基于LabVIEW的風光互補發電監控系統的設計

程 晨，杜欣慧

（太原理工大學 電氣與動力工程學院，太原 030024）

0 引言

隨著經濟的快速發展和電力需求的增長，以及受能源危機的影響，分布式能源作為一種新型能源受到越來越多人們的關注。其中，風能和光伏作為清潔能源，并因獲取相對容易，得到各國的廣泛深入研究。同時，由于風能和光伏具有互補的特性，風光互補發電廣泛用于各個領域，尤其在一些電能缺乏的偏遠地區。但由于偏遠地區環境惡劣，人員實時巡檢存在一定的困難[1]。因此，在遠離現場的情況下，對風光互補發電系統進行實時精確的監測控制，保障系統安全穩定的運行就顯的十分重要。

針對上述問題，本文提出了一套基于LabVIEW的風光互補發電監控系統，該系統具有實時監測，報警保護，電源點切換以及數據存儲等功能，對于減少運行人員的工作量與對系統可靠性、安全性的提高均有實質性的效果[2,3]。

1 監測系統的硬件架構

1.1 系統的硬件結構

本風光互補發電系統實際應用于北京某高校自動化實訓室內。本系統硬件主要由單晶硅太陽能電池板，水平風力發電機，光伏控制器，風機控制器，鉛酸蓄電池，單相逆變器以及數據采集系統（風速風向傳感器，溫度傳感器，光照強度傳感器，電壓電流功率變送器和數據采集卡）等組成。

系統的硬件結構圖如圖1所示。

圖1 系統的硬件結構

系統內主要器件的型號參數如下:

風力發電機：型號為FD6.0-5KW，額定功率為5kW，輸出電壓220V，額定風速8m/s；

太陽能電池板：每塊PV板的額定功率100W，最大工作電壓18V。共用54塊PV板三組并聯，每組分別用18塊串聯的方式進行連接；

蓄電池：單塊蓄電池額定電壓為12V，容量200AH，采用18塊蓄電池串聯的方式連接；

風機控制器：型號為WW50-216-N02，額定功率為5kW，額定輸出電壓216V，帶有485通訊接口；

光伏控制器：型號為WS54-216-N02，額定功率為5.4kW，額定輸出電壓為216V，帶有485通訊接口；

逆變器：型號為WI100-220，額定輸出容量為10kVA，額定蓄電池電壓為216V，額定輸出電壓為220V的單相電，帶有485通訊接口。

在這個系統中，風力發電機，太陽能電池板通過控制器互補性地給蓄電池組進行充電，蓄電池通過單相逆變器供給交流負載使用，同時后級接一個額定電壓為12V的整流器，為系統中的各個傳感器和數據采集卡以及其他直流負載提供能源。風機、光伏控制器還有離網型逆變器均帶有485通訊接口，將采集到的風機和光伏板端的電壓電流信號、蓄電池兩端的電壓信號以及逆變器的輸出功率信號傳送給上位機，同時蓄電池端的溫度傳感器，室外的風速風向和溫度傳感器通過數據采集卡，將信號傳送給上位機。上位機對采集到的信號進行處理后，將各個參數顯示在PC機上，同時通過運算判斷，做出相應的報警保護或者電源切換等操作。

1.2 系統監測的物理量

系統需要監測的物理量如下。

1）對風力發電機發電端需要監測的物理量有，室外的實時風速風向，風能控制器的輸出電壓、電流、功率。通過這些數據可以得到當地的風力資源情況，風能與充電功率的對應關系，并且當風速過快時，進行報警剎車保護。

2）對太陽能電池板發電端需要監測的物理量有，室外溫度、光伏板表面溫度和光照強度，以及光伏控制器輸出的電壓、電流、功率。通過這些數據可以得到當地的太陽能資源情況，太陽能與充電功率的對應關系。

3）對蓄電池表面的溫度，蓄電池兩端的電壓，蓄電池的沖放電電流進行監測?？梢员O控蓄電池的實時狀態，當蓄電池溫度過高時，進行報警保護。

4）對逆變器的輸入電壓、電流，輸出電壓、電流進行監測，可以得到逆變器的轉換效率特性。同時為逆變器進行風光、市電的電源點切換，提供直觀可靠的依據。

1.3 系統通訊的設計

本系統的通訊采用RS485接口，該方式結構簡單、通訊可靠、成本低廉。RS485通訊的拓撲結構主要有總線型、星型和樹型結構。本系統采用總線型結構，因為這種結構具有傳輸可靠性高，結構簡單的優點。而且系統和監控室距離遠，采用總線型可延長傳輸距離，保證傳輸質量。

