太陽能遠程監(jiān)控系統(tǒng)

王 淼

（華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

在中國的大型太陽能發(fā)電場，由于光照分布和地理位置的限制，大多分布在西北偏僻地區(qū)。由此存在分布面積大、數(shù)量多、工作環(huán)境惡劣、現(xiàn)場監(jiān)控難的問題?？咳斯ぞS護，對人力、財力的消耗是很大的。因此需要一套能實時提供太陽能發(fā)電機組運行狀態(tài)、功能完善、性能穩(wěn)定的遠程監(jiān)控軟件，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）。

基于VB軟件開發(fā)的太陽能發(fā)電遠程監(jiān)控軟件，運用了VB軟件面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，同時應(yīng)用photoshop豐富多樣的圖形處理，界面簡潔、大方；功能全面；操作簡便。監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)記錄、管理和查詢等功能，實現(xiàn)無人職守時的可靠監(jiān)測。同時，通過軟件本身的網(wǎng)絡(luò)配置，將數(shù)據(jù)上傳到Internet，使異地管理人員方便快捷的監(jiān)控此地太陽能發(fā)電站運行狀況。

1 VB軟件的開發(fā)特點[1]

1）面向?qū)ο?/p>

VB采用了面向?qū)ο笤O(shè)計思想，它基本思路是把復(fù)雜的設(shè)計問題分解為多個能夠完成獨立功能且相對簡單的對象集合。

2）事件驅(qū)動

在Windows環(huán)境下是以事件驅(qū)動方式運行每個對象的都能響應(yīng)多個區(qū)別事件，每個事件都能驅(qū)動段代碼事件過程，該代碼決定了對象功能。

3）軟件Software集成式開發(fā)

VB為編程提供了個集成開發(fā)環(huán)境在這個環(huán)境中編程者可設(shè)計界面、編寫代碼、調(diào)試直至把應(yīng)用編譯成可在Windows中運行可執(zhí)行文件。

4）結(jié)構(gòu)化設(shè)計語言

VB具有豐富數(shù)據(jù)類型是種符合結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想語言。

5）強大數(shù)據(jù)庫訪問功能

VB利用數(shù)據(jù)Control控件可以訪問多種數(shù)據(jù)庫，可以用最少代碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作和控制。

6）支持對象鏈接和嵌入技術(shù)

VB核心是對對象鏈接和嵌入（OLE）技術(shù)支持，利用OLE技術(shù)能夠開發(fā)集聲音、圖像、動畫、字處理、Web等對象于一體的功能強大的軟件。

7）網(wǎng)絡(luò)功能

VB提供了DltTML設(shè)計工具，利用這種技術(shù)可以動態(tài)創(chuàng)建和編輯Web頁面使用戶在VB中開發(fā)多功能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件。

8）支持動態(tài)交換、動態(tài)鏈接技術(shù)

通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）編程技術(shù)，VB開發(fā)能和其他Windows應(yīng)用的間建立數(shù)據(jù)通信，通過動態(tài)鏈接庫技術(shù)在VB中可方便地用C語言或匯編語言編寫Windows應(yīng)用接口。

2 監(jiān)測系統(tǒng)程序的主要功能

監(jiān)測系統(tǒng)的功能可分為系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、系統(tǒng)故障記錄、圖形曲線、數(shù)據(jù)分析及存儲、遠程監(jiān)視等幾個主要方面，與此對應(yīng)，監(jiān)測系統(tǒng)的程序由系統(tǒng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、歷史查詢等3個基本界面和用戶管理、參數(shù)設(shè)置、幫助等界面組成，每個界面都完成一定的功能，界面之間通過“數(shù)據(jù)流”進行連接、組合，從而構(gòu)成一個功能豐富的虛擬系統(tǒng)。圖1為整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 軟件整體結(jié)構(gòu)圖

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面的功能[2]

