基于物聯(lián)網(wǎng)的光儲微電網(wǎng)海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李 虎

（江蘇豐海新能源工程技術(shù)有限公司，江蘇 鹽城 224100）

0 引 言

隨著全球氣溫升高、氣候變暖、生活用水需求量不斷增加以及海水淡化技術(shù)的不斷提高，國家大力支持發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)外各類相關(guān)工程項目發(fā)展迅速，這對孤島海水淡化項目的配電系統(tǒng)化、信息化的要求也越來越高，其主要原因有兩方面：一是孤島電網(wǎng)建立困難；二是隨著海外項目的拓展，服務(wù)的實時性難以實現(xiàn)。為此，本文設(shè)計一套基于物聯(lián)網(wǎng)的光儲新能源海水淡化系統(tǒng)，通過各類關(guān)鍵技術(shù)及控制策略服務(wù)系統(tǒng)，解決了孤島海水淡化設(shè)備的用電、用水問題，同時通過物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控方式為設(shè)備的持久穩(wěn)定運行提供了重要保障[1-2]。

1 總體設(shè)計方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的光儲微電網(wǎng)海水淡化系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)等部分組成，物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端負(fù)責(zé)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程用戶分級管理、遠(yuǎn)程下載/上傳程序、報警信息微信推送等功能；光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)通過“光伏+儲能”組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)為設(shè)備提供電源；海水淡化系統(tǒng)實現(xiàn)對海水淡化設(shè)備的控制。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程終端

物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程終端包含遠(yuǎn)程通信模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦、遠(yuǎn)程監(jiān)控手機等部分。遠(yuǎn)程通信模塊通過RS 485 接口或TCP/IP網(wǎng)口與微電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦、手機通過云端服務(wù)器與微電網(wǎng)海水淡化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

2.1.2 光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)

光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)包含光伏組件、匯流箱、光伏控制器、儲能變流器、儲能電池簇、交流進(jìn)線柜、交流出線諧波控制柜、能量管理系統(tǒng)控制柜、消防系統(tǒng)等部分。光伏組件通過匯流箱匯集至光伏控制器；光伏控制器、儲能變流器、儲能電池簇相交于直流母線；儲能變流器、交流進(jìn)線柜相交于交流母線；交流出線諧波控制柜與交流母線負(fù)載側(cè)相連，并為能量管理系統(tǒng)控制柜、海水淡化系統(tǒng)、照明、空調(diào)、消防系統(tǒng)提供動力電源；能量管理系統(tǒng)控制柜內(nèi)交換機、服務(wù)器與各分布系統(tǒng)通過RS 485 接口或TCP/IP 接口連接，并采集主要斷路器的開關(guān)信號；微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)采用工業(yè)電腦作為系統(tǒng)控制核心。

2.1.3 海水淡化系統(tǒng)

海水淡化系統(tǒng)包含海水淡化系統(tǒng)配電控制柜、海水淡化設(shè)備等部分。海水淡化系統(tǒng)包含觸摸屏、PLC、變頻器、接觸器、電機保護(hù)器、交換機、開關(guān)電源、各類儀表等，用來實現(xiàn)海水淡化設(shè)備的配電、監(jiān)控、控制。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)云技術(shù)

工業(yè)云由微信公眾號、云監(jiān)控平臺、虛擬調(diào)試助手組成，工業(yè)云通過IoT 模塊連接現(xiàn)場設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。開發(fā)者可以自己根據(jù)需要創(chuàng)建各類事件；可以創(chuàng)建角色，由一個或者多個權(quán)限來管理系統(tǒng)；可以管理IoT 模塊，如添加或者刪除；可以創(chuàng)建多用戶賬號，當(dāng)創(chuàng)建用戶關(guān)注工業(yè)云微信公眾號后，可接受系統(tǒng)故障消息推送；可以遠(yuǎn)程下載/上傳用戶程序；可以遠(yuǎn)程監(jiān)測控制現(xiàn)場設(shè)備；可以通過PC、手機APP、手機微信客戶端登錄遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；可以實現(xiàn)通過PC、手機APP 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析；可以實現(xiàn)通過PC、手機APP 對實時/歷史曲線進(jìn)行分析。工業(yè)云技術(shù)的應(yīng)用將使得設(shè)備的調(diào)試、運行、維護(hù)更加實時、穩(wěn)定、安全[3]。

2.2.2 ModBus RTU 技術(shù)

ModBus RTU 協(xié)議是一種開放的串行協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的工業(yè)監(jiān)控設(shè)備中。該協(xié)議使用RS 232 或RS 485 串行接口進(jìn)行通信，并得到市場上幾乎所有SCADA、HMI、OPC 服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集軟件程序的支持。因此，很容易將ModBus 兼容設(shè)備集成到新的或現(xiàn)有的監(jiān)控應(yīng)用程序中，并獲得即時的軟件支持。微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的智能電表、空調(diào)、消防、光伏控制器通過ModBus RTU 協(xié)議與能量管理系統(tǒng)建立通信，從而實現(xiàn)對光伏功率的控制，以及對消防、空調(diào)的監(jiān)控[4]。

2.2.3 ModBus TCP/IP 技術(shù)

ModBus TCP/IP 是ModBus 協(xié)議的變體，將ModBus 協(xié)議運行在TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)上，連接端口是502，不需要校驗和計算，因為數(shù)據(jù)校驗在底層已經(jīng)完成。通過以太網(wǎng)與任何已安裝的以太網(wǎng)設(shè)備完全兼容。微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的海水淡化系統(tǒng)、以太網(wǎng)IO 采集模塊、儲能變流器、鋰電池BMS 管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程終端模塊都是通過ModBus TCP/IP 協(xié)議與能量管理系統(tǒng)建立通信，從而實現(xiàn)各類IO 信號采集、交直流母線的建立和控制以及海水淡化系統(tǒng)與微電網(wǎng)系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制[5]。

