基于LabVIEW的风光互补发电监控系统的设计

程 晨，杜欣慧

（太原理工大学 电气与动力工程学院，太原 030024）

0 引言

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LabVIEW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。

图1 系统的硬件结构

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5kW，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12V，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5kW，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5.4kW，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10kVA，额定蓄电池电压为216V，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。

图2 系统的通讯结构

2 监测系统软件设计

2.1 编程环境

本系统采用LabVIEW软件进行上位机编程，LabVIEW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 ModBus 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。

表1 上位机的查询指令帧格式

表2 下位机应答命令帧格式

字节含义：

帧头：0xEB 0x90 0xEB 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。DATE 5～6DATE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：

DATE1：0x01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。DATE 5-6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。DATE 4-5：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。

图3 数据采集卡的主流程图

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。

图4 数据采集卡通讯的主程序

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LabVIEW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。

图5 风机控制器主程序流程图

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。

图6 上位机对风机控制器查询命令程序

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。

图7 校验和程序

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。

图8 缓冲区数据处理程序

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RS485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。

图9 时钟程序

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。

图10 数据库保存程序

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。

图11 前面板界面

3 实验与调试

利用LabVIEW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LabVIEW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。

[1]国家发展和改革委员会,国家科学技术部.光伏/风力及互补发电村落系统[M].北京:中国电力出版社,2004.

[2]张隽,许洪华,边莉.小型光伏独立系统的实时数据采集监测系统[J].可再生能源,2003(6):22-24.

[3]Xiangyang Zhao, Shiyang Liu.Design of a Monitoring System of Micro-Grid[J].Smart Grid and Renewable Energy, 2013, 4, 198-201.

[4]李江全,刘恩博,胡蓉.LabVIEW虚拟仪器数据采集与串口通讯测控应用实战[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[5]马草原,等.基于LabVIEW的串口调试与数据分析[D].徐州:中国矿业大学信电学院,2005.

[6]关正美.中文版Access 2003教程[M].北京:中国宇航出版社,2004.

[7]张海良.光伏电站远程监控系统的设计和研究[D].徐州:燕山大学,2005.

[8]王国荣,熊义君,万利华.温度检测系统的上位机软件设计[J].硅谷,2010,19(68):54.