风/光/储混合微电网远程监测系统设计*

唐 杰， 邹陆华， 陈日恒， 王贵龙， 刘白杨

(邵阳学院 多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 邵阳 422000)

0 引 言

化石能源对社会发展起着巨大的推动作用[1]，同时也对人们的生活环境造成严重污染，因此，太阳能、风能、生物质能等清洁可再生能源的开发利用越来越受到人们的重视[2,3]。微电网智能化是智能电网建设的重要一环，将以太阳能发电、风力发电等新能源为主的分布式发电系统与储能系统整合为一体，进行优化控制，具备高电能质量，与大电网进行可靠投切，逐渐成为未来电力能源供应核心。随着微电网智能化技术的不断推进，其运行的安全性与先进性需得到进一步的提升，由此，对微电网监控系统的设计提出了更高的要求[4]。在智能微电网建设过程中，实现微电网信息化才能实现微电网智能化，而微电网远程无线监测系统的设计是实现信息化的一个重要途径。近年来，基于测通用分组无线业务(general packet radio service,GPRS)网络通信的智能手机移动终端监控技术高速发展，具备数据高速无线传输、可靠性高、便于携带等优点，广泛应用于智能家居、养殖业、电力系统监控等远程监测领域。将GPRS网络通信技术应用于微电网中，采用先进的传感器技术与互联网技术构建远程无线监测系统，与现场监控中心有机结合，进行优化控制，推动微电网智能化建设进程。

本文设计了一个基于Android手机的风/光/储混合微电网远程监测系统，利用RS—485总线技术、GPRS网络通信技术将微电网运行状态信息传输到远程服务端进行数据存储、处理和分析。此外，开发出一种Android手机应用(App)，用户可24 h全天候远程监测微电网运行状态。同时，将手机远程监测系统与现场监控中心有机结合，提高微电网运行状态监测的灵活性与方便性，及时发现系统异常情况，确保微电网安全稳定运行于最优状态。

1 风/光/储混合微电网概述

风/光/储混合微电网一般由光伏发电、风力发电、混合储能装置(蓄电池组与超级电容组)和负荷等组成[5]，大多位于地理位置偏远地区，充分开发利用新能源，用于电力供应。基于太阳能和风能具备良好互补性这一优点，微电网采用风力发电系统、光伏发电系统和混合储能装置联合发电方式，构成风/光/储混合微电网发电站，从一定程度上缓解单一发电形式的间歇性与波动性。混合储能装置是用于维持微电网内的能量平衡，具有削峰填谷功能，保证发电系统的暂态稳定。风/光/储混合微电网系统中储能电池组与超级电容组是直流电源，而风力发电系统与光伏发电系统为交流电源，所以，在微电网中多采用交直流混合结构，如图1所示。

图1 风/光/储混合微电网结构示意

在图1中，储能电池组和超级电容组分别经直流/直流(DC/DC)变流器并联至直流母线，通过PCS双向变流器接至交流母线；水平风机经交流/直流/交流(AC/DC/AC)变流器接至交流母线；光伏阵列经直流/交流(DC/AC)逆变器接至交流母线；交流负荷与直流负荷分别接至交直流母线，风光互补发电系统可与大电网进行可靠投切，在满足本地负荷需求的前提下，服从大电网调度。

2 系统实现及其关键技术

2.1 监测系统架构设计

风/光/储混合微电网远程监测系统需要对微电网中各分布式电源、储能装置及负荷等运行状态进行远距离实时监测，并与现场监控中心结合使用，协调运作，其现场监控中心主要完成微电网运行时的保护与控制、能量的协调优化操作。系统整体架构采用分层的思想进行开发设计，主要包括访问层、功能层、系统层和设备层，如图2所示。

图2 风/光/储混合微电网监控系统架构

在图2中，访问层由现场监控中心与手机远程无线监测端组成，用户可通过上述客户端对微电网操作平台进行访问，将现场监控中心与手机远程监测功能有机结合，实现微电网运行状态24 h远程在线监测与现场运行的精确控制；功能层主要任务是实现微电网运行数据的逻辑处理，包括数据的图形化显示、个人信息设置、数据的存储、历史记录与实时数据的展示、曲线图表的可视化等功能；系统层则是直接处理受控对象，实现对受控对象的控制、数据采集及信息交互，包括嵌入式硬件平台、操作系统以及相关的通信协议；设备层包含所有的受控对象，是整个微电网的硬件架构基础，包括储能装置、能量转换设备(交直流变换器，风机，光伏阵列等)、保护装置、数据采集装置等。

2.2 基于GPRS的网络通信技术

GPRS网络通信技术是基于现有的GSM技术进一步研发所取得的成果[6，7]，具备覆盖面广、易接入、数据实时精确传输、永久在线等功能，使用时按消耗流量多少进行计费，充分利用网络资源，广泛应用于数据远距离传输的监控领域。在本系统中，选用SIMCOM公司的SIM900A模块作为数据远程传输的核心[8]，由数据采集装置采集微电网设备运行实时数据，经RS-485总线与SIM900A模块建立连接，通过GPRS无线网络将数据实时传送至用户手机服务端。

