基于风光互补发电实验平台的监控系统

基于风光互补发电实验平台的监控系统
本文针对风光互补发电实验平台，对基于PLC的风/光/蓄一体的集中监控系统进行设计.其功能主要是对系统运行参数进行实时监控，包括采集和监测风光互补发电系统的运行情况，并将风光互补发电系统的运行数据实时记录和储存，使风光互补发电系统各部分协调、稳定工作，完成相应的各种功能，达到教学实验的目的。

标签：风;光;发电;实验;监控
1 引言
近年来，风能和太阳能的利用技术发展迅速，10年前，世界风光发电总功率不到100万kW，如今已超，过1000万kW。

据估计，20年内风光发电将可满足世界电力需求的10%，成为21世纪主要的能源之一[1]。

世界各国都对新型能源进行了深入的研究和开发。

风能和太阳能被认为是最具有代表性的新能源和可再生能源，二者在时间和季节上具有很强的互补性，将其结合起来，就可以很好地实现能量转化性价比与工作可靠性的兼顾，风光互补发电模式应运而生。

风光互补发电系统一般都属于独立的电源系统，分布非常分散，而新能源发电监控技术的发展给这些基站提供了一个安全、稳定、可靠的运行环境。

配备成本低廉、性能完善、操作简单的监控系统是风光互补发电系统发展的必然趋势[2-4]。

基于风光互补发电的实验教学系统，本文采用组态王对监控系统进行设计，与实验系统的各部分相结合，来及时有效的获得系统的运行参数，保证系统稳定工作。

试验者可根据监控系统提供的可视化监控画面，进行实时现场监控。

2 整体结构
本文所叙述的风光互补发电系统结构如图1所示。

它主要由太阳能光伏电池组、风力发电机组、风光互补控制器、逆变器、蓄电池组、交流负载、直流负载组成。

图1 风光互补发电系统结构图
Figure 1 Wind and solar power generation system structure
（1）风力发电部分是利用风力机捕获风能并将其转换为机械能，然后通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池进行充电。

（2）光伏发电部分利用太阳能光伏阵列的光伏效应将光能转换为电能，在通过控制器对铅酸蓄电池进行充电。

（3）逆变器部分的作用是将蓄电池输出的24V直流电转化成交流电能供交
流负载使用。

（4）控制器部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，协调风力发电机组、光伏阵列的最大功率跟踪，并实现对蓄电池的充放电控制、过充过放保护等功能。

（5）蓄电池部分由多块蓄电池组成，起到能量调节和平衡负载两大作用。

（6）负载分为直流负载和交流负载[5]。

负载所需要的电能都是由蓄電池提供。

3 监控系统
风光互补发电监控系统的主要功能：第一是能够及时有效的获得有关风光互补发电系统的运行参数，然后将所采集到相关的信息进行分析处理，从而实现对风光互补发电系统工作状况的有效管理及控制，使风光互补发电系统能够长期工作在稳定的状态[6];第二是能够对风力发电系统与光伏发电系统各自的发电量按照一定的周期进行统计，并分析风力发电和光伏发电各自的运行状况，为风力发电子系统和光伏发电子系统的能量控制策略的设计提供数据支持。

在风光互补发电实验系统中，利用上述的监控的系统的功能，来保证系统各部分有效、稳定地完成各种功能和教学实验，如太阳能发电原理实验、太阳能跟踪系统实验、光照强度变化对光伏发电影响实验、风能发电原理实验、风力发电最大功率跟踪实验、风光互补发电系统实验等。

3.1硬件设计
监控系统硬件部分主要由上位机、PLC、传感器、继电器、现场设备、控制设备组成，其现场设备与监控系统连接头如图2所示。

现场设备包括光源模拟器和外接负载。

上位机是基于PC的协调管理层，下位机是基于PLC的监控层，上位机与下位机之间通过485总线连接。

图2 现场设备与监控系统连接图
Figure 2 Field devices and monitoring system connection diagram
（1）风光互补控制策略
风光互补发电监控系统的协调控制策略是建立在风光互补发电系统的运行状况的基础上，其控制过程包括数据采集和能量管理两大部分。

其中数据采集部分是通过各种外接传感器检测实现的，其中包括电流传感器、电压传感器、霍尔元件传感器、光照强度传感器等，上位机监控软件将所采集的数据进行显示及存储。

控制系统将所采集的实时数据信息进行汇总分析处理
后，再通过判断采取所对应的控制策略，通过对现场设备发出控制信号，保证风光互补发电系统正常工作。

风光互补监控系统具体协调控制策略如图3所示，其中ΔP为风光互补发电系统输出总功率与系统所外接的负载的总功率之差。

当风光互补发电系统的总的输出功率大于负载所需要的功率情况下，可以逐步接入被切出的负载，此时若蓄电池处于未充满的状态下，一部分电能可以对蓄电池充电，如果还有多余的电能可以通过接入卸载电阻将其消耗掉;
当风光互补发电系统总的输出总功率与接入负载所需要的功率正好相等时，系统会正常供电不需要做任何的调整;
当风光互补发电系统总的输出总功率小于负载所需要的功率时，此时则需要使用蓄电池进行辅助供电;
当风光互补发电系统总的输出总功率和蓄电池容量都不能满足负载所需要的功率时，这时需要根据负载的等级逐级切出负载，一般情况下要优先保证高级别负载的供电;
当负载被逐级切出后，蓄电池开始充电，当蓄电池电压到达充浮电压时，系统会逐级接入相应的负载。

