一种基于风光互补发电的物联网远程监控系统

一种基于风光互补发电的物联网远程监控系统（共4篇）

篇1：一种基于风光互补发电的物联网远程监控系统

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一种基于风光互补发电的物联网远程监控系统

作者：郭栋 徐欣 杨根科 田作华 朱青山

来源：《现代电子技术》2013年第01期

摘 要：针对远程运行的风光互补发电系统，提出基于视频监控、射频通信、GPRS传输、数据库应用及图形化LabVIEW编程的物联网远程监控系统，重点介绍了系统各模块的硬件设计、软件设计，数据的传输流程以及服务器数据库的配置、客户端软件的实现。该系统实际应用于风光互补发电系统中，可实时同步测量显示风光互补发电过程的各种数据，存储的数据库信息可以为日后的科学研究提供依据，为风光发电技术的改进与提高奠定了基础。关键词：风光互补； 物联网； 监控系统； LabVIEW

篇2：一种基于风光互补发电的物联网远程监控系统

关键词：风光互补发电,控制器,逆变器

由于风能、太阳能资源的局限性, 需要能满足大部分地区使用的风光互补发电系统, 以确保最大限度地使用可再生清洁能源, 因此具有很好的应用前景[1,2]。近年来国家大力倡导新能源发电, 研究一种小型离网风光互补发电系统对于一些偏远地区或者小型船舶用电等具有很好的经济和社会意义。

一、小型离网风光互补发电系统设计

小型离网型风光互补发电系统组成如图1所示, 由光伏电池板、风力发电机、风光互补发电控制器、蓄电池、逆变器组成。

光伏太阳能电池板与风力发电机均采用直流输出形式, 风光互补发电控制器起到控制光伏、风力发电对蓄电池充电作用, 逆变器将蓄电池储能转换成220VAC, 供负载使用。

二、小型离网风光互补发电系统关键技术研究

1、风光互补发电控制器关键技术

风光互补发电控制器实现对电池电压、光伏发电电压、风力发电电压的采样, 根据电池电压及发电电压, 采用微控制器进行PWM调制技术, 对蓄电池进行充电, 从而保护蓄电池。当蓄电池充满, 自动切断充电;当电池放电欠压时, 切断输出避免保护蓄电池过放。

电池电压和风力/光伏电压采样电路如图2所示, BATIN+和BATIN-分别为蓄电池正负极, WSIN+和WSIN-分别为光伏、风力发电输出电压正负极, 通过运放电路, 进行信号处理, BAT_DV和WS_DV均接到微处理器的AD输入进行采样。

充电控制电路如图3所示, 通过以上采样电路测得电池电压与光伏/风力发电输出电压, 微处理器通过IR2110芯片控制电力电子器件MOS管IRF2807S对蓄电池进行充电。当蓄电池需要充电时, 光伏发电电压大时, PWM占空比小, 光伏发电电压小时, PWM占空比大, 使得输出有效电压不超过蓄电池充电允许电压;当蓄电池充满时, 则不对蓄电池进行充电, 从而起到过充保护作用。

放电保护电路如图4所示, 当蓄电池电压过低时候, 微控制器通过SVP端子控制继电器断开, 输出端子LOAD断开, 停止给逆变器供电, 从而起到过放保护作用, 有效保护蓄电池。

为了实现对蓄电池充电电流、电压以及放电电流、电压的实时监控, 除了电压检测电路, 设计了充电电流、放电电流检测电路, 如图5所示, 充电电流和放电电流通过充电控制电路中的R4、R6和放电电路中的R5、R7进行采样, 进而通过运放进行放大, 供微控制器AD采样。此外, 为了实现监控, 风光互补发电控制器需要设计485通讯接口电路, 从而采用工控机485通信协议读取各项参数。