2.2.4 S7 0NLINE 協(xié)議

S7 協(xié)議是西門子S7 系列工控產(chǎn)品之間使用的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，S7 系列的所有工控產(chǎn)品都通過此協(xié)議建立通信連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。海水淡化控制系統(tǒng)1200PLC 與海水淡化HMI 及微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)上位機WINCC 軟件通過S7 0NLINE 協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)控及聯(lián)鎖控制[6]。

2.2.5 WINCC 全局腳本

WINCC 是西門子上位機開發(fā)軟件，支持與基于RJ 45接口及RS 485 接口的各分布系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行通信。全局腳本可實現(xiàn)各分布系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)運算，WINCC 的全局腳本由全局腳本編輯器實現(xiàn)，可以編寫C 腳本和B 腳本，由開發(fā)者根據(jù)自己的開發(fā)習(xí)慣編寫，如圖2 所示。本系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)內(nèi)各分布系統(tǒng)之間的控制策略、數(shù)據(jù)交換需要在上位機WINCC 軟件中通過全局腳本編程實現(xiàn)[7]。

圖2 全局腳本編輯器

2.2.6 梯形圖語言

梯形圖語言是一種面向過程的編程語言，是PLC 編程開發(fā)者最常用的一種語言，梯形圖是在繼電器與接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡化演變而來，更加形象、直觀，便于開發(fā)者使用，是目前二次開發(fā)使用最多的一種PLC 編程語言。海水淡化控制系統(tǒng)對各類負(fù)載的監(jiān)控、控制邏輯需要通過梯形圖語言來實現(xiàn)。

2.2.7 SCL 語言

SCL 語言是一種用于S7 自動化系統(tǒng)的高級編程語言。使用SCL 語言編程，可以簡化復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)交換和步序結(jié)構(gòu)等編程工作。本系統(tǒng)通過SCL 語言實現(xiàn)海水淡化系統(tǒng)的步序控制及數(shù)據(jù)運算。

2.2.8 交流變頻技術(shù)

交流變頻技術(shù)是一種把固定頻率交流電變成直流電后再逆變成不同頻率的交流電的技術(shù)，可以與微電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)鎖，同時根據(jù)工藝的需要調(diào)整頻率也可以達(dá)到節(jié)能的效果。變頻技術(shù)能夠消除電動機啟動電流對微電網(wǎng)的沖擊以及泵類負(fù)載的水錘效應(yīng)，降低了機械磨損，延長了電機的使用壽命。

2.3 系統(tǒng)控制策略

海島微電網(wǎng)海水淡化系統(tǒng)，由于受到缺電缺水的影響，一般工作在離網(wǎng)模式，由新能源為海水淡化系統(tǒng)提供電源，但是由于太陽能的間歇性、隨機性等不可控因素影響，系統(tǒng)發(fā)電輸出功率始終處于變化之中。因此，需要能量管理系統(tǒng)對發(fā)電功率、負(fù)載功率以及儲能電池充放電進(jìn)行管理和控制。具體控制流程如圖3 所示。

圖3 控制流程

2.3.1 新能源微電網(wǎng)建立與運行

系統(tǒng)由儲能變流器和儲能電池簇建立微電網(wǎng)的頻率和電壓參考[8]，鋰電池管理系統(tǒng)工作后建立直流母線，儲能逆變器工作后建立交流母線，光伏投入后為微電網(wǎng)持續(xù)提供新能源電源，微電網(wǎng)為海水淡化系統(tǒng)提供動力電源，能量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個新能源微電網(wǎng)海水淡化系統(tǒng)的監(jiān)控及協(xié)調(diào)控制[9-11]。

2.3.2 海水淡化負(fù)載投切

海水淡化系統(tǒng)采用反滲透控制技術(shù)，系統(tǒng)需要通過泵輸出高壓來實現(xiàn)海水反滲透淡化，泵的投入和切出對微電網(wǎng)的沖擊較大，采用變頻技術(shù)后通過能量管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制光伏和儲能的出力，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3 工程應(yīng)用及效果

本系統(tǒng)設(shè)計方案已應(yīng)用在我司為援助馬爾代夫開發(fā)、設(shè)計、集成的新能源微電網(wǎng)海水淡化項目，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主頁面如圖4 所示?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)并結(jié)合項目地光資源數(shù)據(jù)及水質(zhì)檢測報告設(shè)計日產(chǎn)200 t 光儲微電網(wǎng)海水淡化系統(tǒng)，系統(tǒng)已于2022 年年底安裝調(diào)試成功，至今運行穩(wěn)定，供電和產(chǎn)水質(zhì)量符合當(dāng)?shù)匾螅^好地保障了島民的生產(chǎn)用水需求。

圖4 系統(tǒng)主頁面

4 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)、海水淡化技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)合我司孤島海水淡化項目的工程經(jīng)驗，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“光伏+儲能”的新能源微電網(wǎng)海水淡化系統(tǒng)十分必要。本文對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)以及控制策略進(jìn)行了分析，并將設(shè)計方案應(yīng)用到實際工程項目中；將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及海水淡化技術(shù)相結(jié)合，建立了各級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，融合多種通信方式，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了運行維護(hù)成本，具有一定的推廣意義。