删除历史数据和导出历史数据等几大功能。

数据保存：数据保存主要用于在系统运行过程中，保存光伏发电相关数据，以备后期查询、统计和分析。数据保存设计流程如下：①在sqlserver中建立数据库与表单；②Netcontrol 变量表中添加数据库链接；③设定数据存储规则。

历史数据查询：历史数据查询用于操作员与管理人员查看分析历史发电数据与系统运行相关数据。历史数据查询界面设计流程如下：①添加查询条件输入、选择控件；②添加数据库显示插件；③添加操控按钮；④配置操控按钮事件属性。配置操控按钮事件属性：在操控按钮事件左键点击程序中写入结合查询条件选择和输入框中相关条件的数据库数据查询操控指令程序，添加将输出结果指定到所添加的数据库查询界面的相关程序。

历史数据删除与导出：数据库运行一定时间后，由于数据不断增多，磁盘可用空间将不断减少，因此需设计相应的历史数据删除策略，从而手动或定期对历史数据进行删除操作，释放磁盘空间。该光伏发电监控系统中根据实际需要，分别设置了手动删除历史数据与定期自动删除历史数据,并且通过程序设定，在删除之前进行数据导出操作。数据库相关管理界面如图5所示。