基于Netcontrol組態(tài)軟件的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金蔚霄

(上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司軟件中心，上海 200023)

基金項(xiàng)目:本項(xiàng)研究工作得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助，資助課題項(xiàng)目(17DZ2283400)

0 引 言

太陽(yáng)能作為一種清潔能源，其光伏發(fā)電規(guī)?？纱罂尚。瓤梢元?dú)立發(fā)電，也可并網(wǎng)發(fā)電，因此在未來(lái)具有較好的發(fā)展前景[1]。隨著光伏發(fā)電在全球范圍的普及，如何對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)控也越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)一方面可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)查看基本發(fā)電參數(shù)，為業(yè)主方效益計(jì)算提供有效的依據(jù)；另一方面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，從而快速處理故障，盡量減少系統(tǒng)故障帶來(lái)的損失。傳統(tǒng)光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件大多應(yīng)用.NET、VB等技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[2]，對(duì)于開(kāi)發(fā)人員編程能力要求比較高，且設(shè)計(jì)實(shí)施較復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期一般較長(zhǎng)。Netcontrol組態(tài)軟件是基于.NET Framework的自動(dòng)化過(guò)程監(jiān)視、控制和管理的平臺(tái)軟件，結(jié)合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、控制和軟件技術(shù)[3]，以該軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)，可減少涉及到基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)任務(wù)，使得監(jiān)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)能夠快速高效的完成。本文提出了應(yīng)用Netcontrol組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)的方法，以在某1.25 MWp分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用為例，在介紹光伏發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的功能及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電及監(jiān)控系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電及監(jiān)控系統(tǒng)一般由以下幾部分組成[4]：

(1)太陽(yáng)能電池板陣列：通過(guò)太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)太陽(yáng)能板串并聯(lián)的方式增大單路輸出的電壓電流。

(2)逆變器：將太陽(yáng)能電池板陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為符合并網(wǎng)要求或?qū)嶋H使用的交流電，用于并網(wǎng)輸出或就地使用。

(3)儲(chǔ)能裝置：一般用蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，一方面可在無(wú)陽(yáng)光時(shí)持續(xù)供電，另一方面可對(duì)太陽(yáng)能輸出交流電的質(zhì)量進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)。

(4)監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控系統(tǒng)主要用于檢測(cè)和控制整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)計(jì)方案的不同，所配置的裝置設(shè)備也不盡相同，本文結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)，配置了數(shù)據(jù)采集器、數(shù)字通信管理機(jī)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

整體光伏發(fā)電及監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、數(shù)字管理機(jī)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)三部分組成。

(1)數(shù)據(jù)采集器：負(fù)責(zé)采集逆變器及環(huán)境監(jiān)測(cè)儀中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并下發(fā)對(duì)逆變器的控制指令，包括實(shí)時(shí)發(fā)電量、累計(jì)發(fā)電量、逆變器狀態(tài)、實(shí)時(shí)電流、電壓、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)以及逆變器開(kāi)關(guān)機(jī)指令。

(2)數(shù)字管理機(jī)：集成連接下位設(shè)備所需的多種驅(qū)動(dòng)及接口，用于接收數(shù)據(jù)采集器上發(fā)的數(shù)據(jù)、各配電柜中斷路器狀態(tài)數(shù)據(jù)、儲(chǔ)能系統(tǒng)上發(fā)的儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)以及下發(fā)對(duì)逆變器、斷路器、儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備等的控制指令。

(3)監(jiān)控計(jì)算機(jī)：其上位機(jī)監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)對(duì)采集到的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示存儲(chǔ)、對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行報(bào)警輸出、對(duì)控制指令進(jìn)行下發(fā)等工作。

基于Netcontrol的上位機(jī)監(jiān)控軟件的功能如圖1所示，包括用戶管理、通信IO管理、光伏發(fā)電監(jiān)控界面、設(shè)備遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)曲線顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)管理六大功能模塊。

圖1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電及監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 用戶管理

