基于LabVIEW的風(fēng)光互補發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

程 晨，杜欣慧

（太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024）

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和電力需求的增長，以及受能源危機的影響，分布式能源作為一種新型能源受到越來越多人們的關(guān)注。其中，風(fēng)能和光伏作為清潔能源，并因獲取相對容易，得到各國的廣泛深入研究。同時，由于風(fēng)能和光伏具有互補的特性，風(fēng)光互補發(fā)電廣泛用于各個領(lǐng)域，尤其在一些電能缺乏的偏遠地區(qū)。但由于偏遠地區(qū)環(huán)境惡劣，人員實時巡檢存在一定的困難[1]。因此，在遠離現(xiàn)場的情況下，對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)進行實時精確的監(jiān)測控制，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行就顯的十分重要。

針對上述問題，本文提出了一套基于LabVIEW的風(fēng)光互補發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實時監(jiān)測，報警保護，電源點切換以及數(shù)據(jù)存儲等功能，對于減少運行人員的工作量與對系統(tǒng)可靠性、安全性的提高均有實質(zhì)性的效果[2,3]。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)實際應(yīng)用于北京某高校自動化實訓(xùn)室內(nèi)。本系統(tǒng)硬件主要由單晶硅太陽能電池板，水平風(fēng)力發(fā)電機，光伏控制器，風(fēng)機控制器，鉛酸蓄電池，單相逆變器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（風(fēng)速風(fēng)向傳感器，溫度傳感器，光照強度傳感器，電壓電流功率變送器和數(shù)據(jù)采集卡）等組成。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)內(nèi)主要器件的型號參數(shù)如下:

風(fēng)力發(fā)電機：型號為FD6.0-5KW，額定功率為5kW，輸出電壓220V，額定風(fēng)速8m/s；

太陽能電池板：每塊PV板的額定功率100W，最大工作電壓18V。共用54塊PV板三組并聯(lián)，每組分別用18塊串聯(lián)的方式進行連接；

蓄電池：單塊蓄電池額定電壓為12V，容量200AH，采用18塊蓄電池串聯(lián)的方式連接；

風(fēng)機控制器：型號為WW50-216-N02，額定功率為5kW，額定輸出電壓216V，帶有485通訊接口；

光伏控制器：型號為WS54-216-N02，額定功率為5.4kW，額定輸出電壓為216V，帶有485通訊接口；

逆變器：型號為WI100-220，額定輸出容量為10kVA，額定蓄電池電壓為216V，額定輸出電壓為220V的單相電，帶有485通訊接口。

在這個系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機，太陽能電池板通過控制器互補性地給蓄電池組進行充電，蓄電池通過單相逆變器供給交流負載使用，同時后級接一個額定電壓為12V的整流器，為系統(tǒng)中的各個傳感器和數(shù)據(jù)采集卡以及其他直流負載提供能源。風(fēng)機、光伏控制器還有離網(wǎng)型逆變器均帶有485通訊接口，將采集到的風(fēng)機和光伏板端的電壓電流信號、蓄電池兩端的電壓信號以及逆變器的輸出功率信號傳送給上位機，同時蓄電池端的溫度傳感器，室外的風(fēng)速風(fēng)向和溫度傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡，將信號傳送給上位機。上位機對采集到的信號進行處理后，將各個參數(shù)顯示在PC機上，同時通過運算判斷，做出相應(yīng)的報警保護或者電源切換等操作。

1.2 系統(tǒng)監(jiān)測的物理量

系統(tǒng)需要監(jiān)測的物理量如下。

1）對風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電端需要監(jiān)測的物理量有，室外的實時風(fēng)速風(fēng)向，風(fēng)能控制器的輸出電壓、電流、功率。通過這些數(shù)據(jù)可以得到當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力資源情況，風(fēng)能與充電功率的對應(yīng)關(guān)系，并且當(dāng)風(fēng)速過快時，進行報警剎車保護。