SIM900A模块遵循TCP协议进行通信，将微电网运行时分布于各设备传感器采集的电气量及环境信息传输到远程服务端，而TCP协议属于面向连接协议，在进行数据相互传输前，需先建立连接。首次，使用SIM900A模块时，需使用AT指令进行配置，包括连接方式、波特率、IP地址、端口号等，设置成功后，SIM900A模块与手机终端会建立TCP连接，数据采集装置通过RS-485总线将微电网运行数据传输至手机用户终端，实现远程监测功能。编写SIM900A模块与手机服务端TCP连接的主要AT指令如下：

AT+AUTO=NO；∥工作类型设置

AT+IPR=9 600；∥波特率设置

AT+DNS=fgchh123.oicp.net，7576；∥手机终端IP地址和端口号设置

AT+AUTO=YES;∥模块工作类型设置

2.3 基于Android手机的APP开发设计

Android是谷歌公司基于Linux平台进行研发的手机开源操作系统，包括操作系统、用户界面、应用程序等[9，10]，采用客户端/服务端的工作模式。其中，服务端采用VB 6.0语言结合SOCKET通信编程实现，完成远程数据通信与数据处理功能。数据通信遵循TCP协议，通过Winsock控件与Internet进行通信，实现监测点向服务端数据的远程传输；数据处理是主要的人机交互界面，负责收集无线模块传输过来的监测数据，进行归类、综合分析，完成数据的统计、运算、处理，具有显示、存储等功能。客户端App通过Android JAVA语言进行开发，充分利用自带的SQLite数据库进行数据存储，采用Android SDK+JAVA JDK6+Eclipse10进行应用程序的开发，经TCP/IP 协议的SOCKET通信方式实现客户端与服务端之间数据的双向通信，编译完成后打包生成APK文件，发送至Android手机上安装运行后进入风/光/储混合微电网远程监测主界面。

服务端负责实时接收来自GPRS模块传输的微电网运行数据，包含风力发电系统、光伏发电系统、混合储能装置运行时各设备电气参数和环境参数等，功能框图如图3所示。当服务端IP地址、端口号与客户端一致时，Android手机客户端自动接收服务端数据，在Android手机上动态显示，实现便携式微电网运行状态远程监测。

图3 Android手机远程监测系统功能

3 光伏发电系统实时监测

3.1 实验条件

系统依托于邵阳学院多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室进行功能测试。该实验室装备一套科研型的小功率风/光/储混合微电网发电系统，由5 kWp光伏发电装置、2 kW水平风力发电装置、3.3 kW三相可编程负载、25 kWh储能蓄电池、5 kW超级电容组等组成，采用交直流混合结构，经接触器与大电网并网连接，整体控制策略如图4(a)所示，现场运行状况如图4(b)所示，适用于高校学者对自己的科研成果进行实验论证。

图4 风/光/储混合微电网整体控制策略与现场运行状况

3.2 测试结果与分析

为对设计的远程监测系统进行功能测试，于2018年3月9日中午12点太阳光强烈时，运行实验室风光储混合微电网发电系统，针对光伏发电装置运行时的工作状态、交直流电压、交直流电流、输入输出功率、环境温度、功率因素等电气参数进行实时监测。使用Android手机开启GPRS上网数据进行网络连接，运行手机App监测软件，登录后进入风/光/储混合微电网监测主界面。当客户端的IP地址、端口号与服务端相一致时自主建立TCP/IP连接，接收服务端传输过来的数据，单击“光伏发电系统”图标后，进入监测界面如图8所示。在现场监控中心，运行PC上的MGSCADA软件，进入光伏发电系统监测界面。

远程监测系统与现场监控中心都具备测量数据存储与历史数据查询功能，可读取光伏发电装置当日输出功率历史数据(9点～17点)，得到日输出功率曲线图5为所设计的风/光/储混合微电网远程监测系统界面。

图5 风/光/储混合微电网远程监测系统界面

为进行系统监测精度测试，利用电参数测量仪对光伏发电装置输出功率进行分时测量，记录数据，与现场监控中心和手机远程监测数据结合分析，表1为部分测量结果(9点～17点分时测量9组数据)。可以看出：手机远程监测系统测量精度较高，与仪器测量数据、现场监控数据相比，误差均低于±0.5 %，满足系统要求。

表1 部分输出功率测量数据

4 结 论

通过对光伏发电装置运行状态远程监测结果得出，远程监测数据和实验室现场监控中心监测数据、电参数测量仪器检测数据基本一致，系统运行稳定，数据记录完整，日发电量曲线直观清晰，较好地实现了对风/光/储混合微电网运行状态的实时监测与分析功能。同时，该系统可在网络覆盖区域实现微电网运行状态24 h全天候远程监测，整个系统具有功能实用、人机界面良好、数据传输实时准确、易携带等优点。将该系统与现场监控中心有机结合，有利于提高微电网监测系统的灵活性与方便性。