2、逆变器关键技术

逆变器由微控制器、升压电路、逆变电路组成。其中升压电路输入为蓄电池输出电压12VDC, 升压电路产生311VDC电压, 供后续逆变电路使用。微控制器产生4路PWM分别控制驱动芯片IR2110, 进而控制H桥 (如图6所示) , 从而产生220VAC电压, 经过电容、电感滤波, 输出质量相对较好的工频交流输出信号。

由于电力电子器件存在切换时间, 所以输出的220VAC存在死区时间, 可以利用工控机通过485通信方式设置死区时间。此外, 也可以设置调制比, 使得输出幅值为220VAC。

三、基于工控机的监控界面设计

监控采用工控机与风光互补发电控制器、逆变器进行通信, 采用力控组态软件进行设计, 从而实现对光伏发电电压电流、风力发电电压电流、蓄电池充电电压电流、蓄电池放电电压电流的采样, 并对逆变器输出波形质量进行控制。监控界面如图7所示。

四、结束语

经过调试, 所研究的风光互补发电控制器、逆变控制器关键技术的应用结合工控机进行监控, 基本实现了对风光互补发电的测控任务, 具有很好的实际意义和应用价值。

参考文献

[1]贺炜.风光互补发电系统的应用展望[J].上海电力, 2008 (2) :134-138.

篇3：一种基于风光互补发电的物联网远程监控系统

随着经济的快速发展和电力需求的增长,以及受能源危机的影响,分布式能源作为一种新型能源受到越来越多人们的关注。其中,风能和光伏作为清洁能源,并因获取相对容易,得到各国的广泛深入研究。同时,由于风能和光伏具有互补的特性,风光互补发电广泛用于各个领域,尤其在一些电能缺乏的偏远地区。但由于偏远地区环境恶劣,人员实时巡检存在一定的困难[1]。因此,在远离现场的情况下,对风光互补发电系统进行实时精确的监测控制,保障系统安全稳定的运行就显的十分重要。

针对上述问题,本文提出了一套基于Lab VIEW的风光互补发电监控系统,该系统具有实时监测,报警保护,电源点切换以及数据存储等功能,对于减少运行人员的工作量与对系统可靠性、安全性的提高均有实质性的效果[2,3]。

1监测系统的硬件架构

1.1系统的硬件结构

本风光互补发电系统实际应用于北京某高校自动化实训室内。本系统硬件主要由单晶硅太阳能电池板, 水平风力发电机,光伏控制器,风机控制器,铅酸蓄电池,单相逆变器以及数据采集系统(风速风向传感器, 温度传感器,光照强度传感器,电压电流功率变送器和数据采集卡)等组成。

系统的硬件结构图如图1所示。

系统内主要器件的型号参数如下:

风力发电机:型号为FD6.0-5KW,额定功率为5k W,输出电压220V,额定风速8m/s;

太阳能电池板:每块PV板的额定功率100W,最大工作电压18V。共用54块PV板三组并联,每组分别用18块串联的方式进行连接;

蓄电池 : 单块蓄电 池额定电 压为1 2 V , 容量200AH,采用18块蓄电池串联的方式连接;

风机控制器:型号为WW50-216-N02,额定功率为5k W,额定输出电压216V,带有485通讯接口;

光伏控制器:型号为WS54-216-N02,额定功率为5.4k W,额定输出电压为216V,带有485通讯接口;

逆变器:型号为WI100-220,额定输出容量为1 0 k V A ,额定蓄电池电压为2 1 6 V ,额定输出电压为220V的单相电,带有485通讯接口。

在这个系统中,风力发电机,太阳能电池板通过控制器互补性地给蓄电池组进行充电,蓄电池通过单相逆变器供给交流负载使用,同时后级接一个额定电压为12V的整流器,为系统中的各个传感器和数据采集卡以及其他直流负载提供能源。风机、光伏控制器还有离网型逆变器均带有485通讯接口,将采集到的风机和光伏板端的电压电流信号、蓄电池两端的电压信号以及逆变器的输出功率信号传送给上位机,同时蓄电池端的温度传感器,室外的风速风向和温度传感器通过数据采集卡,将信号传送给上位机。上位机对采集到的信号进行处理后,将各个参数显示在PC机上,同时通过运算判断,做出相应的报警保护或者电源切换等操作。

