分散式风力太阳能发电系统的监测系统设计与实现.pdf

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1、分散式风力-太阳能发电系统的监测系统设计与实现 刘衍伟;柳明;郑超迪;叶远茂【摘 要】针对分散式风力-太阳能发电系统混合控制研究的要求,设计了基于工业以太网的风力-太阳能发电系统实时监测系统,实现了电压、电流、功率、谐波等电能质量参数的动态监测;同时详细分析了其结构组成、硬件设计和软件设计流程等;软件系统采用 Visual C+设计开发,主要包括监测平台和数据采样系统;数据采样系统采用多线程方式设计,实时地采集硬件系统各模块的相关数据;监测平台主要实现电能质量参数的不断更新及图表的实时动态显示;监测平台与数据采样系统采用Modbus 协议,通过工业以太网实现相互间的实时通信和数据传输;实验结果

2、表明,监测系统可靠性高,实时性良好.【期刊名称】计算机测量与控制【年(卷),期】2010(018)010【总页数】4 页(P2289-2292)【关键词】工业以太网;Modbus;监测平台;数据采样系统【作 者】刘衍伟;柳明;郑超迪;叶远茂【作者单位】华南理工大学,电力学院,广东,广州,510640;广东省绿色能源技术重点实验室,广东,广州,510640;华南理工大学,电力学院,广东,广州,510640;广东省绿色能源技术重点实验室,广东,广州,510640;华南理工大学,电力学院,广东,广州,510640;华南理工大学,电力学院,广东,广州,510640;广东省绿色能源技术重点实验室,广东,

3、广州,510640【正文语种】中 文【中图分类】TP311%TM935 0 引言 能源是经济和社会发展的重要物质基础,而传统能源的大量消耗必然导致局域性或全局性的空气污染,因此可再生能源得到迅速发展,我国自 2006 年 1 月 1 日实施可再生能源法后,各地也都在大力开发利用可再生能源,特别是风能和太阳能。目前这些可再生能源的开发利用主要有两种形式:一种是大功率的直接并网发电(如600kW 以上的风力发电和 100kW 以上的太阳能发电),它不涉及到负荷;另一种是小型或微型的独立发电系统(500W 或以下的风光互补路灯、景观照明等),它一般给单独的电器供电。在利用可再生能源进行发电研究的过程

4、中,能量管理问题一直是可再生能源发电研究的一个重要问题。本文设计了一种基于工业以太网的分散式风力太阳能发电系统的实时监测系统,实现了分散式风力太阳能发电系统电能质量的动态监测与风光互补控制系统的能量分配管理的有效控制。1 监测系统的总体结构分析 监测系统总体结构如图 1 所示,包括两部分:硬件系统设计和软件系统设计。硬件系统设计,主要包括:风电机组模拟实验平台,PV 系统,风光互补控制,风速测量仪。软件系统设计,主要包括监测平台和数据采样系统。图 1 监测系统总体结构图 风电机组模拟实验平台是在不具备风电场运行环境的实验室的情况下,建立的一个能模拟风电场风能特性和测试风电机组性能的实验平台。从

5、功能上主要包括两部分:第一部分进行风力机特性的模拟,第二部分进行发电机输出特性的分析。PV 系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。太阳光照射在一些特殊材料上,会引起材料中电子的移动,形成电势差。太阳能光伏发电就是依据这一原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。基于 PLC 的中小型风光互补控制系统主要用于能量分配管理、电源投入切出控制、电参数监控等,操作方便。同时 PLC 可通过 RS485/TCP 转换器连到局域网中,由计算机远程读出数据,进行负载预测、能量预测、历史数据报表等进一步地能量管理系统;可以根据负载的变化,有效地进行能量分配

6、管理控制。C2000 Plus S232/1 Se(TCP/IP-RS232 转换器),提供 RS232 与 TCP/IP 网络间的双向数据透明传输。转换器向上提供 10M 以太网接口,向下提供 1 个标准的 RS232 串行口,16K 通讯缓存,通讯参数可通过软件设置,波特率从 1200bps115200bps。可适用于各种网络环境,网络参数和串口参数可使用转换器软件进行设置,也可由用户编程设置。软件系统设计采用 Modbus 协议,通过工业以太网实现监测平台与数据采样系统间的实时通信和数据传输。M odbus 是一种全开放、免费提供、非常容易理解和实施的协议,目前基于 Modbus 协议的

7、串口通信是较常用的方式之一。同时,由于结合TCP/IP 协议形成的 Modbus TCP/IP 协议具有侦错能力强、数据传输量大、实施性和开放性都较好等特点,因此得到了广泛应用。2 监测系统的硬件实现 根据上述系统总体结构分析,对系统硬件设计分别作重点分析如下。2.1 风电机组模拟实验平台 风电机组模拟实验平台采用双 DSP+ARM 的多 CPU 架构,系统结构如图 2 所示,包括三部分:上位机系统、风力机模拟系统和发电机特性分析系统。图 2 风电机组模拟实验平台 风力机模拟系统包括第一处理器(DSP1#)、ABB 变频器和原动机(三相异步电机),第一处理器输出原动机的转矩值给变频器,由变频器