2）對太陽能電池板發(fā)電端需要監(jiān)測的物理量有，室外溫度、光伏板表面溫度和光照強度，以及光伏控制器輸出的電壓、電流、功率。通過這些數(shù)據(jù)可以得到當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源情況，太陽能與充電功率的對應(yīng)關(guān)系。

3）對蓄電池表面的溫度，蓄電池兩端的電壓，蓄電池的沖放電電流進行監(jiān)測?？梢员O(jiān)控蓄電池的實時狀態(tài)，當(dāng)蓄電池溫度過高時，進行報警保護。

4）對逆變器的輸入電壓、電流，輸出電壓、電流進行監(jiān)測，可以得到逆變器的轉(zhuǎn)換效率特性。同時為逆變器進行風(fēng)光、市電的電源點切換，提供直觀可靠的依據(jù)。

1.3 系統(tǒng)通訊的設(shè)計

本系統(tǒng)的通訊采用RS485接口，該方式結(jié)構(gòu)簡單、通訊可靠、成本低廉。RS485通訊的拓撲結(jié)構(gòu)主要有總線型、星型和樹型結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用總線型結(jié)構(gòu)，因為這種結(jié)構(gòu)具有傳輸可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。而且系統(tǒng)和監(jiān)控室距離遠，采用總線型可延長傳輸距離，保證傳輸質(zhì)量。

通訊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 編程環(huán)境

本系統(tǒng)采用LabVIEW軟件進行上位機編程，LabVIEW軟件是美國NI公司研制的程序開發(fā)環(huán)境，它是一圖形化的軟件集成開發(fā)環(huán)境，內(nèi)置有強大的信號采集、測量分析和網(wǎng)絡(luò)分析等功能。該系統(tǒng)有友好的人機界面，方便對之進行維護與功能擴展。

2.2 通訊協(xié)議

本系統(tǒng)采用標準的RS485 ModBus RTU通訊協(xié)議，通訊波特率為9600，無校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。采用校驗和的校驗方法，對從地址位開始到校驗位之前的所有數(shù)據(jù)進行求和校驗。

此系統(tǒng)采用上位機發(fā)送一條查詢指令，下位機接受并返回指令的方式進行通訊。

文章以太陽能控制器為例進行說明，它的通訊幀格式如表1和表2所示。

表1 上位機的查詢指令幀格式

表2 下位機應(yīng)答命令幀格式

字節(jié)含義：

幀頭：0xEB 0x90 0xEB 0x90，4字節(jié)。

地址：1字節(jié)，具體地址可以自己設(shè)置。本系統(tǒng)中光伏控制器的地址設(shè)置為1，風(fēng)機控制器的地址設(shè)置為2，逆變器的地址設(shè)置為3。

類型：表示本幀命令類型。0x00代表讀數(shù)據(jù)，0x06代表回傳數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)長度：1字節(jié)，包括有效數(shù)據(jù)的長度。光伏控制器、風(fēng)機控制器、逆變器的數(shù)據(jù)長度分別為11、11、15。

DATE 1—DATE X：為數(shù)據(jù)，共X字節(jié)。含義分別如下：

1）光伏控制器：

（1）上位機向光伏控制器查詢命令的數(shù)據(jù)含義：

DATE1：0x01代表太陽能電池板給蓄電池充電。0x02代表切斷太陽能電池板的充電狀態(tài)。

DATE2～DATE11：均為0x00，向下位機發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令幀。

（2）光伏控制器應(yīng)答命令的數(shù)據(jù)含義：

DATE 1：0x01代表太陽能電池板處于給蓄電池充電的狀態(tài)。0x02代表太陽能電池板處于給蓄電池非充電狀態(tài)。

DATE2：0x01代表蓄電池處于正常狀態(tài)。0x02代表蓄電池處于過電壓狀態(tài)。0x03代表蓄電池欠電壓狀態(tài)。

DATE3～4DATE：代表蓄電池的電壓值。DATE 5～6DATE代表光伏板的輸出電壓。DATE7～8DATE代表光伏板的充電電流。DATE9～DATE11代表光伏板的充電功率。