1.2系统监测的物理量

系统需要监测的物理量如下。

1)对风力发电机发电端需要监测的物理量有,室外的实时风速风向,风能控制器的输出电压、电流、功率。通过这些数据可以得到当地的风力资源情况,风能与充电功率的对应关系,并且当风速过快时,进行报警刹车保护。

2)对太阳能电池板发电端需要监测的物理量有, 室外温度、光伏板表面温度和光照强度,以及光伏控制器输出的电压、电流、功率。通过这些数据可以得到当地的太阳能资源情况,太阳能与充电功率的对应关系。

3)对蓄电池表面的温度,蓄电池两端的电压,蓄电池的冲放电电流进行监测。可以监控蓄电池的实时状态,当蓄电池温度过高时,进行报警保护。

4)对逆变器的输入电压、电流,输出电压、电流进行监测,可以得到逆变器的转换效率特性。同时为逆变器进行风光、市电的电源点切换,提供直观可靠的依据。

1.3系统通讯的设计

本系统的通讯采用RS485接口,该方式结构简单、 通讯可靠、成本低廉。RS485通讯的拓扑结构主要有总线型、星型和树型结构。本系统采用总线型结构,因为这种结构具有传输可靠性高,结构简单的优点。而且系统和监控室距离远,采用总线型可延长传输距离,保证传输质量。

通讯结构图如图2所示。

2监测系统软件设计

2.1编程环境

本系统采用Lab VIEW软件进行上位机编程, Lab VIEW软件是美国NI公司研制的程序开发环境,它是一图形化的软件集成开发环境,内置有强大的信号采集、测量分析和网络分析等功能。该系统有友好的人机界面,方便对之进行维护与功能扩展。

2.2通讯协议

本系统采用标准的RS485 Mod Bus RTU通讯协议, 通讯波特率为9600,无校验,8位数据位,1位停止位。 采用校验和的校验方法,对从地址位开始到校验位之前的所有数据进行求和校验。

此系统采用上位机发送一条查询指令,下位机接受并返回指令的方式进行通讯。

文章以太阳能控制器为例进行说明,它的通讯帧格式如表1和表2所示。

字节含义:

帧头:0x EB 0x90 0x EB 0x90,4字节。

地址:1字节,具体地址可以自己设置。本系统中光伏控制器的地址设置为1,风机控制器的地址设置为2,逆变器的地址设置为3。

类型:表示本帧命令类型。0x00代表读数据,0x06代表回传数据。

数据长度:1字节,包括有效数据的长度。光伏控制器、风机控制器、逆变器的数据长度分别为11、11、15。

DATE 1—DATE X:为数据,共X字节。含义分别如下:

1)光伏控制器:

(1)上位机向光伏控制器查询命令的数据含义:

DATE1:0x01代表太阳能电池板给蓄电池充电。 0x02代表切断太阳能电池板的充电状态。

DATE2~DATE11:均为0x00,向下位机发送读数据命令帧。

(2)光伏控制器应答命令的数据含义:

DATE 1:0x01代表太阳能电池板处于给蓄电池充电的状态。0x02代表太阳能电池板处于给蓄电池非充电状态。

DATE2:0x01代表蓄电池处于正常状态。0x02代表蓄电池处于过电压状态。0x03代表蓄电池欠电压状态。

DATE3~4DATE:代表蓄电池的电压值。DATE5~6DATE代表光伏板的输出电压。DATE7~8DATE代表光伏板的充电电流。DATE9~DATE11代表光伏板的充电功率。

2)风机控制器:

(1)上位机向风机控制器查询命令的数据含义:

