基于LabVIEW微電網(wǎng)實驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

梁子鵬　黃清寶　黃曾

摘 要：作為微電網(wǎng)實驗平臺中極其重要的部分，微電網(wǎng)實驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)要求實時性好、穩(wěn)定性強以保障微電網(wǎng)實驗平臺的經(jīng)濟穩(wěn)定運行。本文是通過微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用、以微電網(wǎng)實驗平臺為硬件基礎(chǔ)，針對微電網(wǎng)實驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)遠程控制與檢測功能、數(shù)據(jù)采集、顯示功能和數(shù)據(jù)的存儲等功能，使用專業(yè)圖形化編程軟件LabVIEW設(shè)計并編寫了監(jiān)控系統(tǒng)。成功實現(xiàn)了通過監(jiān)控系統(tǒng)對實驗平臺的遠程控制和實時數(shù)據(jù)的采集及存儲功能，完成了監(jiān)控系統(tǒng)人機交互的預(yù)期目標。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；LabVIEW；數(shù)據(jù)監(jiān)測；實時控制

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A

0.引言

中國現(xiàn)階段的環(huán)境問題日益嚴重，過多地依賴于不可再生的能源是其中的一個重要原因。新能源的科學利用可以有效地減緩環(huán)境污染和能源枯竭帶來的一系列不良影響?？茖W合理地整合利用可再生能源成了當前的重要議題。微電網(wǎng)的出現(xiàn)可以將風能、太陽能、光能等可再生的新能源轉(zhuǎn)換為電能，并且可以行使統(tǒng)一、集中使用。

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，負荷結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。數(shù)字控制器件和功率電子器件的使用使得現(xiàn)在的電力設(shè)備對電磁干擾十分敏感。對于傳統(tǒng)設(shè)備來說電壓擾動等微小的變化是無關(guān)緊要的，但是對于現(xiàn)代的用電設(shè)備會造成很大的影響，會影響電子控制系統(tǒng)的正常工作，影響生產(chǎn)并造成不可逆轉(zhuǎn)的損失。因此對微電網(wǎng)系統(tǒng)中的電能進行實時地監(jiān)控，可以及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的問題，為深入研究微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題提供科學的依據(jù)，因此對微電網(wǎng)實驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)的研究具有重大的意義。徐瑞等提出了一種基于電力線載波通信的LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)，并用組態(tài)王實現(xiàn)的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。張海峰等提出了3個邏輯層構(gòu)成的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。本文針對微電網(wǎng)實驗平臺的具體結(jié)構(gòu)特點，提出了基于LabVIEW的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案并實現(xiàn)了設(shè)計方案。

1.微電網(wǎng)實驗平臺介紹

本文所述的實驗平臺為小型微電網(wǎng)實驗平臺，其結(jié)構(gòu)圖為圖1所示。實驗平臺的支路硬件包含3條單相光伏發(fā)電支路，分別為單晶光伏陣列（最大功率3150W）、多晶光伏陣列（最大功率3150W）和薄膜光伏陣列（最大功率2940W），電動汽車支路（額定功率5kW，輸出電壓AC220v+-5%），可編程交流RLC負載ACLT-3803H支路（總裝機容量99.99kVA），可編程交流電源支路（Chroma61512），和單相負載ACLT-2202H支路。母線電壓為AC380V，接線方式為三相四線制。上位機監(jiān)控系統(tǒng)作為實驗平臺的監(jiān)控核心，實時監(jiān)控整個平臺的運行狀況確保其穩(wěn)定安全運行，其硬件包含研華工控機1臺、飛利浦液晶顯示屏1臺、研華PCI-1680研華PCI-1762數(shù)據(jù)采集卡兩塊，軟件采用LabVIEW進行編程。

2.微電網(wǎng)實驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析

根據(jù)本文的微電網(wǎng)實驗平臺的具體要求，本監(jiān)控系統(tǒng)需求包括可編程交流電源監(jiān)控、可編程交流負載監(jiān)控、三相交流負載監(jiān)控、RLC單相負載監(jiān)控、電動汽車單相負載監(jiān)控、1-3號光伏單相負載監(jiān)控、三相交流負載及故障實驗監(jiān)控以及微電網(wǎng)實驗平臺的整體監(jiān)控等功能。確保微電網(wǎng)實驗平臺可以在孤島和并網(wǎng)模式下穩(wěn)定安全地運行。

2.1 微電網(wǎng)實驗平臺各支路監(jiān)控

文章標題中盡量避免使用生僻的英文縮寫。各個支路的監(jiān)控設(shè)計要滿足微電網(wǎng)實驗平臺具體要求，支路的監(jiān)控模塊要對支路的實時運行信息進行全面地監(jiān)控。對各支路的數(shù)據(jù)信息進行有效地采集和分析，這些信息包括各支路的電流數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。還要根據(jù)各支路的數(shù)據(jù)信息控制各支路的運行狀況。此外根據(jù)各個支路的具體特點，支路的監(jiān)控設(shè)計要滿足其具體要求。

2.2 微電網(wǎng)實驗平臺整體監(jiān)控

整體監(jiān)控系統(tǒng)要對微電網(wǎng)實驗平臺運行進行綜合監(jiān)控，包括整體運行模式的選擇，采集公共接觸點電壓、母線電壓、母線電流、母線輸出功率、母線輸入功率、外網(wǎng)與實驗平臺的交換功率等一系列數(shù)據(jù)信息。整體監(jiān)控系統(tǒng)還要根據(jù)采集上來的信息對實驗平臺完成實時可靠地控制。此微電網(wǎng)實驗平臺采用主從控制，具體實現(xiàn)為孤島運行時可編程交流電源作為主控電源，其中電動汽車雙向變換器采取U/f控制，其他變換器為P/Q控制。并網(wǎng)運行時連接在母線上的變換器均采用P/Q控制。

