基于LabView的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張海寧 劉衛(wèi)亮 徐東東 王印松 林永君 王 棟

1．青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點實驗室 青海 西寧 810008

2．華北電力大學自動化系 河北 保定 071003

0 引言

進入21世紀，能源問題和環(huán)境問題日益突出，以新能源發(fā)電作為主要電源的微電網(wǎng)受到各國的重視［1］。作為微電網(wǎng)中不可缺少的組成部分，微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的作用是保證其經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。由于微電網(wǎng)的電源形式、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)不盡相同，其監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和具體功能也具有較大的差異。國內(nèi)已有一些科研人員開展了相關(guān)工作。文獻［2］依據(jù)IEC 6185標準，設計了具有大電網(wǎng)統(tǒng)一接口的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺，并以光伏微電網(wǎng)為例，構(gòu)建了微電網(wǎng)關(guān)鍵設備的設備信息模型。文獻［3］利用無線MESH網(wǎng)絡技術(shù)實時性、可靠性、維護性、實現(xiàn)性的特點，開發(fā)了具有功能全面、組網(wǎng)靈活、安裝方便、穩(wěn)定可靠反映迅速等特點的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，提高了微電網(wǎng)的運行維護效率。文獻［4］通過將神經(jīng)元芯片植入微型電源控制器、儲能單元控制器和負載開關(guān)，構(gòu)成基于電力線載波通信的LonWorks控制網(wǎng)絡，并利用組態(tài)王軟件設計了界面友好，性能可靠，擴展性強的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。文獻［5］借鑒了智能變電站分層體系結(jié)構(gòu)，提出了由設備層、管理層和優(yōu)化層3個邏輯層構(gòu)成的微電網(wǎng)監(jiān)控與能量管理一體化系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，設計了位于管理層的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和能量管理裝置。

本文針對基于微型逆變器架構(gòu)的小型風光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過分析微電網(wǎng)各組成部分的功能和監(jiān)控需求，確定了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)，并基于LabView開發(fā)環(huán)境完成了監(jiān)控軟件的實現(xiàn)。實際運行實例表明，該監(jiān)控軟件具有實時性高、運行穩(wěn)定的特點。

1 風光儲微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)介紹

本文所述風光儲微電網(wǎng)為適合家庭使用的小型微電網(wǎng)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示：光伏發(fā)電單元包括5塊光伏電池板 （光伏電池板的額定功率為230W，開路電壓為37V，短路電流為8.54A，最大工作點電壓為29.5V，最大工作點電流為7.59A）和相應微型逆變器；風力發(fā)電單元包括兩臺小型風力發(fā)電機 （風力發(fā)電機為三葉式永磁直驅(qū)風力發(fā)電機，風輪直徑為1.3m，額定功率為200W，額定電壓為24V，啟動風速為 2m／s，額定風速為 10m／s）以及相應的整流器和微型逆變器；儲能單元包括蓄電池組（包括兩組3×80Ah的鉛酸蓄電池）和超級電容（400V／0.5F）以及相應的雙向逆變器；負荷單元包括敏感負荷以及不敏感負荷。微處理器和監(jiān)控中心作為微電網(wǎng)的大腦，負責整個微電網(wǎng)安全穩(wěn)定以及高效的運行。

圖1 小型微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)控系統(tǒng)需求分析

根據(jù)本文具體研究對象，本監(jiān)控系統(tǒng)需要包括光伏發(fā)電監(jiān)控、風力發(fā)電監(jiān)控、儲能監(jiān)控、負荷監(jiān)控以及微電網(wǎng)綜合監(jiān)控等一系列功能，使得微電網(wǎng)既可以并網(wǎng)運行，也可以孤島運行。

2.1 光伏發(fā)電監(jiān)控模塊

光伏發(fā)電監(jiān)控模塊對光伏發(fā)電的實時運行信息進行全面的監(jiān)視，支持并對歷史數(shù)據(jù)進行多方面的統(tǒng)計和分析。針對光伏微型逆變器，具體監(jiān)控參數(shù)包括：每個光伏電池的電壓值、電流值、輸出功率、功率因數(shù)、環(huán)境溫度以及運行狀態(tài)，光伏陣列總出力曲線以及單個光伏電池板出力曲線。通過該監(jiān)控模塊還可以實現(xiàn)單個微型逆變器的啟?？刂?。

2.2 風力發(fā)電監(jiān)控模塊

與光伏發(fā)電監(jiān)控模塊類似，風力發(fā)電監(jiān)控模塊可對風力發(fā)電的實時運行信息進行全面的監(jiān)視，并支持并對歷史數(shù)據(jù)進行多方面的統(tǒng)計和分析。針對風力發(fā)電微型逆變器，具體監(jiān)控參數(shù)包括：每個風機的風速、轉(zhuǎn)速，整流器后的電壓值、電流值、輸出功率、功率因數(shù)以及運行狀態(tài)，風機總出力曲線以及單個風機出力曲線。通過該監(jiān)控模塊還可以實現(xiàn)單個微型逆變器的啟停控制。