D A T E 1 : 0 x 0 1代表风力发电机给蓄电池充电。 0x02代表对风机刹车,切断对蓄电池的充电状态。

DATE2~DATE11:均为0x00,向下位机发送读数据命令帧。

(2)风机控制器应答命令的数据含义:

DATE1:0x01代表风力发电机处于给蓄电池充电的状态。0x02代表风机处于刹车状态,处于给蓄电池非充电状态。

DATE2:0x01代表蓄电池处于正常状态。0x02代表蓄电池处于过电压状态。0x03代表蓄电池欠电压状态。

DATE3~DATE4:代表蓄电池的电压值。DATE5-6代表风力发电机的输出电压。DATE7~DATE8代表风力发电机的充电电流。DATE9~DATE11代表风力发电机的充电功率。

3)逆变器:

(1)上位机向逆变器查询命令的数据含义

DATE1:0x01代表蓄电池组作为逆变器的电源输入端。0x02代表切断蓄电池组的输入,由市电给负载供电。

DATE2~DATE11:均为0x00,向下位机发送读数据命令帧。

(2)逆变器应答命令的数据含义:

DATE1:0x01代表逆变器处于蓄电池组作为逆变器的输入的状态。0x02代表逆变器处于由市电直接给负载提供能源的状态。

DATE2~DATE3:代表逆变器的输入电压。DATE4-5:代表逆变器的输入电流。DATE6~DATE8:代表逆变器的输入功率。DATE9~DATE10:代表逆变器的输出电压。DATE11~DATE12:代表逆变器的输出电流。DATE13~DATE15:代表逆变器的输出功率。

校验和:2个字节,包括高字节和低字节校验,对从地址位开始到校验位之前的所有数据进行校验。

2.3系统软件实现

本监控系统软件分两部分实现,一部分是数据采集卡通讯部分,一部分是控制器、逆变器通讯部分。

1)数据采集卡的通讯实现

本系统使用的数据采集卡是阿尔泰公司的DAM 3059,根据需要采用了输入信号为电压型和电流型的两种采集卡,自带模数转换的库函数,可以直接调用使用。系统的主流程如图3所示。

数据采集卡通讯的主程序如图4所示。当采集到的蓄电池温度超过50℃,或者风速超过20m/s时,程序进行报警保护。

2)控制器、逆变器的通讯实现

控制器和逆变器与上位机通讯都采用的是485通讯方式,在Lab VIEW中需要对串口进行正确的配置,然后根据需要对下位机发送指令进行控制,下位机回传数据,先进行校验,校验无误后,将数据根据通讯协议进行处理,最后将需要的数据显示在主界面上,并保存到Access数据库当中[4,5]。

下面就以风能控制器为例叙述软件的实现,风机控制器主程序流程图如图5所示。

串口配置,串口端口为COM3,波特率为9600,数据位是8位,无奇偶校验,停止位为1,无流控制,超时时长为10s。

上位机对风机控制器查询命令程序如图6所示。

校验和程序如图7所示。对下位机返回到串口缓冲区的数据先进行校验和。即对从地址位开始到最后一位数据位结束的所有数据进行求和记为SUM。检查返回数据的校验和高字节是否等于SUM/256,校验和低字节是否等于SUM%256。如果均相等,则数据正确,进行下一步数据处理。

对缓冲区数据处理程序如图8所示。将串口缓冲区的数据以字节按通讯协议进行处理,并将处理后的数据显示到前面板中。

太阳能控制器、逆变器的通讯原理与风能控制器的基本一致,在这里就不再赘述了。整个系统通过RS48总线在一个周期内依次与太阳能控制器、风能控制器和逆变器进行通讯一次,然后一直循环,以对整个系统进行监控。

3)时钟模块与数据的保存

为了保证数据的实时准确性,程序上添加了时钟模块,使得系统数据、状态量能和时间一一对应。时钟程序如图9所示。

本程序将系统采集处理得出的所有数据实时保存到Access数据库当中[6]。保存至Access数据库的程序如图10所示。这里将数据保存到数据库表当中,可以调取任意时间的数据,为今后的科学研究提供了宝贵的数据。