3.1 用戶登錄界面

該界面是整個監(jiān)測系統(tǒng)軟件最頂層的一個界面，最先得以執(zhí)行。用戶通過該界面選擇登錄身份，并輸入相應(yīng)身份的確認密碼。不同登錄身份的用戶權(quán)限是不同的：系統(tǒng)管理員可以修改監(jiān)測系統(tǒng)的運行參數(shù)，并創(chuàng)建普通用戶的帳號和密碼；而普通用戶是沒有這些權(quán)限的，這樣的設(shè)置是為了保證監(jiān)測系統(tǒng)運行的安全性，因為系統(tǒng)運行參數(shù)的修改需要用戶對整個系統(tǒng)的特性非常了解。盡管監(jiān)測系統(tǒng)可運行在一定的參數(shù)范圍內(nèi)，但不恰當?shù)膮?shù)設(shè)置、組合會大大降低監(jiān)測系統(tǒng)的運行效率和可靠性，給監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行帶來極大的安全隱患。所以需要嚴格區(qū)分不同用戶的身份及其操作權(quán)限。在實際應(yīng)用中，只有系統(tǒng)管理員具有最高權(quán)限，可對監(jiān)控系統(tǒng)進行操作；其他人員只能查詢數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)，不能進行其他操作。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測界面

該界面是整個監(jiān)測系統(tǒng)軟件的核心子界面，不僅完成了監(jiān)測系統(tǒng)軟件的大部分功能，同時為監(jiān)測系統(tǒng)軟件的其他界面，如系統(tǒng)調(diào)試界面、歷史查詢界面，提供了必要的數(shù)據(jù)來源，其界面如圖2所示，該界面也是系統(tǒng)軟件運行時的主界面。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)測界面

該界面的功能包括太陽能電站狀態(tài)監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送3個主要方面。

1）太陽能電站狀態(tài)監(jiān)測

太陽能電站狀態(tài)監(jiān)測包括太陽能跟蹤系統(tǒng)的監(jiān)測、太陽能固定系統(tǒng)的監(jiān)測，逆變器系統(tǒng)的監(jiān)測，太陽能電站運行狀態(tài)的監(jiān)測，所有這些被監(jiān)測的變量都在圖2所示的監(jiān)測面板上以數(shù)值的形式呈現(xiàn)給操作者，也可以波形的形式使得用戶可以直觀、全面地了解太陽能電站的運行狀態(tài)和參數(shù)。同時圖中的橫、縱坐標刻度都是自適應(yīng)的，能夠隨著顯示參量的幅度大小而自動調(diào)整；波形的顯示周波數(shù)和刷新時間也都是可調(diào)的。

2）監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲

監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲又分為兩種情況，一種情況是當系統(tǒng)發(fā)生故障，如過壓、欠壓、過流時，監(jiān)測程序會發(fā)出警報信號，同時記錄整個故障發(fā)生時的故障類型和異常數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用做故障后的分析和診斷等；另外一種情況是系統(tǒng)正常運行時，會對系統(tǒng)的特征參量進行統(tǒng)計上的處理，然后將處理后的結(jié)果定時存盤，以供歷史查詢。例如監(jiān)測系統(tǒng)程序可以對光照強度、功率、直流電壓電流等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，可以得出一定時間段內(nèi)的這些參量的最大值、最小值、平均值，將這些統(tǒng)計結(jié)果存盤，并累積足夠長的時間，然后調(diào)出存儲的這些數(shù)據(jù)，并通過一定的軟件處理，就可以分析如光照強度、功率等的變化趨勢，提供必要的參考數(shù)據(jù)，為逆變器系統(tǒng)在不同的天氣和氣候條件下，實現(xiàn)最大功率跟蹤，提高太陽能電池板的利用效率。

3）監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送

監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過后臺的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器向指定IP的計算機傳輸本地的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便不同的部門查看監(jiān)控數(shù)據(jù)。