通訊結構圖如圖2所示。

圖2 系統的通訊結構

2 監測系統軟件設計

2.1 編程環境

本系統采用LabVIEW軟件進行上位機編程，LabVIEW軟件是美國NI公司研制的程序開發環境，它是一圖形化的軟件集成開發環境，內置有強大的信號采集、測量分析和網絡分析等功能。該系統有友好的人機界面，方便對之進行維護與功能擴展。

2.2 通訊協議

本系統采用標準的RS485 ModBus RTU通訊協議，通訊波特率為9600，無校驗，8位數據位，1位停止位。采用校驗和的校驗方法，對從地址位開始到校驗位之前的所有數據進行求和校驗。

此系統采用上位機發送一條查詢指令，下位機接受并返回指令的方式進行通訊。

文章以太陽能控制器為例進行說明，它的通訊幀格式如表1和表2所示。

表1 上位機的查詢指令幀格式

表2 下位機應答命令幀格式

字節含義：

幀頭：0xEB 0x90 0xEB 0x90，4字節。

地址：1字節，具體地址可以自己設置。本系統中光伏控制器的地址設置為1，風機控制器的地址設置為2，逆變器的地址設置為3。

類型：表示本幀命令類型。0x00代表讀數據，0x06代表回傳數據。

數據長度：1字節，包括有效數據的長度。光伏控制器、風機控制器、逆變器的數據長度分別為11、11、15。

DATE 1—DATE X：為數據，共X字節。含義分別如下：

1）光伏控制器：

（1）上位機向光伏控制器查詢命令的數據含義：

DATE1：0x01代表太陽能電池板給蓄電池充電。0x02代表切斷太陽能電池板的充電狀態。

DATE2～DATE11：均為0x00，向下位機發送讀數據命令幀。

（2）光伏控制器應答命令的數據含義：

DATE 1：0x01代表太陽能電池板處于給蓄電池充電的狀態。0x02代表太陽能電池板處于給蓄電池非充電狀態。

DATE2：0x01代表蓄電池處于正常狀態。0x02代表蓄電池處于過電壓狀態。0x03代表蓄電池欠電壓狀態。

DATE3～4DATE：代表蓄電池的電壓值。DATE 5～6DATE代表光伏板的輸出電壓。DATE7～8DATE代表光伏板的充電電流。DATE9～DATE11代表光伏板的充電功率。

2）風機控制器：

（1）上位機向風機控制器查詢命令的數據含義：

DATE1：0x01代表風力發電機給蓄電池充電。0x02代表對風機剎車，切斷對蓄電池的充電狀態。

DATE2～DATE11：均為0x00，向下位機發送讀數據命令幀。

（2）風機控制器應答命令的數據含義：

DATE1：0x01代表風力發電機處于給蓄電池充電的狀態。0x02代表風機處于剎車狀態，處于給蓄電池非充電狀態。

DATE2：0x01代表蓄電池處于正常狀態。0x02代表蓄電池處于過電壓狀態。0x03代表蓄電池欠電壓狀態。

DATE3～DATE4：代表蓄電池的電壓值。DATE 5-6代表風力發電機的輸出電壓。DATE7～DATE8代表風力發電機的充電電流。DATE9～DATE11代表風力發電機的充電功率。

3）逆變器：

（1）上位機向逆變器查詢命令的數據含義

DATE1：0x01代表蓄電池組作為逆變器的電源輸入端。0x02代表切斷蓄電池組的輸入，由市電給負載供電。

DATE2～DATE11：均為0x00，向下位機發送讀數據命令幀。

（2）逆變器應答命令的數據含義：

DATE1：0x01代表逆變器處于蓄電池組作為逆變器的輸入的狀態。0x02代表逆變器處于由市電直接給負載提供能源的狀態。

DATE2～DATE3：代表逆變器的輸入電壓。DATE 4-5：代表逆變器的輸入電流。DATE6～DATE8：代表逆變器的輸入功率。DATE9～DATE10：代表逆變器的輸出電壓。DATE11～DATE12：代表逆變器的輸出電流。DATE13～DATE15：代表逆變器的輸出功率。

校驗和：2個字節，包括高字節和低字節校驗，對從地址位開始到校驗位之前的所有數據進行校驗。

2.3 系統軟件實現

本監控系統軟件分兩部分實現，一部分是數據采集卡通訊部分，一部分是控制器、逆變器通訊部分。

1）數據采集卡的通訊實現

本系統使用的數據采集卡是阿爾泰公司的DAM-3059，根據需要采用了輸入信號為電壓型和電流型的兩種采集卡，自帶模數轉換的庫函數，可以直接調用使用。系統的主流程如圖3所示。