2）風(fēng)機控制器：

（1）上位機向風(fēng)機控制器查詢命令的數(shù)據(jù)含義：

DATE1：0x01代表風(fēng)力發(fā)電機給蓄電池充電。0x02代表對風(fēng)機剎車，切斷對蓄電池的充電狀態(tài)。

DATE2～DATE11：均為0x00，向下位機發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令幀。

（2）風(fēng)機控制器應(yīng)答命令的數(shù)據(jù)含義：

DATE1：0x01代表風(fēng)力發(fā)電機處于給蓄電池充電的狀態(tài)。0x02代表風(fēng)機處于剎車狀態(tài)，處于給蓄電池非充電狀態(tài)。

DATE2：0x01代表蓄電池處于正常狀態(tài)。0x02代表蓄電池處于過電壓狀態(tài)。0x03代表蓄電池欠電壓狀態(tài)。

DATE3～DATE4：代表蓄電池的電壓值。DATE 5-6代表風(fēng)力發(fā)電機的輸出電壓。DATE7～DATE8代表風(fēng)力發(fā)電機的充電電流。DATE9～DATE11代表風(fēng)力發(fā)電機的充電功率。

3）逆變器：

（1）上位機向逆變器查詢命令的數(shù)據(jù)含義

DATE1：0x01代表蓄電池組作為逆變器的電源輸入端。0x02代表切斷蓄電池組的輸入，由市電給負載供電。

DATE2～DATE11：均為0x00，向下位機發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令幀。

（2）逆變器應(yīng)答命令的數(shù)據(jù)含義：

DATE1：0x01代表逆變器處于蓄電池組作為逆變器的輸入的狀態(tài)。0x02代表逆變器處于由市電直接給負載提供能源的狀態(tài)。

DATE2～DATE3：代表逆變器的輸入電壓。DATE 4-5：代表逆變器的輸入電流。DATE6～DATE8：代表逆變器的輸入功率。DATE9～DATE10：代表逆變器的輸出電壓。DATE11～DATE12：代表逆變器的輸出電流。DATE13～DATE15：代表逆變器的輸出功率。

校驗和：2個字節(jié)，包括高字節(jié)和低字節(jié)校驗，對從地址位開始到校驗位之前的所有數(shù)據(jù)進行校驗。

2.3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)軟件分兩部分實現(xiàn)，一部分是數(shù)據(jù)采集卡通訊部分，一部分是控制器、逆變器通訊部分。

1）數(shù)據(jù)采集卡的通訊實現(xiàn)

本系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)采集卡是阿爾泰公司的DAM-3059，根據(jù)需要采用了輸入信號為電壓型和電流型的兩種采集卡，自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的庫函數(shù)，可以直接調(diào)用使用。系統(tǒng)的主流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集卡的主流程圖

數(shù)據(jù)采集卡通訊的主程序如圖4所示。當(dāng)采集到的蓄電池溫度超過50℃，或者風(fēng)速超過20m/s時，程序進行報警保護。

圖4 數(shù)據(jù)采集卡通訊的主程序

2）控制器、逆變器的通訊實現(xiàn)

控制器和逆變器與上位機通訊都采用的是485通訊方式，在LabVIEW中需要對串口進行正確的配置，然后根據(jù)需要對下位機發(fā)送指令進行控制，下位機回傳數(shù)據(jù)，先進行校驗，校驗無誤后，將數(shù)據(jù)根據(jù)通訊協(xié)議進行處理，最后將需要的數(shù)據(jù)顯示在主界面上，并保存到Access數(shù)據(jù)庫當(dāng)中[4,5]。

下面就以風(fēng)能控制器為例敘述軟件的實現(xiàn)，風(fēng)機控制器主程序流程圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)機控制器主程序流程圖