實際運行時主要監(jiān)視此界面，及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)和報警故障，通知檢修人員對出現(xiàn)的問題進行檢修和維護。

3.3 系統(tǒng)調(diào)試界面

該界面是監(jiān)測系統(tǒng)軟件的另一個主要子界面，其界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)調(diào)試界面

系統(tǒng)調(diào)試界面可以在較短的時段內(nèi)可控地記錄系統(tǒng)各主要監(jiān)測變量的實時數(shù)據(jù)，并可對記錄的數(shù)據(jù)進行波形顯示、參量計算。這一功能實際上類似于錄波器和示波器的作用。

由于可以記錄系統(tǒng)動態(tài)過程中各參量的變化情況，所以這個界面對于運行人員了解系統(tǒng)的動態(tài)特性非常有幫助。比如通過這個界面觀察當光照強度發(fā)生變化時逆變器的響應(yīng)時間和系統(tǒng)功率的變化曲線，可以對逆變器的工作狀態(tài)做出評估，從而調(diào)整逆變器的工作參數(shù)，以在當前工作條件下的實現(xiàn)最大功率輸出。

3.4 歷史查詢界面

該界面是監(jiān)測系統(tǒng)軟件的另一個主要界面，又分為歷史故障查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢兩個獨立的子界面。

用戶通過歷史故障查詢界面可以查詢已經(jīng)記錄的故障并重現(xiàn)整個故障過程，如查看故障的類型、發(fā)生時間和異常數(shù)值。為檢修人員提供參考資料，盡快回復(fù)電站正常運行。歷史故障查詢的界面如圖4所示。

圖4 歷史故障查詢界面

歷史數(shù)據(jù)查詢界面和歷史故障查詢界面的界面不同，用戶通過歷史數(shù)據(jù)查詢界面，可以查詢在系統(tǒng)監(jiān)測界面中記錄的全部數(shù)據(jù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一個或多個變量的波形、有效值的變化曲線等；同時對這些波形、曲線提供了編輯、查看的工具，如曲線的拖動，波形局部的中心、水平、垂直方向的放大和縮小等。從而了解太陽能電站在一定時間段內(nèi)的運行特性及電力系統(tǒng)的一些特征電量的變化情況。通過歷史曲線在同一張曲線圖中繪制多條參數(shù)曲線，以比較其變化趨勢。比如，在同一坐標系中繪制功率和光伏強度曲線，可追蹤功率跟隨光伏強度變化的情況?；蛘咴谕蛔鴺酥欣L制溫度和光伏強度曲線，光伏強度跟隨溫度變化的情況。

在界面下還可按日、月、年的方式生成報表，可對一些重要參數(shù)作短期，中期和長期的統(tǒng)計分析，達到監(jiān)測太陽能發(fā)電機組性能的目的。利用計算機接口可打印報表，還可以通過網(wǎng)絡(luò)資源將報表傳送給上級有關(guān)部門查看。歷史數(shù)據(jù)查詢的界面如圖5所示。

3.5 數(shù)據(jù)對比界面

在此界面下可對比任意兩天的不同數(shù)據(jù)進行對比操作。便于分析不同天氣和氣候條件下，太陽能電站的工作狀態(tài)。例如多云、陰天和晴天的數(shù)據(jù)對比，為逆變器工作和太陽能電池板的安裝提供數(shù)據(jù)支持。其界面如圖6所示。