3.監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)微電網(wǎng)實驗平臺的功能進行分析和設(shè)計的，監(jiān)控系統(tǒng)要具備的功能包括微電網(wǎng)實驗平臺感知控制保護系統(tǒng)電氣主接線遠控、狀態(tài)監(jiān)控、電力參數(shù)采集以及數(shù)據(jù)存儲。初步確立程序中的各個子模塊、子程序，進一步確立它們之間的配合關(guān)系，在設(shè)計的過程中，主要確立的是模塊的構(gòu)成，為具體的開發(fā)打下基礎(chǔ)。本設(shè)計中所開發(fā)的LabVIEW程序項目中應(yīng)該有監(jiān)控主界面、遠程控制程序、狀態(tài)監(jiān)測程序、串口通信程序和數(shù)據(jù)庫程序等。在主界面上可以控制其他用于分析的子程序模塊，各個模塊組合支撐整個監(jiān)控系統(tǒng)，從而能夠通過上位機實現(xiàn)各支路的斷路器及單相支路接觸器的遠程控制，即通過監(jiān)控主界面的開關(guān)按鍵實現(xiàn)遠程分合閘操作；可以對斷路器及單相支路接觸器分合閘狀態(tài)進行監(jiān)控，斷路器脫扣時，監(jiān)控界面發(fā)出警告信號；完成投入運行的支路的數(shù)顯多功能表的電流、電壓、有功無功等數(shù)據(jù)采集，最后對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行存儲以便隨時查看歷史數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)分析。QF1-8為實驗平臺中斷路器，PT1-8為各個支路電表，具體的監(jiān)控系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3.1 軟件平臺LabVIEW

LabVIEW是一個面向用戶的編程工具，可以靈活地設(shè)計系統(tǒng)的界面。圖形化的控件對應(yīng)于實際儀器的控件，在軟件平臺中使用線條將他們連接起來就能完整實現(xiàn)代碼的編寫。其可以在系統(tǒng)的遠程控制、數(shù)據(jù)采集、傳輸和顯示存儲等環(huán)節(jié)提供開發(fā)工具，在使用它進行系統(tǒng)設(shè)計、測試和監(jiān)控時，應(yīng)該對要進行測試的目的和實現(xiàn)的順序有一個清晰的認識，然后根據(jù)設(shè)計選擇相應(yīng)的圖形化控件進行編程，能提高工作效率，減少程序開發(fā)的時間。

在監(jiān)控系統(tǒng)中，大部分的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制，使用數(shù)據(jù)流模式來處理這些數(shù)據(jù)最為方便，也降低流程圖的復(fù)雜度，因此利用LabVIEW編寫監(jiān)控系統(tǒng)是合理的選擇。

3.2 數(shù)據(jù)采集及控制設(shè)備

為了使LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器能夠獲取到實際儀器的數(shù)據(jù)，基于計算機的數(shù)據(jù)采集板卡產(chǎn)品有很好的應(yīng)用前景。在本研究實驗平臺的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，為了實現(xiàn)人機交互，能夠在上位機控制開關(guān)的開合及顯示開關(guān)的狀態(tài)，需要以PCI-1762板卡為硬件平臺，借助研華公司的LabVIEW驅(qū)動程序提供的子函數(shù)，設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊程序。接口針腳定義和實物接線如圖3所示。圖4為LabVIEW數(shù)據(jù)采集具體程序圖和開關(guān)遠程控制程序圖。

3.3 數(shù)據(jù)存儲

在微電網(wǎng)實驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)該首先生成Access數(shù)據(jù)庫表格，所以在系統(tǒng)初始化時就要建立數(shù)據(jù)庫的表格，初始設(shè)置子VI中包含存儲的位置和存儲的周期，這個存儲位置和存儲周期可以根據(jù)自己的需要和系統(tǒng)的要求自定義設(shè)定，設(shè)定的存儲位置為D：＼＼交流微電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫存儲周期為1000ms。在系統(tǒng)運行時就會將創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫.mdb格式文件存儲在相應(yīng)文件夾中。建立數(shù)據(jù)庫的程序框圖如圖5所示。

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)及運行

微電網(wǎng)實驗平臺監(jiān)控上位機包括本實驗平臺的各個分支器件，以及綜合監(jiān)控。主監(jiān)控界面如圖6所示。

下面以隔離變壓器支路為例介紹監(jiān)控系統(tǒng)實際運行狀況，系統(tǒng)運行中查看波形，并網(wǎng)運行時，接入光伏支路和可編程交流負載支路，隔離變壓器支路的實時電壓和電流曲線如圖7和圖8所示。

由于PT1電表采集的是連接大電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，所以三相的電壓值保持在226V左右。

通過實驗存儲的數(shù)據(jù)庫，可以查看已保存的歷史數(shù)據(jù)，存儲的周期為1000ms，所以每1秒鐘寫入的數(shù)據(jù)都可以查詢到，以便進行分析處理。圖9為運行時可編程交流負載支路生成的數(shù)據(jù)表，通過對生成的數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)處理可以繪制出其具體的功率曲線圖。

結(jié)論

本文針對微電網(wǎng)實驗平臺系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)的實際需求分析設(shè)計了合理的監(jiān)控系統(tǒng)，并基于labview實現(xiàn)了所設(shè)計的系統(tǒng)。經(jīng)過實際的運行驗證了所設(shè)計系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定，安全可靠的特點?？梢詾閷嶒炂脚_的安全運行提供科學的保障。

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