4)前界面设计

在前面板上,工作人员可以直观的看到包括室外温度环境、太阳能电板板、风力发电机、逆变器以及蓄电池的17组数据和他们的工作状态。通过光伏板充电控制开关、风力发电机控制开关、电源点选择开关,可以根据需要对系统的工作状态进行切换。界面简洁友好直观,符合人们的使用习惯。前面板界面如图11所示。

3实验与调试

利用Lab VIEW编好的软件对整个系统的各个数据进行现场监控。为验证上位机串口读取处理数据的正确性,在实验过程中,现在安排一个工作人员通过对讲机,与主控室的人员进行核对。并通过人为的模拟风机启动、刹车,光伏板充电与否以及市电切换,来测试上位机软件与系统是否能够正常工作。

经调试,系统可实现如下功能:实时监测室外环境状况,监测光伏板,风力发电机,蓄电池两端的电压, 光伏板和风力发电机的充电电流,蓄电池的放电电流, 以及系统的实时发电功率与发电量;实时报警保护,当蓄电池温度过高时进行报警,当风速过高时,进行报警并自动刹车保护;可以根据需要对光伏板进行充电与否控制及对风机进行手动刹车控制,也可以视情况对风、 光、市电三种电源点进行随时切换;并且可将数据实时保存到数据库中,可以进行数据回访,也为以后科学研究提供宝贵数据[7,8]。

4结束语

利用Lab VIEW软件开发平台,设计了一套风光互补发电监控系统。本系统有不错的扩展性和可维护性, 具有可视化友好化的人机交互界面,更方便工作人员操作管理。将此系统应用到风光互补发电站中,不仅可以减少运营人员巡检的工作量,而且能显著提高运行效率,保障电站的安全可靠性。

摘要：针对风光互补发电系统一般应用于偏远地区,实时巡检有一定困难的情况,现利用LabVIEW软件开发平台设计了一套风光互补发电的实时监控系统。对室外环境状况与设备运行参数进行统一的采集、分析,通过RS485通讯接口可与监控中心进行实时有效的信息交换与判断处理,并且当系统发生突发情况时,能立即发出报警信号。同时还能将系统运行的参数实时保存到Access数据库当中。此系统已实际应用于北京某高校自动化实训室中,运行效果良好,实现了预期目标和要求。

篇4：一种基于风光互补发电的物联网远程监控系统

关键词：Zigbee,风光蓄互补,自主控制系统

国家中长期科学和技术发展规划纲要中明确提出要大力开展“可再生能源低成本规模化开发利用”。为了解决电力系统与分布式电源间的矛盾, 整合分布式发电的优势, 充分发挥分布式电源为电力系统和用户所带来的经济效益, 微电网技术得到广泛重视。微网系统内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换, 并提供必需的控制。微网系统相对于外部大电网表现为单一的受控单元, 并可同时满足用户对电能质量和供电安全等要求。通过风/光/储能互补微网方案可望提高供电可靠性和经济效益。

1 现状和存在的问题

一般风力发电机组输出功率随着风速变化而波动, 因此人们不能够准确预测风力发电系统的输出功率。通常缺少互补微网系统合理设计和匹配, 采用风光互补系统供电多, 而较少采用备用电源, 导致适应性不好。

互补发电群微网系统一般作为独立电源系统, 应用在大电网覆盖不到的偏远地区, 运行时间较长, 在这种情况下传统的监控技术并不适用。需要采用无人值守远程监控技术, 对站内设备及微机保护进行统一的监测、管理和控制。典型的中央控制系统不能解决风光蓄互补发电群的控制问题, 特别是当电网或是分布式电源发生故障等情况下导致微网的电压、频率等出现较大波动超过允许范围时, 全局实时信息能量流最优化计算就会变慢, 这种情况会导致通信控制网络的中断等故障。

