風光互補并網發電監控及評估系統的研究與實現

孫連彪 王厚霖(河北大學電子信息工程學院,河北保定 071002)

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風光互補并網發電監控及評估系統的研究與實現

孫連彪 王厚霖
(河北大學電子信息工程學院,河北保定 071002)

【摘 要】風光互補并網后能夠給用戶帶來巨大的福利,但是也會給電網造成很多不利的影響(如給電網造成諧波污染,引起電壓波動、電壓閃變等電能質量問題),為此開發風光互補并網發電監控及評估系統勢在必行。本文所開發的風光互補并網發電監控及評估系統,旨在對風光互補發電系統太陽能光伏發電部分和風力發電部分的輸出電壓、輸出電流和輸出功率以及逆變器的輸入、輸出電壓和電流等參數進行實時監測,并針對實時監測的數據對風光互補發電系統接入電網后對電網電能質量的影響加以評估,以觀察電能質量指標是否存在超出規定限值。

【關鍵詞】風光互補并網 監控 評估

1 風光互補并網發電監控及評估系統的總體設計

光互補并網發電監控及評估系統由六個相互關聯的模塊構成，它們分別為數據采集模塊、通訊模塊、控制模塊、實時參數顯示模塊、評估模塊和數據庫模塊。系統的功能模塊如圖1所示。

第一，數據采集模塊。數據采集模塊負責向各個測量儀表發送符合其通訊規約的查詢指令。硬件上包括測量電氣參數的電力儀表、測量風速及風向的風速儀和測量日照強度輻照儀，能夠完成對發電系統各重要節點的電壓電流、風速風向及日照強度的采集，并將這些參數快速準確地傳送至監控及評估系統。

第二，通訊模塊。通訊模塊實現了監控及評估系統和各智能儀表間的通訊。多功能電力儀表、風速儀和輻照儀均提供RS485通訊接口，可組成RS485通訊網絡，并通過RS485-以太網轉換器，實現智能儀表RS485網絡與上位機的以太網通訊。通訊規約采用智能儀表均支持的Modbus-RTU協議，有較高的通用性和傳輸效率。

第三，控制模塊?？刂颇K從通訊模塊接收采集到的電參數，并完成數據的分析和處理。該模塊還為實時參數顯示模塊提供當前暫存的數據，為數據庫模塊提供數據源，進行數據庫的寫入與讀取操作。

第四，實時參數顯示模塊。實時參數顯示模塊實時顯示發電系統中風力發電機和太陽能光伏板輸出電壓、電流和功率數據，逆變器輸入輸出端電壓、電流和功率數據以及風速風向和日照強度等氣象數據。并實時繪制各項參數隨時間變化曲線，直觀地反應出發電系統的運行狀況。

第五，評估模塊。評估模塊對風光互補發電系統接入電網前后的電能質量參數進行對比分析，主要針對電壓偏差、電壓和電流諧波畸變率在并網前后的變化來評估風光互補發電系統并網對電網電能質量的影響，模塊能夠分別評估穩態時和動態過程發電系統的接入對電網的影響。

第六，數據庫模塊。數據庫模塊將實時采集到的動態數據保存到本地的數據庫中，以備系統查詢、歷史曲線的繪制和電能質量的評估等使用。數據庫采用甲骨文公司的Oracle數據庫，數據庫管理工具為ADO.NET。

2 風光互補并網發電監控及評估系統的通訊設計

2.1 數據通訊主程序的設計

圖1 風光互補并網發電監控及評估系統的功能模塊圖

運行程序之后，會生成一個可視化界面，該界面為系統的主窗體，點擊主窗體中的“啟動通訊”按鈕之后，系統將會對通訊程序進行初始化并進行數據傳輸總線設置，當點“接收數據”按鈕之后，將會觸發數據通訊監聽線程，執行查詢數據幀發送程序，向測量儀表發送查詢數據，經過一段時間的延遲，響應數據幀接收程序開始接收數據，并把接收到的數據進行數據類型轉換，程序進入到正常的數據通訊階段；轉換之后的數據流分兩部分傳輸，一部分是將接收并轉換的數據在系統的可視化監控界面上顯示出來，另一部分是將數據存儲到數據庫中，用于繪制歷史數據隨時間變化的曲線，并利用歷史數據對風光互補發電系統接入電網前后進行數據對比，評估發電系統的接入對電網電能質量的影響。

2.2 啟動通訊模塊程序的設計

在風光互補并網發電監控及評估系統主窗體上點擊“啟動通訊”按鈕之后，首先要對485-以太網協議轉換模塊初始化，初始化成功之后要對總線參數進行設置，如果總線參數設置成功，即可以連接485-以太網協議轉換模塊，協議轉換模塊連接成功后，則可以開啟數據通訊監聽線程，觸發查詢數據幀發送模塊程序和響應數據幀接收及數據轉換模塊程序的執行；如果總線參數設置或協議轉換模塊連接失敗，則程序在提示相應錯誤之后便會結束。

2.3 查詢數據幀發送模塊程序的設計

數據通訊監聽線程啟動之后，會觸發執行查詢數據幀發送模塊程序，該程序先將查詢數據幀現有的數據存放到最終命令數組中，然后根據這些數據碼計算出CRC校驗碼，再將計算出來的CRC校驗碼存放到最終命令數組中，形成最后的查詢數據幀，并將其發送到待查詢的測量儀表中，等待測量儀表的響應。

2.4 響應數據幀接收及數據轉換模塊程序的設計

測量儀表在接收到查詢數據幀之后，會返回響應數據幀，該模塊程序即用來接收測量儀表返回的響應數據幀。首先將用來接收響應數據幀的接收數組清零，之后接收測量儀表返回的響應數據幀，此時接收數組接收到的數據是字符串型的十六進制數據碼，之后需要經過一個數據類型轉換函數，將原來接收到的字符串型十六進制數據碼轉換為單精度浮點型十進制數，并賦值給之前定義的變量，即可完成數據的最終接收，接收到的數據可以在設計的可視化界面上顯示，也可以存儲到數據庫中供查詢使用。

3 結語

由于自然界中的風和太陽光具有很強的隨機性和不確定性，導致風力發電和光伏發電系統的輸出功率也會隨之上下波動，所以在風力發電系統和光伏發電系統接入電網之后會對電網產生諸多影響，故本文設計了風光互補并網發電監控及評估系統，旨在對分布式發電系統對電網電能質量的影響進行分析與評估。