用戶管理模塊主要功能是管理用戶操作權(quán)限，Netcontrol中“用戶”與“安全區(qū)”配合使用，安全區(qū)是Netcontrol工程中有關(guān)操作控制安全的一種邏輯劃分單位。同一個(gè)安全區(qū)的安全控制要求是相同的，不同的安全區(qū)有不同的安全要求。用戶分“一般用戶”和“系統(tǒng)管理員”。“一般用戶”具有對(duì)指定安全區(qū)的操作權(quán)限，“系統(tǒng)管理員”除了具有對(duì)指定安全區(qū)的操作權(quán)限外，還可以管理一般用戶，在工程運(yùn)行期間增加、刪除和修改用戶。

本監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)定兩級(jí)操控權(quán)限：一般用戶通過(guò)設(shè)定，權(quán)限只限于查看畫(huà)面、數(shù)據(jù)等操作；高級(jí)用戶在一般用戶功能權(quán)限的基礎(chǔ)上增加對(duì)下位設(shè)備的操控權(quán)限，包括斷路器開(kāi)合閘、逆變器開(kāi)關(guān)機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電切換開(kāi)關(guān)操作等功能。通過(guò)設(shè)定兩個(gè)權(quán)限不同的安全區(qū)，再給對(duì)應(yīng)用戶指定安全區(qū)即可實(shí)現(xiàn)權(quán)限的劃分。設(shè)計(jì)流程如下：①建立兩級(jí)安全區(qū)；②為監(jiān)控界面操控按鈕分別指定安全區(qū)；③建立用戶并分別指定對(duì)應(yīng)級(jí)別的安全區(qū)。

2.2 通信IO管理

工程中的IO管理又稱設(shè)備管理，是Netcontrol工程與下位設(shè)備進(jìn)行連接設(shè)置模塊，通過(guò)不同方式進(jìn)行通信從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的功能。

該光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)中，與上位計(jì)算機(jī)直接通信的設(shè)備為數(shù)字管理機(jī)，上位計(jì)算機(jī)和數(shù)字管理機(jī)與以太網(wǎng)連接，上位機(jī)監(jiān)控軟件與下位數(shù)字管理機(jī)以IEC104規(guī)約進(jìn)行通信，數(shù)字管理機(jī)以Modbus、IEC103/104等規(guī)約與下位設(shè)備進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)通信鏈路如圖2所示。

圖2 IO數(shù)據(jù)通信鏈路

在Netcontrol中通過(guò)對(duì)通道參數(shù)與設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并建立好數(shù)據(jù)點(diǎn)表后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信。通道參數(shù)與設(shè)備參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示。

圖3 通信參數(shù)設(shè)置

2.3 光伏發(fā)電監(jiān)控人機(jī)界面

人機(jī)界面是工程運(yùn)行人員了解和控制監(jiān)控系統(tǒng)的主要途經(jīng)。界面的開(kāi)發(fā)就是繪制圖形畫(huà)面，來(lái)模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。畫(huà)面的基本構(gòu)成元素稱為“圖形”或“圖形對(duì)象”。

光伏發(fā)電監(jiān)控界面是用于查看光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)最直觀的方式，監(jiān)控界面包括系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖、實(shí)時(shí)發(fā)電參數(shù)、實(shí)時(shí)狀態(tài)指示模塊(指示燈)、畫(huà)面切換按鈕和設(shè)備操控按鈕等。從系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖上可直觀地看出整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理架構(gòu)。實(shí)時(shí)發(fā)電參數(shù)顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)電情況,狀態(tài)指示模塊指示當(dāng)前各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，一般包括開(kāi)狀態(tài)、關(guān)狀態(tài)、正常狀態(tài)和故障狀態(tài)四種模式。畫(huà)面切換按鈕用于在各監(jiān)控畫(huà)面之間進(jìn)行切換查看。設(shè)備操控按鈕用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，如逆變器開(kāi)關(guān)機(jī)、斷路器分合閘等。監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程如下：①新建畫(huà)面并調(diào)整尺寸、背景；②畫(huà)面布局劃分；③添加圖形對(duì)象；④配置圖形對(duì)象屬性。根據(jù)開(kāi)發(fā)流程所設(shè)計(jì)監(jiān)控畫(huà)面如圖4所示。

