基于WinCC的光伏并網(wǎng)發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王子敬

菏澤職業(yè)學(xué)院 山東菏澤 274000

社會(huì)發(fā)展離不開化石能源的巨大支撐作用[1]，其使用消耗的同時(shí)也對自然環(huán)境造成無法估量的污染，且一旦使用將不可再生，目前，太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿惹鍧嵖稍偕茉吹拈_發(fā)利用越來越受到人們的重視[2-3]。隨著國家全面實(shí)施新能源發(fā)展戰(zhàn)略，新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其中太陽能的開發(fā)尤為突出。光伏發(fā)電站建設(shè)作為國家扶貧項(xiàng)目之一，又大大推動(dòng)了光伏相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前，在貧困地區(qū)，光伏并網(wǎng)發(fā)電站隨處可見，其一方面生產(chǎn)的電能可以自用，另一方面多余的電能經(jīng)過處理后輸送到電網(wǎng)，獲得經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼。為了保證光伏并網(wǎng)發(fā)電站的長期安全穩(wěn)定工作，并能有效降低運(yùn)行維護(hù)成本，本文提出一種利用西門子組態(tài)軟件WinCC為監(jiān)控界面開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合西門子旗下SIMATIC S7-300作為控制器，實(shí)現(xiàn)對光伏并網(wǎng)發(fā)電站的工作狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程/本地控制。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電站設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電站的類型主要有離網(wǎng)式和并網(wǎng)式兩種[4]；光伏并網(wǎng)發(fā)電站的工作原理是太陽光照射在太陽能電池組件上，太陽能電池組件輸出直流電，經(jīng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制、并網(wǎng)逆變器后，逆變產(chǎn)生所需交流電，供交流負(fù)載使用，多余的電能經(jīng)處理后可反饋輸送到電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電站結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[5]。

光伏并網(wǎng)發(fā)電站的設(shè)計(jì)采用獨(dú)立單元發(fā)電和集中變壓的方法，其中獨(dú)立發(fā)電組采用固定傾角式、跟蹤式相結(jié)合的安裝方式，該系統(tǒng)分為7個(gè)6千瓦和6個(gè)3千瓦光伏并網(wǎng)發(fā)電組分別發(fā)電，產(chǎn)生的直流電先傳輸?shù)焦夥疥嚪览讌R流箱再經(jīng)過直流配電柜，最后經(jīng)逆變器和交流防雷配電柜并入變壓配電裝置后輸送到公共電網(wǎng)[6]。光伏組件配置見表1所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)分為用戶層、數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)層和設(shè)備層。光伏并網(wǎng)發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)層次示意圖見圖 3所示。

在圖2中，監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要有監(jiān)控站、西門子SIMATIC S7-300控制器、氣象站以及數(shù)據(jù)采集裝置、控制裝置。

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由SIMATIC S7-300控制和數(shù)據(jù)采集的數(shù)字量54個(gè)，模擬量38個(gè)，10個(gè)固定傾角式和3個(gè)旋轉(zhuǎn)式的光伏發(fā)電單元，每個(gè)固定式獨(dú)立光伏發(fā)電單元由3個(gè)運(yùn)行指示燈、故障指示燈、停止指示燈，3個(gè)按鈕開關(guān)，1個(gè)并網(wǎng)逆變器；每種旋轉(zhuǎn)式都由5個(gè)接近開關(guān)，2個(gè)光線傳感器，1個(gè)并網(wǎng)逆變器；1個(gè)雙向電能表。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電站結(jié)構(gòu)示意圖

表1 光伏組件配置表

表2 氣象站部分I/0量控制對象和地址分配表

圖2 光伏并網(wǎng)發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)層次示意圖

氣象站實(shí)時(shí)提供每天的風(fēng)速、風(fēng)向、光照強(qiáng)度、溫濕度，主要有風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、光線傳感器[7]。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，將電信號(hào)處理為標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)傳輸?shù)絊IMATIC S7-300的模擬量通道上，經(jīng)過內(nèi)部程序處理，這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定的內(nèi)部寄存器上，最后通過工業(yè)以太網(wǎng)通信傳輸?shù)奖O(jiān)控站客戶端，當(dāng)某個(gè)氣象數(shù)據(jù)超過或低于設(shè)置極限值時(shí)，監(jiān)控站就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并做出相應(yīng)的動(dòng)作，除了在監(jiān)控站看到報(bào)警信息外，還可以觀察到其運(yùn)行指示燈、故障指示燈。根據(jù)氣象站的控制I/O信號(hào)類型，模擬量4個(gè)，數(shù)字量24個(gè)。氣象站部分I/0量控制對象和地址分配表如表2所示。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