2.3 儲能監(jiān)控模塊

儲能監(jiān)控模塊對蓄電池組和超級電容的實時運行信息進行全面的監(jiān)視。具體監(jiān)控參數(shù)包括：蓄電池、超級電容的運行狀態(tài)（充電、放電、SOC），直流側(cè)電壓和直流側(cè)電流，雙向逆變器的工作狀態(tài)（整流、逆變）、輸出電壓、輸出電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)，通過該模塊還可以控制雙向逆變器的啟停和工作狀態(tài)的切換。

2.4 負荷監(jiān)控模塊

負荷單元分為敏感負荷和非敏感負荷兩部分。微電網(wǎng)運行過程中，微型電源出力的波動可能會超出儲能單元的補償能力，導致系統(tǒng)電壓跌落。此時，可通過切除部分非敏感負荷來保證系統(tǒng)穩(wěn)定。負荷單元需要監(jiān)控的信息有各負荷消耗的功率以及相應靜態(tài)開關(guān)的狀態(tài)。

2.5 微電網(wǎng)綜合監(jiān)控模塊

微電網(wǎng)綜合監(jiān)控模塊監(jiān)視微電網(wǎng)運行的綜合信息，包括微電網(wǎng)運行方式（并網(wǎng)、孤島）、系統(tǒng)頻率、公共接點電壓，并實時統(tǒng)計光伏發(fā)電總功率、風力發(fā)電總功率、負載功率、儲能單元充放電功率以及與外部電網(wǎng)交換功率。

微電網(wǎng)常用的控制策略主要分為3種：主從型、對等型和綜合型，其中小型微電網(wǎng)常用的是主從控制模式。當選擇并網(wǎng)運行時，連接在微電網(wǎng)母線上的微型逆變器與儲能雙向逆變器均采用P／Q控制；當選擇孤島運行時，儲能作為主控電源，雙向逆變器采用U／f控制，微型逆變器仍采用P／Q控制。

3 監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場智能設備、微處理器和監(jiān)控中心組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 SCADA數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分包含電流／電壓互感器、斷路器、風速傳感器、溫度傳感器和PCC開關(guān)等現(xiàn)場智能設備，通過與微處理器連接完成通信、監(jiān)測與控制功能。微處理器與監(jiān)控中心連接，向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收監(jiān)控中心下發(fā)的控制指令，與現(xiàn)場智能設備完成交互。微處理器還扮演者主時鐘的角色，使現(xiàn)場智能設備保持時鐘同步。參考IEC61970系列標準中的公共信息模型（CIM），為現(xiàn)場智能設備進行建模并分配設備地址，如表1所示。

圖2 微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

表1 現(xiàn)場設備對應的地址碼

上位機監(jiān)控中心采用“查詢—應答”的方式與微處理器進行通信，監(jiān)控中心與微處理器通信格式如表2與表3所示。

表2 微處理器與監(jiān)控中心通信協(xié)議及格式

表3 功能碼對應

3.2 微電網(wǎng)監(jiān)控中心部分

監(jiān)控中心主要功能結(jié)構(gòu)包括：微電網(wǎng)綜合監(jiān)控，光伏發(fā)電監(jiān)控，風力發(fā)電監(jiān)控，儲能監(jiān)控，負荷監(jiān)控，人員管理等。監(jiān)控系統(tǒng)運行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)在LabView開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)，采用Access數(shù)據(jù)庫進行歷史數(shù)據(jù)的存儲。風光儲互補微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)上位機主界面包括微電網(wǎng)綜合監(jiān)控、光伏發(fā)電監(jiān)控、風力發(fā)電監(jiān)控、儲能監(jiān)控以及負荷監(jiān)控等選項卡，主監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控主界面

LabView主程序框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序框圖

4 結(jié)論

本文針對小型風光儲微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，通過進行需求分析，設計了合理的監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并基于LabView開發(fā)環(huán)境進行了系統(tǒng)實現(xiàn)。經(jīng)過長時間的實際運行，結(jié)果表明該監(jiān)控系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、實時性高的特點，從而有助于提高微電網(wǎng)的工作效率。

［1］ 魯宗相，王彩霞，閔勇，等.微電網(wǎng)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（19）：100-107．

［2］蹇芳，李建泉，吳小云.基于IEC 61850標準的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.大功率變流技術(shù)，2012，（2）：26-29，54.

［3］姜靜，姚虹春.無線MESH網(wǎng)絡在微電網(wǎng)監(jiān)控中的應用［J］.農(nóng)村電氣化，2014，（5）：53-54.

［4］徐瑞，鄧勇，劉衛(wèi)亮，林永君.基于Lon Works電力線載波通信的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng) ［J］.信息安全與技術(shù)，2012，（7）：71-74.

［5］查申森，竇曉波，王李東，鄭建勇，孫旻，趙波.微電網(wǎng)監(jiān)控與能量管理裝置的設計與研發(fā)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2014，（9）：232-239.

［6］張海峰，司楊，李梓芳.光伏電池板監(jiān)測系統(tǒng)上位機管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.青海大學學報（自然科學版），2012，（1）：20-24，64.

［7］壽挺，張思建.小型并網(wǎng)光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.中國電力，2012，（1）：60-63.