圖4 光伏發(fā)電監(jiān)控界面

2.4 設(shè)備遠(yuǎn)程操控

本光伏發(fā)電系統(tǒng)中主要可以遠(yuǎn)程操控的設(shè)備有逆變器、斷路器和儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電開(kāi)關(guān)，針對(duì)逆變器與斷路器開(kāi)關(guān)操作，采用直接在監(jiān)控界面點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)按鈕進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)。儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電開(kāi)關(guān)則采用了遠(yuǎn)程手動(dòng)開(kāi)關(guān)與自動(dòng)開(kāi)關(guān)兩種模式:手動(dòng)模式下，需操作員在監(jiān)控界面上以開(kāi)關(guān)逆變器和斷路器同樣的方法進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作;自動(dòng)模式下，無(wú)需人員干預(yù)，軟件自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前光照指數(shù)以及蓄電池現(xiàn)有電量進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行充放電開(kāi)關(guān)指令下發(fā)，手動(dòng)遠(yuǎn)程操控的實(shí)現(xiàn)方式是在按鈕事件中的左鍵點(diǎn)擊屬性中寫(xiě)入指定的變量賦值程序，給所要開(kāi)關(guān)的設(shè)備對(duì)應(yīng)工程變量賦值。自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)方法是在用戶程序的工程程序中根據(jù)控制邏輯寫(xiě)入對(duì)應(yīng)程序進(jìn)行控制。

2.5 數(shù)據(jù)曲線顯示

光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控軟件中數(shù)據(jù)曲線主要用于對(duì)歷史發(fā)電量進(jìn)行顯示分析，可按日、月、年進(jìn)行顯示，也可按所屬子系統(tǒng)支路進(jìn)行顯示分析。曲線數(shù)據(jù)顯示原理為將數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)根據(jù)指定條件進(jìn)行查詢，并將查詢結(jié)果以曲線的形式顯示到監(jiān)控畫(huà)面，設(shè)計(jì)流程如下：①添加數(shù)據(jù)曲線插件；②鏈接對(duì)應(yīng)變量；③調(diào)整曲線顯示屬性。

2.6 數(shù)據(jù)庫(kù)管理

數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊具有保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)、查詢歷史數(shù)據(jù)、刪除歷史數(shù)據(jù)和導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)等幾大功能。

數(shù)據(jù)保存：數(shù)據(jù)保存主要用于在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，保存光伏發(fā)電相關(guān)數(shù)據(jù)，以備后期查詢、統(tǒng)計(jì)和分析。數(shù)據(jù)保存設(shè)計(jì)流程如下：①在sqlserver中建立數(shù)據(jù)庫(kù)與表單；②Netcontrol 變量表中添加數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接；③設(shè)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)則。

歷史數(shù)據(jù)查詢：歷史數(shù)據(jù)查詢用于操作員與管理人員查看分析歷史發(fā)電數(shù)據(jù)與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)查詢界面設(shè)計(jì)流程如下：①添加查詢條件輸入、選擇控件；②添加數(shù)據(jù)庫(kù)顯示插件；③添加操控按鈕；④配置操控按鈕事件屬性。配置操控按鈕事件屬性：在操控按鈕事件左鍵點(diǎn)擊程序中寫(xiě)入結(jié)合查詢條件選擇和輸入框中相關(guān)條件的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)查詢操控指令程序，添加將輸出結(jié)果指定到所添加的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢界面的相關(guān)程序。

歷史數(shù)據(jù)刪除與導(dǎo)出：數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行一定時(shí)間后，由于數(shù)據(jù)不斷增多，磁盤(pán)可用空間將不斷減少，因此需設(shè)計(jì)相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)刪除策略，從而手動(dòng)或定期對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除操作，釋放磁盤(pán)空間。該光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)中根據(jù)實(shí)際需要，分別設(shè)置了手動(dòng)刪除歷史數(shù)據(jù)與定期自動(dòng)刪除歷史數(shù)據(jù),并且通過(guò)程序設(shè)定，在刪除之前進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出操作。數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)管理界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)管理界面

3 結(jié)束語(yǔ)

光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)說(shuō)，都是必不可少的一部分，本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目介紹了基于Netcontrol組態(tài)軟件的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)功能以及設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法步驟，基于組態(tài)軟件的監(jiān)控軟件二次開(kāi)發(fā)具有方便與高效的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，所開(kāi)發(fā)的光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。