8、通过直接转矩控制原动机;同时风力机系统,还包括风速仪和设置于原动机上的 OMRON 转速编码盘,风速仪的信号经过 STC4052 单片机处理后传到第一处理器,转速编码盘将原动机的转速信号传送到第一处理器。发电机特性分析系统包括风力发电机和第二处理器(DSP2#)。风力发电机输出的三相电压和三相电流经过隔离、放大和 A/D 电路处理后输入到第二处理器,第二处理器对电能质量进行分析后将结果送往上位机系统;同时发电机特性分析系统,还包括一个变频器和能量回馈器。由该变频器和能量回馈器构成的系统充当双向变频器,当发电机属于亚同步运行,无刷双馈电机控制绕组的能量由双向变频器提供;当发电机处在超同步状态,控

9、制绕组的能量通过该双向变频器回馈给电网。发电机特性分析系统中电能质量分析2结构如图 3 所示,采用基于 DSP 的采集处理模块。DSP 模块采用 Tl 公司的 TMS32OF2812 作为控制芯片。它是信号处理单元的核心部分,负责数据的采样、计算、SCI 通信等任务,该模块包括:隔离传感器,输入限幅电路、抗混叠滤波电路、同步变换及锁相环电路、A/D 转换电路、DSP等。图 3 DSP 模块组成结构 其中,模数转换芯片 ADS8364 是一款 TI 公司为进行三相电压、电流控制而生产的专用芯片。它具有 6 个独立输入通道,配有 6 个独立的 16-bit ADC,可以实现六通道同步采样.这种多通

10、道同步采样的方式大大提高了电能质量监测的精度。ADS8364 的采集控制信号由以 CD4046 为核心的锁相环电路提供。锁相环跟踪通道 1 的信号并产生 128 倍频的控制信号。该控制信号输出至 ADS8364 的启动转换引脚,实现对原始信号的 128 倍频的采样。2.2 PV 系统 光伏发电是利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电方式。PV 系统主要是由光伏电池板、控制器、电能存储和变换环节构成的发电与电能变换系统。光伏电池板产生的电能经过电缆、控制器、储能等环节予以储存和转换,转换为负载所能使用的电能。典型的 PV 系统是由光伏阵列、电缆、电力电子变换器、储能元件、负载等构成,

11、系统结构如图 4 所示。图 4 PV 系统 光伏阵列接收太阳能并转换为电能,发出的电能经变换器变换为所需的合格电力,经配电设备向负载供电,并将发电与负载用电之剩余的电能供给充电器向蓄电池充电。控制系统则采用光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)、能量管理和变换器输出控制。太阳能发电的特点是白天发电,而负荷往往是全天候用电,因此在光伏发电系统中储能元件是必不可少的,工程上普遍使用的储能元件主要是蓄电池。2.3 基于 PLC 的中小型风光互补控制系统 风光互补控制系统为所有交、直流电源和负荷提供一次电路连接。分别设有交流母线(AC BUS)和直流母线(DC BUS),这两种母线通过逆变器和变压器来连

12、接。市电、无刷双馈风力发电机、逆变器交流侧和两类负荷分别通过接触器连接到交流母线上,永磁同步发电机、蓄电池组、太阳能电池板分别通过各自的变换装置连接到直流母线上。系统由一可编程控制器(PLC)作为能量管理与控制核心,由一单片机系统作为交流电源并网的条件判断与执行模块,由一些带指示灯的按钮和一块触摸屏来实现操作和状态显示,面板上还有若干多功能电表用于测量和显示各类电量。PLC 通过 RS-485 接口与各电表和各电源装置的控制模块连接,实现通讯与管理控制,亦可以与互联网连接,由远程计算机来进行能量管理与控制。3 监测系统的软件实现 软件系统通过 Visual C+(下简称 VC)设计开发,主要包

13、括监测平台和数据采样系统,负责实现对整个系统的状态监测、节点的电能质量分析及风速预测等。数据采样系统通信程序采用多线程方式设计开发,实现软件对各个模块的数据采样。监测平台通过 VC 中 TreeView、MSChart、Timer 等多种控件的综合使用实现通信界面的设计,实现整个系统状态的动态监测,将系统内的电源状态以图形化界面实时显示。系统采用 Modbus 协议,通过工业以太网实现监测平台与数据采样系统的实时通信和数据传输。3.1 Modbus 通信 标准的 Modbus 口是使用以 RS-232C 兼容串行接口,它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由

14、 Modem 组网。控制器通信使用主-从技术,即主设备能初始化传输(查询)。从设备根据主设备查询提供的数据作出相应反应。无论主设备查询还是从设备响应,每个 Modbus 帧都包括地址域、功能域、数据域、错误检测域。Modbus 通信有两种模式:ASCII 模式和 RT U 模式。相对于 ASCII 模式,RTU 模式在同样的波特率下,可比 ASCII 模式传送更多的数据。本系统采用基于 RT U 模式的 Modbus 通信。使用 RT U 模式,消息发送至少要以 3.5 个字符时间的停顿间隔开始。整个消息帧必须作为一连续的流传输。如果在帧完成之前有超过 1.5 个字符的停顿时间,接收设备将刷新