圖5 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

圖6 歷史數(shù)據(jù)對比界面

3.6 用戶管理界面

該界面為用戶提供了部分個人定制工具，如修改密碼、系統(tǒng)管理員新建用戶帳號和密碼、數(shù)據(jù)文件的整理等等。

只要是當前登錄的用戶，都可以通過用戶管理界面的修改密碼功能項修改登陸密碼，同時，系統(tǒng)管理員還可以創(chuàng)建新的用戶帳號和登錄密碼。

文件整理是用戶管理界面的另一功能項。該界面顯示了監(jiān)測系統(tǒng)軟件所在文件夾的磁盤使用情況，并給出是否清空數(shù)據(jù)文件的操作提示。通過前面的介紹，我們知道監(jiān)測系統(tǒng)程序正常運行時要定期記錄系統(tǒng)監(jiān)測變量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，故障情況下要記錄全部監(jiān)測變量的故障數(shù)據(jù)，所以當這些數(shù)據(jù)逐漸增多至一定的磁盤使用率時，應(yīng)該及時將這部分舊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移備份，然后清空這些數(shù)據(jù)文件，這樣不至于因為運行時間過長、數(shù)據(jù)過多造成新的數(shù)據(jù)不能正常存儲，從而影響監(jiān)測系統(tǒng)程序的運行。

3.7 參數(shù)設(shè)置界面

用戶通過該界面可配置監(jiān)測系統(tǒng)運行所需的一切軟、硬件參數(shù)。系統(tǒng)運行所需的參數(shù)可分為4類：第一類是關(guān)于數(shù)據(jù)采集單元的測量參數(shù)，包括數(shù)據(jù)采集編號、采樣速率、數(shù)據(jù)刷新時間等；第二類是關(guān)于串行口的通信參數(shù)，包括串口標識號、流控制、波特率等；第三類是關(guān)于電量的報警參數(shù)，包括報警方式、報警閾值的上下限等，第四類是關(guān)于數(shù)據(jù)記錄的存儲參數(shù)。

該界面在設(shè)計過程中考慮了以下兩個因素：一是為了使監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的兼容性和靈活性，監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置也應(yīng)該具有足夠的靈活性。因為在不同的工況下，對監(jiān)測系統(tǒng)的運行要求不同，運行參數(shù)可能相差很大，如不同工況下數(shù)據(jù)采集單元的采樣率大小、采樣通道數(shù)等都是不同的；此外，監(jiān)測系統(tǒng)還有可能擴展新的硬件。對這些變化，參數(shù)設(shè)置界面應(yīng)該能夠適應(yīng)，并使得用戶可以很方便地通過這個界面修改原來的參數(shù)、添加并配置新的參數(shù)。

盡管監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)是可配置的、在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，但是部分參數(shù)之間有一定的關(guān)聯(lián)性，如果配置的參數(shù)匹配的不好，就有可能造成程序運行在不合理的狀態(tài)，甚至出現(xiàn)運行錯誤，所以應(yīng)該綜合考慮關(guān)聯(lián)參數(shù)之間的匹配問題，并限制其中部分參數(shù)的可調(diào)范圍。這也是系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面設(shè)計過程中應(yīng)該考慮的另外一個因素。

4 結(jié)論

綜上所述，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面為用戶提供了一個方便的接口界面，使得用戶能在一定范圍內(nèi)自由地配置系統(tǒng)參數(shù)，同時可以保證系統(tǒng)的可靠運行。

太陽能電站遠程監(jiān)控軟件是現(xiàn)代化電場管理中必不可少的重要工具。本文介紹的基于VB軟件開發(fā)的遠程監(jiān)控軟件功能強大，穩(wěn)定可靠，適用于各類太陽能發(fā)電機組。由于采用了通用的通信協(xié)議和標準的數(shù)據(jù)存儲模式，所以便于系統(tǒng)以后的升級和維護，具有很強的通用性和擴展性。此監(jiān)控軟件已在唐山高等檢察院60kW太陽能屋頂項目、北京中天恒投資公司兩套30kW太陽能屋頂項目、北京兵器裝備集團公司50kW太陽能屋頂項目和山西納克兩套15kW太陽能屋頂項目中得到應(yīng)用，已穩(wěn)定運行兩年。

[1]李淑華.VB程序設(shè)計及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2]劉立群,池光,劉哲.Visual Basic 程序設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.