（2）下位机
在本系统中下位机采用的西门子S7-200系列PLC。

其中PLC采用的型号为TrustPLC CTS7-200，包括一个CPU模块和3个模拟量输入模块。

CPU采用的型号为CPU226M，集成一个PPI，1个PPI/FPORT，一个FPORT，14DI/14D0共24个数字量I/O，程序空间可扩充至110KB，6个独立的30KHz高数计数器，2路独立20KHz高速脉冲输出。

模拟量输入模块采用的型号是EM231，EM231有8路16位精度模拟量输入，光电隔离，电压型号输入。

3.2监控软件设计
监控系统的软件部分可以根据系统的要求自行开发设计，但是过程繁琐，耗时较长，而组态王是Microsoft Windows7 /NT平台上的人机界面软件（HMI），窗口结构简单，操作简便易学易用，并且软件运行可靠性强。

采用组态软件开发工业监控工程，大大减少了工控软件开发者的重复性工作，并可运用PC机丰富的软件资源进行二次开发。

因此，本实验教学系统采用组态王对监控系统进行设计。

根据组态王使用手册建立应用工程，具体步骤不再赘述。

图3 协调控制策略
Figure 3 coordinated control strategy本系统使用的外部硬件设备为PLC，主
要使用的工程变量是内存变量和I/O变量，采用串口通信方式实现组态王与I/O 设备之间的数据交换，通过PPI编程电缆与PLC进行通信。

3.3功能与主界面
设计完成，将上位机软件与下位机正确连接，然后进入组态王运行系统，对所设计的软件进行调试，修改设计中的错误。

运行时系统主界面，见图4。

图4 监控系统主界面
Figure 4 the main interface of monitoring system
1、数据查询
数据查询包括实时数据查询和历史数据查询，既能查看当前运行结果，输入日期时间也能查看到历史数据，采集的主要参数有风机电压、光伏板电压、蓄电池电压及温度，见图5。

图5 实时数据查询与歷史数据查询
Figure 5 demonstration of data query
2、报警窗口
本系统的监控软件能够对系统运行的数据以报表或者图形的形式显示。

当蓄电池充电达到其容量的80%或当蓄电池电压过低时，监测系统会报警并形成完整的报警记录，包括每一次报警事件的时间、类型，也能明确故障，恢复系统。

下图为系统正常运行时报警窗口的显示。

图6 报警实验演示
Figure 6 demonstration of the alarm
3、远程控制
为了方便实验教学使用，需要将远程控制应用于监控系统中，可以在PC端对上午、中午和下午模拟光源及交直流负载的开关进行控制。

（见下表7）
图7 远程控制界面
Figure 7 demonstration of the telecontrol
4、实时及历史曲线
本系统主要运用了组态王的趋势曲线，分为实时趋势曲线和历史趋势曲线两种。

通过实时及历史曲线，可以及时查看光伏电池组的输出电压和输出电流、风力发电机组的输出电压及转速，从而更好的了解系统的稳定性。

4 结束语
本文以组态王软件为平台，设计并开发出了风/光/蓄为一体的集中监控系统。

该系统可以对风光互补发电系统运行的数据进行采集，在上位机监控软件上显示并存储。

同时也可以对所采集的数据进行判断，来设计与之相对应的能量控制策略，从而提高风光互补发电系统的稳定性和可靠性。

参考文献：
[1] 洪亮.浅析新能源在油田开发企业的开发与利用. 无线互联科技.2013（5）
[2] 李凯，徐勇，邹见效，郑宏.离网型风光互补发电系统实验平台设计.实验室研究与探索，2013，32（10）
[3] 张鹏飞，张子亮，张鹏等.小型风光互补发电演示装置.物理实验，2012，32（1）
[4] 赵艳斌，齐向东.基于PLC的风光互补独立发电系统研究.机械工程与自动化，2012（3）：164～16
[5] 陈亚爱，金雍奥.风光互补发电系统控制技术综述.电气传动.2012，42（1）：3-6
[6] 刘伟，赵锦成，解璞.基于组态王的风光混合发电监控系统设计.移动电源与车辆，2010（3）
项目来源：中央地方共建项目
1、刘冬雪（1993—），女，辽宁人，南京师范大学2011级本科生，专业：工业电气自动化。

2、王苗（1992—），女，河北人，南京师范大学2011级本科生，专业：电气技术与工业控制。

3、沈聿农（1960—），男，江苏人，南京师范大学电气与自动化工程学院副教授，研究方向：电气工程及其自动化。

4、张媛媛（1989—），女，江苏人，南京师范大学2012级研究生，研究方向：电力电子与电力传动。