圖3 數據采集卡的主流程圖

數據采集卡通訊的主程序如圖4所示。當采集到的蓄電池溫度超過50℃，或者風速超過20m/s時，程序進行報警保護。

圖4 數據采集卡通訊的主程序

2）控制器、逆變器的通訊實現

控制器和逆變器與上位機通訊都采用的是485通訊方式，在LabVIEW中需要對串口進行正確的配置，然后根據需要對下位機發送指令進行控制，下位機回傳數據，先進行校驗，校驗無誤后，將數據根據通訊協議進行處理，最后將需要的數據顯示在主界面上，并保存到Access數據庫當中[4,5]。

下面就以風能控制器為例敘述軟件的實現，風機控制器主程序流程圖如圖5所示。

圖5 風機控制器主程序流程圖

串口配置，串口端口為COM3，波特率為9600，數據位是8位，無奇偶校驗，停止位為1，無流控制，超時時長為10s。

上位機對風機控制器查詢命令程序如圖6所示。

圖6 上位機對風機控制器查詢命令程序

校驗和程序如圖7所示。對下位機返回到串口緩沖區的數據先進行校驗和。即對從地址位開始到最后一位數據位結束的所有數據進行求和記為SUM。檢查返回數據的校驗和高字節是否等于SUM/256，校驗和低字節是否等于SUM%256。如果均相等，則數據正確，進行下一步數據處理。

圖7 校驗和程序

對緩沖區數據處理程序如圖8所示。將串口緩沖區的數據以字節按通訊協議進行處理，并將處理后的數據顯示到前面板中。

圖8 緩沖區數據處理程序

太陽能控制器、逆變器的通訊原理與風能控制器的基本一致，在這里就不再贅述了。整個系統通過RS485總線在一個周期內依次與太陽能控制器、風能控制器和逆變器進行通訊一次，然后一直循環，以對整個系統進行監控。

3）時鐘模塊與數據的保存

為了保證數據的實時準確性，程序上添加了時鐘模塊，使得系統數據、狀態量能和時間一一對應。時鐘程序如圖9所示。

圖9 時鐘程序

本程序將系統采集處理得出的所有數據實時保存到Access數據庫當中[6]。保存至Access數據庫的程序如圖10所示。這里將數據保存到數據庫表當中，可以調取任意時間的數據，為今后的科學研究提供了寶貴的數據。

圖10 數據庫保存程序

4）前界面設計

在前面板上，工作人員可以直觀的看到包括室外溫度環境、太陽能電板板、風力發電機、逆變器以及蓄電池的17組數據和他們的工作狀態。通過光伏板充電控制開關、風力發電機控制開關、電源點選擇開關，可以根據需要對系統的工作狀態進行切換。界面簡潔友好直觀，符合人們的使用習慣。前面板界面如圖11所示。

圖11 前面板界面

3 實驗與調試

利用LabVIEW編好的軟件對整個系統的各個數據進行現場監控。為驗證上位機串口讀取處理數據的正確性，在實驗過程中，現在安排一個工作人員通過對講機，與主控室的人員進行核對。并通過人為的模擬風機啟動、剎車，光伏板充電與否以及市電切換，來測試上位機軟件與系統是否能夠正常工作。

經調試，系統可實現如下功能：實時監測室外環境狀況，監測光伏板，風力發電機，蓄電池兩端的電壓，光伏板和風力發電機的充電電流，蓄電池的放電電流，以及系統的實時發電功率與發電量；實時報警保護，當蓄電池溫度過高時進行報警，當風速過高時，進行報警并自動剎車保護；可以根據需要對光伏板進行充電與否控制及對風機進行手動剎車控制，也可以視情況對風、光、市電三種電源點進行隨時切換；并且可將數據實時保存到數據庫中，可以進行數據回訪，也為以后科學研究提供寶貴數據[7,8]。

4 結束語

利用LabVIEW軟件開發平臺，設計了一套風光互補發電監控系統。本系統有不錯的擴展性和可維護性，具有可視化友好化的人機交互界面，更方便工作人員操作管理。將此系統應用到風光互補發電站中，不僅可以減少運營人員巡檢的工作量，而且能顯著提高運行效率，保障電站的安全可靠性。

[1]國家發展和改革委員會,國家科學技術部.光伏/風力及互補發電村落系統[M].北京:中國電力出版社,2004.

[2]張雋,許洪華,邊莉.小型光伏獨立系統的實時數據采集監測系統[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,劉恩博,胡蓉.LabVIEW虛擬儀器數據采集與串口通訊測控應用實戰[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[5]馬草原,等.基于LabVIEW的串口調試與數據分析[D].徐州:中國礦業大學信電學院,2005.

[6]關正美.中文版Access 2003教程[M].北京:中國宇航出版社,2004.

[7]張海良.光伏電站遠程監控系統的設計和研究[D].徐州:燕山大學,2005.

[8]王國榮,熊義君,萬利華.溫度檢測系統的上位機軟件設計[J].硅谷,2010,19(68):54.