2 解决方案

采用Zig Bee无线传感网络技术实时的自主分布式电源控制, 就可以根据全局静态信息和本地信息, 对电压、频率等超过允许波动范围情况进行即时的调节, 从而形成可靠的分布式监控系统。利用Zig Bee无线传感网络技术实时监控风光蓄互补发电群的运行状况, 将各个风光蓄子系统监测点构成网络, Zig Bee网络中心节点以GPRS方式与监控中心通信, 从而构建一个基于Zig Bee和GPRS的远程传输通信的分布式监控系统。系统由发电群的多个分布测控RTU智能单元的集成。

分布测控RTU智能控制单元由分布智能控制单元、数据采集器模块、中继器路由模块、集中器模块、Zigbee无线通信模块、Zigbee中继器路由模块、GPRS通信模块组成。图1给出了分布测控RTU结构图。

数据采集器模块:采集风光蓄互补发电群中的各发电单元的数据, 根据不同的信号要求, 前置响应的传感器部件, 获取发电单元传感器的电气信号;Zigbee无线通信模块:将数据采集器模块的电气信号转化为Zigbee无线信号;Zigbee中继器路由模块:对无线通信模块数据进行处理, 解决信号衰减的问题, 送入数据数据集中器模块;数据集中器模块:对风光蓄互补发电群的多路传送的Zigbee无线通信数据进行集中处理, 按照数据通道编号进行;GPRS通信模块:接收数据集中器模块的数据, 进行GPRS通信信号调制, 发送给其他分布测控RTU单元, 同时接收其他单元的数据;分布智能控制单元:根据传送的本地信息和传送的电压、频率等信号, 按照设定的规则, 进行即时的调节。

3 具体实施方式

具体实施可以采用如下方式:风电系统和光伏电池组件将共同发出的电能存储到蓄电池组中, 控制器根据光照的强弱、风力的大小及负荷的变化对风力发电机、光伏电池组件、蓄电池组的工作状态进行实时监测控制, 保证系统安全而可靠的工作。基于无线传感器网络的风光蓄互补发电群的自主控制系统采集各发电单元的数据送入数据采集器模块中, 将数据采集器模块的电气信号转化为Zigbee无线信号, 送入Zigbee无线通信模块中, 对无线通信模块数据进行处理, 解决信号衰减的问题, 送入数据数据集中器Zigbee中继器路由模块中, 进行Zigbee无线通信数据进行集中处理, 按照数据通道编号进行, 送入数据集中器模块中, 接收数据集中器模块的数据, 进行GPRS通信信号调制, 发送给其他分布测控RTU单元, 同时接收其他单元的数据。送入GPRS通信模块中, 分布智能控制单元根据传送的本地信息和传送的电压、频率等信号, 按照设定的规则, 进行即时的调节。

分布智能控制单元根据光照的强弱、风力的大小及负荷的变化, 由分布智能控制单元不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节, 使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行, 实现自动均衡充电, 从而保证风力、光伏互补发电系统工作的连续性和稳定性;防止蓄电池过充电和过放电。通过加载逆变器, 将直流电变换为交流电供给交流负载使用;或者当负载电压和蓄电池电压一致时, 直接从控制器输出端引出供直流负载使用。

4 结论

本文通过采用基于无线传感器网络的小型风光蓄互补发电群的自主控制系统, 利用光/风/蓄多能互补微网系统的潜在优势, 实现具有实践价值。风光蓄互补发电群的自主控制系统应用前景广泛, 应用数量巨大, 经济效益是不可估量的。

参考文献

[1]王洪跃.风光蓄互补系统的技术研究[J].沈阳工程学院学报 (自然科学版) .2014, 10 (1) :4-6.

[2]徐林, 阮新波, 张步涵, 毛承雄.风光蓄互补发电系统容量的改进优化配置方法[J].中国电机工程学报.2012, 32 (25) :88-98.