光伏并網(wǎng)發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要包括SIMATIC S7-300控制器和WinCC組態(tài)軟件，兩者通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3（Ethernet）的強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)單元，可以滿足整個(gè)光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)各層次的應(yīng)用[8]。

3.1 SIMATIC S7-300 控制器

裝載STEP7編程軟件的計(jì)算機(jī)構(gòu)成編程器，通過編程器完成項(xiàng)目創(chuàng)建、通信設(shè)置、站點(diǎn)硬件設(shè)置、變量編輯、控制程序編寫仿真調(diào)試。PLC程序主要有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集處理傳輸程序、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)保護(hù)程序、旋轉(zhuǎn)式光伏發(fā)電單元自動(dòng)控制程序三種。比如：旋轉(zhuǎn)式光伏發(fā)電單元根據(jù)氣象站提供的光照強(qiáng)度、溫度、風(fēng)速及風(fēng)向來對其所旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，旋轉(zhuǎn)位置的控制主要考慮到其工作效率和安全，當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)向在安全的范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)以光照強(qiáng)度為第一控制量，也是主控制量，風(fēng)速和風(fēng)向作為第二控制量和第三控制量，當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)向超過極限值時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度以風(fēng)速和風(fēng)向?yàn)橹骺刂屏?，在保證旋轉(zhuǎn)式光伏并網(wǎng)發(fā)電單元安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，使其每天的發(fā)電效率達(dá)到最優(yōu)。

3.2 WinCC組態(tài)軟件

WinCC是基于PC的HMI操作系統(tǒng)，其中包含圖形運(yùn)行系統(tǒng)、報(bào)警消息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)以及腳本系統(tǒng)等6個(gè)基本的操作可視化系統(tǒng)[9]，運(yùn)行高效、開放且易于擴(kuò)展，適用于各種行業(yè)的生產(chǎn)過程、機(jī)器設(shè)備和工廠進(jìn)行可視化及操作控制過程。

通過WinCC組態(tài)軟件主要完成項(xiàng)目創(chuàng)建、通信組態(tài)、變量編輯、監(jiān)控畫面組態(tài)、歸檔和顯示值設(shè)置工作、輸出過程歸檔中的值的設(shè)置工作、消息組態(tài)。監(jiān)控畫面組態(tài)，包括一個(gè)主界面組態(tài)和5個(gè)副界面組態(tài)。主界面可以顯示出整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電站的全部單元結(jié)構(gòu)和全部儀表的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)等信息；5個(gè)副界面分別有光伏并網(wǎng)發(fā)電站的儀表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化趨勢界面（電壓、電流、日發(fā)電量、周發(fā)電量、月發(fā)電量、電功率）、極限報(bào)警界面、氣象數(shù)據(jù)界面、旋轉(zhuǎn)式光伏發(fā)電單元的實(shí)時(shí)位置變化界面以及各項(xiàng)數(shù)據(jù)報(bào)表的輸出打印界面，5個(gè)副界面的跳轉(zhuǎn)，可以通過在主界面中設(shè)置跳轉(zhuǎn)按鈕。

4 結(jié)語

基于WinCC光伏并網(wǎng)發(fā)電站監(jiān)控系統(tǒng)是在光伏并網(wǎng)發(fā)電站的基礎(chǔ)上，利用西門子組態(tài)軟件WinCC與西門子SIMATIC S7-300控制器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電站的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與控制。經(jīng)過整個(gè)系統(tǒng)的仿真調(diào)試后，系統(tǒng)運(yùn)行良好，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的效果。下一步，將繼續(xù)優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)功能，并通過WinCC/Web Navigator功能發(fā)布監(jiān)控過程界面，用戶不在局限于工業(yè)以太網(wǎng)范圍內(nèi)訪問數(shù)據(jù)，這樣可以更加方便的使更多的用戶訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)。