15、不完整的消息并假定下一个字节是一个新消息的地址域。同样的,如果一个新消息在小于 3.5 个字符时间内接着前个消息开始,接收的设备将认为它是前一个消息的延续。这将导致一个错误,因为在最后的 CRC 域的值不可能是正确的。一个典型的消息帧如表 1 所示。表 1 RTU 消息帧起始位 设备地址 功能代码 数据 CRC 校验 结束符 T1-T2 T3-T4 8Bit 8Bit n 个 8Bit 16Bit T1-T2-T3-T4 Modbus 结合 TCP/IP 协议形成的 M odbus TCP/IP 协议是在 TCP/IP 网络协议上加 Modbus 应用层协议形成的,参数和数据使用封装的方法嵌入

16、到 TCP 报文的用户数据容器中。Modbus TCP/IP 通信采用 Client/Server 方式,C/S 模式如图 5 所示。图 5 M odbus TCP/IP 的 C/S 模式 3.2 软件系统设计流程图 监测平台与数据采样系统,设计流程分别如图 6 和图 7 所示。图 6 监测平台设计流程图 图 7 数据采样系统设计流程图 图 6 监测平台设计,包括 VC 中多种控件的使用,如 Tree-View、MSChart、Timer等控件。TreeView 控件通过使用可折叠节点提供一种以分层结构来显示信息的方式,通过响应 TreeViewAfterSelect 模式,建立与服务器端的实

17、时通信连接;通过调用 VC 中 Stream 的 Write()和 Read()方法,实现与服务器端的数据传输;重绘图表时,需首先调用 Series 的 Clear 方法,进而实现数据的不断更新及图表的实时动态显示。图 7 数据采样系统,是采用多线程方式设计的通信程序,实时地采集硬件系统各模块的相关数据,并根据监测平台终端的通信请求进行相应数据的传输,主要包括 3 个独立的线程:(1)读 DSP 线程:C2000 Plus S232/1 Se 提供 RS232 与 TCP/IP 网络间的双向数据透明传输,针对虚拟串口编程与普通串口完全相同。调用 Windows API 函数可以非常灵活地编写串

18、口通信程序,主要设计流程:调用 CreateFile()函数打开串口,SetupComm()函数设置串口参数,Write-File()函数写串口,ReadFile()读取串口数据。系统采用 Modbus 协议循环地向 DSP 发送多组请求指令,对接收到的数据作进一步处理后存入数据池。(2)读 PLC 线程:数据采样系统与 PLC 间采用 Modbus 协议,通过基于 TCP/IP 的C/S 模式(如图 5 所示)进行通信。其中 PLC 作为服务器端,通用 PC 机作为客户端。读写线程采用网络套接字与 PLC 进行通信连接,客户端的套接字编程主要包括:调用socket()函数创建套接字,conn

19、ect()函数连接服务器端,send()与 recv()函数进行数据交换。数据采样系统同样按顺序循环读取 PLC 的相关数据。(3)与监测平台终端通信线程:数据采样系统与监测平台终端同样采用 Modbus 协议,通过基于 TCP/IP 的 C/S 模式进行通信。数据采样系统作为服务器端,监测平台终端作为客户端,通过网络套接字与监测平台终端进行通信。与客户端不同,服务器端网络套接字通信除了要调用 socket()、send()与 recv()等函数外,还需要调用 bind()函数进行本地端口的绑定,listen()和 accept()函数进行监听和接受连接请求。作为服务器端,系统根据监测平台终端

20、的请求从数据池中取出相应的数据并发送。4 监测系统通信实验及分析 在上述设计的监测系统中,实时通信周期设定为 T=1s。利用搭建完成的分散式风力太阳能发电系统的实验平台,监测到的风电机组模拟实验平台与风光互补控制系统的部分参数如图 8 和图 9 所示。风电机组模拟实验平台实现的是电压、电流、功率、谐波等电能质量参数及指标的动态显示,风光互补控制系统实现的是电压电流有效值、功率等电能质量参数的动态显示。图 8 B 相电压与电流 图 9 负载 1#的电压与电流有效值 图 8 为风电机组模拟实验平台 B 相电压与电流以 T=1s 为周期动态变化时的监测波形,图 9 为风光互补控制系统中负载 1#的电

21、压与电流有效值的动态监测波形,其中电压有效值约为恒定值 227.5V,电流有效值约为恒定值 0.95A,故图 9 动态监测波形是以 T=1s 为周期不断向右平移的直线。实验结果表明,监测系统运行稳定,实时性与可靠性良好。5 结论 根据分散式风力太阳能发电系统的混合控制研究的要求,设计了实用的基于工业以太网的电能质量集中监测系统,完善了风电机组及风光互补发电系统的动态监测与故障诊断功能,有效提高了中小型风光互补发电系统的能量分配管理控制。通过实验验证了监测系统的实时性和可靠性。本文的研究成果对复杂环境大型风电机组及大型风光互补发电系统的监测系统建设具有重要意义和实际参考价值。参考文献:【相关文献

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