基于物联网的光储微电网海水淡化系统的设计与实现

李 虎

（江苏丰海新能源工程技术有限公司，江苏 盐城 224100）

0 引 言

随着全球气温升高、气候变暖、生活用水需求量不断增加以及海水淡化技术的不断提高，国家大力支持发展海水淡化产业，国内外各类相关工程项目发展迅速，这对孤岛海水淡化项目的配电系统化、信息化的要求也越来越高，其主要原因有两方面：一是孤岛电网建立困难；二是随着海外项目的拓展，服务的实时性难以实现。为此，本文设计一套基于物联网的光储新能源海水淡化系统，通过各类关键技术及控制策略服务系统，解决了孤岛海水淡化设备的用电、用水问题，同时通过物联网的远程监控方式为设备的持久稳定运行提供了重要保障[1-2]。

1 总体设计方案

基于物联网的光储微电网海水淡化系统由物联网远程监控终端、光储微电网系统、海水淡化系统等部分组成，物联网远程监控终端负责实现物联网远程监控、远程数据分析、远程用户分级管理、远程下载/上传程序、报警信息微信推送等功能；光储微电网系统通过“光伏+储能”组成的微电网系统为设备提供电源；海水淡化系统实现对海水淡化设备的控制。系统网络结构如图1 所示。

图1 系统网络结构

2 系统功能设计与实现

2.1 硬件结构

2.1.1 物联网远程终端

物联网远程终端包含远程通信模块、远程监控电脑、远程监控手机等部分。远程通信模块通过RS 485 接口或TCP/IP网口与微电网系统联网，远程监控电脑、手机通过云端服务器与微电网海水淡化系统联网。

2.1.2 光储微电网系统

光储微电网系统包含光伏组件、汇流箱、光伏控制器、储能变流器、储能电池簇、交流进线柜、交流出线谐波控制柜、能量管理系统控制柜、消防系统等部分。光伏组件通过汇流箱汇集至光伏控制器；光伏控制器、储能变流器、储能电池簇相交于直流母线；储能变流器、交流进线柜相交于交流母线；交流出线谐波控制柜与交流母线负载侧相连，并为能量管理系统控制柜、海水淡化系统、照明、空调、消防系统提供动力电源；能量管理系统控制柜内交换机、服务器与各分布系统通过RS 485 接口或TCP/IP 接口连接，并采集主要断路器的开关信号；微电网能量管理系统采用工业电脑作为系统控制核心。

2.1.3 海水淡化系统

海水淡化系统包含海水淡化系统配电控制柜、海水淡化设备等部分。海水淡化系统包含触摸屏、PLC、变频器、接触器、电机保护器、交换机、开关电源、各类仪表等，用来实现海水淡化设备的配电、监控、控制。

2.2 系统关键技术

2.2.1 物联网工业云技术

工业云由微信公众号、云监控平台、虚拟调试助手组成，工业云通过IoT 模块连接现场设备与远程监控系统。开发者可以自己根据需要创建各类事件；可以创建角色，由一个或者多个权限来管理系统；可以管理IoT 模块，如添加或者删除；可以创建多用户账号，当创建用户关注工业云微信公众号后，可接受系统故障消息推送；可以远程下载/上传用户程序；可以远程监测控制现场设备；可以通过PC、手机APP、手机微信客户端登录远程监控系统；可以实现通过PC、手机APP 进行数据统计分析；可以实现通过PC、手机APP 对实时/历史曲线进行分析。工业云技术的应用将使得设备的调试、运行、维护更加实时、稳定、安全[3]。

2.2.2 ModBus RTU 技术

ModBus RTU 协议是一种开放的串行协议，被广泛应用于当今的工业监控设备中。该协议使用RS 232 或RS 485 串行接口进行通信，并得到市场上几乎所有SCADA、HMI、OPC 服务器和数据采集软件程序的支持。因此，很容易将ModBus 兼容设备集成到新的或现有的监控应用程序中，并获得即时的软件支持。微电网系统内的智能电表、空调、消防、光伏控制器通过ModBus RTU 协议与能量管理系统建立通信，从而实现对光伏功率的控制，以及对消防、空调的监控[4]。