串口配置，串口端口為COM3，波特率為9600，數(shù)據(jù)位是8位，無奇偶校驗，停止位為1，無流控制，超時時長為10s。

上位機對風(fēng)機控制器查詢命令程序如圖6所示。

圖6 上位機對風(fēng)機控制器查詢命令程序

校驗和程序如圖7所示。對下位機返回到串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)先進行校驗和。即對從地址位開始到最后一位數(shù)據(jù)位結(jié)束的所有數(shù)據(jù)進行求和記為SUM。檢查返回數(shù)據(jù)的校驗和高字節(jié)是否等于SUM/256，校驗和低字節(jié)是否等于SUM%256。如果均相等，則數(shù)據(jù)正確，進行下一步數(shù)據(jù)處理。

圖7 校驗和程序

對緩沖區(qū)數(shù)據(jù)處理程序如圖8所示。將串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)以字節(jié)按通訊協(xié)議進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)顯示到前面板中。

圖8 緩沖區(qū)數(shù)據(jù)處理程序

太陽能控制器、逆變器的通訊原理與風(fēng)能控制器的基本一致，在這里就不再贅述了。整個系統(tǒng)通過RS485總線在一個周期內(nèi)依次與太陽能控制器、風(fēng)能控制器和逆變器進行通訊一次，然后一直循環(huán)，以對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控。

3）時鐘模塊與數(shù)據(jù)的保存

為了保證數(shù)據(jù)的實時準確性，程序上添加了時鐘模塊，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)、狀態(tài)量能和時間一一對應(yīng)。時鐘程序如圖9所示。

圖9 時鐘程序

本程序?qū)⑾到y(tǒng)采集處理得出的所有數(shù)據(jù)實時保存到Access數(shù)據(jù)庫當(dāng)中[6]。保存至Access數(shù)據(jù)庫的程序如圖10所示。這里將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫表當(dāng)中，可以調(diào)取任意時間的數(shù)據(jù)，為今后的科學(xué)研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)。

圖10 數(shù)據(jù)庫保存程序

4）前界面設(shè)計

在前面板上，工作人員可以直觀的看到包括室外溫度環(huán)境、太陽能電板板、風(fēng)力發(fā)電機、逆變器以及蓄電池的17組數(shù)據(jù)和他們的工作狀態(tài)。通過光伏板充電控制開關(guān)、風(fēng)力發(fā)電機控制開關(guān)、電源點選擇開關(guān)，可以根據(jù)需要對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行切換。界面簡潔友好直觀，符合人們的使用習(xí)慣。前面板界面如圖11所示。

圖11 前面板界面

3 實驗與調(diào)試

利用LabVIEW編好的軟件對整個系統(tǒng)的各個數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場監(jiān)控。為驗證上位機串口讀取處理數(shù)據(jù)的正確性，在實驗過程中，現(xiàn)在安排一個工作人員通過對講機，與主控室的人員進行核對。并通過人為的模擬風(fēng)機啟動、剎車，光伏板充電與否以及市電切換，來測試上位機軟件與系統(tǒng)是否能夠正常工作。

經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：實時監(jiān)測室外環(huán)境狀況，監(jiān)測光伏板，風(fēng)力發(fā)電機，蓄電池兩端的電壓，光伏板和風(fēng)力發(fā)電機的充電電流，蓄電池的放電電流，以及系統(tǒng)的實時發(fā)電功率與發(fā)電量；實時報警保護，當(dāng)蓄電池溫度過高時進行報警，當(dāng)風(fēng)速過高時，進行報警并自動剎車保護；可以根據(jù)需要對光伏板進行充電與否控制及對風(fēng)機進行手動剎車控制，也可以視情況對風(fēng)、光、市電三種電源點進行隨時切換；并且可將數(shù)據(jù)實時保存到數(shù)據(jù)庫中，可以進行數(shù)據(jù)回訪，也為以后科學(xué)研究提供寶貴數(shù)據(jù)[7,8]。

4 結(jié)束語

利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺，設(shè)計了一套風(fēng)光互補發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)有不錯的擴展性和可維護性，具有可視化友好化的人機交互界面，更方便工作人員操作管理。將此系統(tǒng)應(yīng)用到風(fēng)光互補發(fā)電站中，不僅可以減少運營人員巡檢的工作量，而且能顯著提高運行效率，保障電站的安全可靠性。

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