簇狀-樹型ZigBee的燃料電池UPS監(jiān)控系統(tǒng)研究

葉云龍，張偉強(qiáng)，李偉杰，吉高卿

(1.河北北方學(xué)院，河北張家口075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000)

簇狀-樹型ZigBee的燃料電池UPS監(jiān)控系統(tǒng)研究

葉云龍1，張偉強(qiáng)1，李偉杰1，吉高卿2

(1.河北北方學(xué)院，河北張家口075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000)

基于燃料電池控制技術(shù)和短距離通信技術(shù)，為質(zhì)子交換膜燃料電池設(shè)計了相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于簇狀-樹型的ZigBee技術(shù)構(gòu)建底層通信結(jié)構(gòu)，采取分區(qū)域分層次的數(shù)據(jù)采集方式，實現(xiàn)了燃料電池UPS系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程顯示、監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲功能。

燃料電池；UPS；監(jiān)控系統(tǒng)；ZigBee

燃料電池是一種依靠氫和某種氧化物的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生驅(qū)動電能的能源形式，具有將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能且廢物排放量很低的基本特性，是目前最有前途的綠色能源之一。同時，因為燃料電池有較高的比功率，可適應(yīng)于較低的工作溫度，發(fā)電效率高，噪聲低等其它特性，廣泛用于軍事電源、移動電源和車輛電力系統(tǒng)中。燃料電池UPS是采用多個燃料電池堆組成的燃料電池組在不間斷電源上的實際應(yīng)用[1-2]。燃料電池UPS必須具有不間斷工作的特性，因此，對燃料電池UPS的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測和控制具有重要的意義。

分布式燃料電池UPS監(jiān)控系統(tǒng)一般有兩部分組成，一部分為本地監(jiān)控單元；另一部分為遠(yuǎn)程監(jiān)控單元。本地監(jiān)控單元的功能是根據(jù)監(jiān)控的需要采集燃料電池UPS的各種運行參數(shù)，例如溫度、濕度、電壓、電流及單個燃料電池堆的溫度、燃料進(jìn)出、電池投入運行與否等參數(shù)；遠(yuǎn)程監(jiān)控單元利用遠(yuǎn)程通信技術(shù)將本地監(jiān)控單元所采集的數(shù)據(jù)輸送至遠(yuǎn)程控制中心，以便實現(xiàn)分布式燃料電池UPS的“遙信、遙測、遙控、遙調(diào)”等功能。本文基于燃料電池控制技術(shù)和短距離通信技術(shù)，為質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池UPS設(shè)計了相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了分布式燃料電池UPS系統(tǒng)的本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 燃料電池UPS概述

燃料電池由陰級、陽極和電解質(zhì)等部分組成，圖1為燃料電池的基本組成結(jié)構(gòu)，基本工作原理是在陽級(負(fù)極)上連續(xù)供給氣態(tài)燃料，目前大多數(shù)為氫氣。而陰極(正極)上則連續(xù)供給空氣，提取其中的氧氣后，在電極上就可連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流。

圖1 燃料電池工作原理圖

燃料電池具有多種類型，如堿電解質(zhì)燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PRMFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)等。其中質(zhì)子交換膜燃料電池可在室溫下快速啟動，可按照負(fù)載的要求快速改變輸出功率，具有廣泛的應(yīng)用。以質(zhì)子交換膜燃料電池為基本單元的分布式UPS，單個結(jié)點結(jié)構(gòu)由一個控制器，一個1 kW的質(zhì)子交換膜燃料電池和一個用作儲能單元的超級電容組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分布式質(zhì)子交換膜燃料電池單個結(jié)點結(jié)構(gòu)

2 分布式燃料電池UPS監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

分布式燃料電池的底層數(shù)據(jù)的采集需要依靠一個完善的監(jiān)控系統(tǒng)完成，該監(jiān)控系統(tǒng)組成部分主要有：底層運行狀態(tài)采集模塊(包括燃料電池監(jiān)控模塊、電源模塊、故障報警模塊、能量管理模塊、LCD顯示模塊)、底層處理核心和基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控單元，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