2.2.3 ModBus TCP/IP 技术

ModBus TCP/IP 是ModBus 协议的变体，将ModBus 协议运行在TCP/IP 网络上，连接端口是502，不需要校验和计算，因为数据校验在底层已经完成。通过以太网与任何已安装的以太网设备完全兼容。微电网系统内的海水淡化系统、以太网IO 采集模块、储能变流器、锂电池BMS 管理系统、物联网远程终端模块都是通过ModBus TCP/IP 协议与能量管理系统建立通信，从而实现各类IO 信号采集、交直流母线的建立和控制以及海水淡化系统与微电网系统的联锁控制[5]。

2.2.4 S7 0NLINE 协议

S7 协议是西门子S7 系列工控产品之间使用的标准通信协议，S7 系列的所有工控产品都通过此协议建立通信连接并进行数据交换。海水淡化控制系统1200PLC 与海水淡化HMI 及微电网能量管理系统上位机WINCC 软件通过S7 0NLINE 协议实现监控及联锁控制[6]。

2.2.5 WINCC 全局脚本

WINCC 是西门子上位机开发软件，支持与基于RJ 45接口及RS 485 接口的各分布系统设备进行通信。全局脚本可实现各分布系统的数据交换及数据运算，WINCC 的全局脚本由全局脚本编辑器实现，可以编写C 脚本和B 脚本，由开发者根据自己的开发习惯编写，如图2 所示。本系统能量管理系统内各分布系统之间的控制策略、数据交换需要在上位机WINCC 软件中通过全局脚本编程实现[7]。

图2 全局脚本编辑器

2.2.6 梯形图语言

梯形图语言是一种面向过程的编程语言，是PLC 编程开发者最常用的一种语言，梯形图是在继电器与接触器逻辑控制基础上简化演变而来，更加形象、直观，便于开发者使用，是目前二次开发使用最多的一种PLC 编程语言。海水淡化控制系统对各类负载的监控、控制逻辑需要通过梯形图语言来实现。

2.2.7 SCL 语言

SCL 语言是一种用于S7 自动化系统的高级编程语言。使用SCL 语言编程，可以简化复杂的数学运算、数据交换和步序结构等编程工作。本系统通过SCL 语言实现海水淡化系统的步序控制及数据运算。

2.2.8 交流变频技术

交流变频技术是一种把固定频率交流电变成直流电后再逆变成不同频率的交流电的技术，可以与微电网系统联锁，同时根据工艺的需要调整频率也可以达到节能的效果。变频技术能够消除电动机启动电流对微电网的冲击以及泵类负载的水锤效应，降低了机械磨损，延长了电机的使用寿命。

2.3 系统控制策略

海岛微电网海水淡化系统，由于受到缺电缺水的影响，一般工作在离网模式，由新能源为海水淡化系统提供电源，但是由于太阳能的间歇性、随机性等不可控因素影响，系统发电输出功率始终处于变化之中。因此，需要能量管理系统对发电功率、负载功率以及储能电池充放电进行管理和控制。具体控制流程如图3 所示。

图3 控制流程

2.3.1 新能源微电网建立与运行

系统由储能变流器和储能电池簇建立微电网的频率和电压参考[8]，锂电池管理系统工作后建立直流母线，储能逆变器工作后建立交流母线，光伏投入后为微电网持续提供新能源电源，微电网为海水淡化系统提供动力电源，能量管理系统负责整个新能源微电网海水淡化系统的监控及协调控制[9-11]。

2.3.2 海水淡化负载投切

海水淡化系统采用反渗透控制技术，系统需要通过泵输出高压来实现海水反渗透淡化，泵的投入和切出对微电网的冲击较大，采用变频技术后通过能量管理系统协调控制光伏和储能的出力，从而保证系统的稳定运行。

3 工程应用及效果

本系统设计方案已应用在我司为援助马尔代夫开发、设计、集成的新能源微电网海水淡化项目，微电网能量管理系统主页面如图4 所示。基于物联网技术并结合项目地光资源数据及水质检测报告设计日产200 t 光储微电网海水淡化系统，系统已于2022 年年底安装调试成功，至今运行稳定，供电和产水质量符合当地要求，较好地保障了岛民的生产用水需求。

图4 系统主页面

4 结 语

随着物联网技术、微电网技术、海水淡化技术的不断发展，结合我司孤岛海水淡化项目的工程经验，建立基于物联网技术的“光伏+储能”的新能源微电网海水淡化系统十分必要。本文对系统硬件结构设计、关键技术以及控制策略进行了分析，并将设计方案应用到实际工程项目中；将物联网技术、微电网关键技术及海水淡化技术相结合，建立了各级监控网络，融合多种通信方式，提高了系统稳定性，降低了运行维护成本，具有一定的推广意义。