每個燃料電池UPS單元由一個處理器協(xié)調(diào)各個模塊之間的運行，處理器由ZigBee節(jié)點CC2530擔(dān)任，利用無線射頻與分布式核心處理中心組成基于一定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)，分布式核心為該網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，也由CC2530擔(dān)任。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以選擇星形的(當(dāng)分布式燃料電池單個節(jié)點的個數(shù)較少時)，也可以選擇簇狀-樹型結(jié)構(gòu)(當(dāng)分布式燃料電池單個節(jié)點較多時)。獨立UPS的核心是處理器。為了采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)使用了大量傳感器；同時，為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，單個節(jié)點還配置了相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 單個節(jié)點傳感器及控制閥

底層處理中心由CC2530擔(dān)任，該芯片沒有數(shù)據(jù)處理功能，除了維護(hù)網(wǎng)絡(luò)之外，主要功能就是以串口與嵌入式網(wǎng)關(guān)相連，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器。嵌入式網(wǎng)關(guān)可以選擇32位或64位的ARM芯片擔(dān)任，主要功能是將底層的ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換為上層的以太網(wǎng)協(xié)議。

3 簇狀-樹型ZigBee底層通信網(wǎng)設(shè)計

本設(shè)計底層通信網(wǎng)采取簇狀-樹型結(jié)構(gòu)，以協(xié)調(diào)器為樹根，其他分枝節(jié)點為路由器，終端節(jié)點為UPS節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)的通信采取組播組網(wǎng)，具體代碼為：

每個簇對應(yīng)一種或兩種操作，這種操作可能是發(fā)送信息的簇，也可能是接收信息的簇，也可以是一路發(fā)，一路收。接收信息簇的方法是SampleApp_MessageMSGCB，發(fā)送信息簇的方法是SampleApp_SendPeriodicMessage。燃料電池溫濕度傳感器發(fā)送程序為：

4 總結(jié)

本系統(tǒng)實現(xiàn)的是對分布式燃料電池UPS電源系統(tǒng)的監(jiān)測和控制功能，底層數(shù)據(jù)采集采用的是ZigBee技術(shù)，構(gòu)建了簇狀-樹型結(jié)構(gòu)。經(jīng)測試證明，該網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定，安全性好，可以有效地完成分布式燃料電池UPS運行過程的監(jiān)控。

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表2 不同控制方案的階躍響應(yīng)性能指標(biāo)

2.2.2 抗干擾性能分析

維持原本的仿真模型及參數(shù)不變，在副回路上加一個擾動信號，仿真框圖如圖6所示。

圖6 含有擾動的補充電仿真模型

通過點擊手動開關(guān)來實現(xiàn)單回路控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)的切換，獲得單回路恒壓補充電控制系統(tǒng)與串級恒壓補充電控制系統(tǒng)在含有擾動的情況下所輸出的響應(yīng)曲線，如圖7～圖8所示。

由圖7和圖8可知，在副回路受到擾動的情況下，單回路控制系統(tǒng)即使在很長時間內(nèi)也很難恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，相反，串級回路控制系統(tǒng)基本不受干擾的影響，依舊保持原本的穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，構(gòu)建的基于串級控制的鋰離子蓄電池恒壓補充電系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)存在更好的抗干擾能力。

圖7 含擾動的單回路控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線

圖8 含擾動的串級控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線

3 結(jié)語

通過實驗的仿真以及方案的比較驗證，基于反饋思想設(shè)計的鋰離子蓄電池恒壓補充電的方法達(dá)到了健康、快速、恒壓補充電的目標(biāo)。建立的恒壓補充電模型不僅能夠使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能，同時還能對外界的干擾有很強(qiáng)的抵抗能力，達(dá)到了穩(wěn)定恒壓補充電的目的。

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Research of fuel cell UPS monitoring system based on clusters and tree of ZigBee

The corresponding monitoring system for proton exchange membrane fuel cell was designed based on fuel cell control technology and short distance communication technology.The ZigBee technology based on clusters-tree was used to build the underlying communication structure， and the mode of hierarchical data gathering areas was adopted， implementing the remote data display， data storage and monitoring for running status of fuel cell UPS system.

fuel cell;UPS;monitoring system;ZigBee

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0878-03

2015-09-11

河北省住建廳科研項目(2014-120)

葉云龍(1981—)，男，河北省人，講師，主要研究方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。