分布式能源測試系統

曾海源 張銀銀

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

分布式能源是指將發電系統以小規模、小容量（數千瓦至15 MW）、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立地輸出電、熱和冷能的系統[1]。使用分布式能源系統的主要方式有熱電聯供形式，冷熱電三聯供形式等等。

針對分布式能源系統的實際應用環境，在分布式能源測試系統的基礎上，設計了基于傳感器等模塊數據采集的分布式能源測試系統，并實現了測試系統在MCGS組態軟件基礎上進行二次開發，建立“分布式能源系統試驗平臺”。以 MCGS組態軟件為平臺，設計了基于變送器數據采集的分布式能源測試系統，并實現了MCGS組態軟件平臺的設計。

1 分布式能源系統的基本理論

所謂“分布式能源”是指分布在用戶端的能源綜合利用系統，以冷、熱、電聯產技術為基礎，與大電網和天然氣管網組網運行，向一定區域內的用戶同時提供電力、蒸氣、熱水和空調冷水（或風）等能源服務系統[2]。分布式能源在發達國家已經是一種比較成熟的技術[2]。在歐洲、美洲大部分地區，隨著能源市場對管制的逐漸放松，引進競爭機制 以及對可持續發展戰略的推行實施，分布式能源系統開始得到了迅猛的發展[3-5]。

分布式能源系統中的冷熱電三聯供系統應用技術是一項先進的、可再生的能源利用技術，先是利用燃機或內燃機等燃料燃燒后做功發電，然后在將發電后排放出來的熱能來再次利用，用于制冷或者供熱。[3]這能夠充分實現了分布式能源的綜合梯級利用。

如圖1，本文研究主要是利用燃氣輪機或柴油發電機進行發電，并將其排出的高溫煙氣進行余熱利用。從燃氣輪機或柴油發電機排出的高溫煙氣氨吸收式制冷機組或溴化鋰制冷機組進行吸收式制冷，對高溫煙氣進行二次利用。并可以通過利用制冷機組排出的煙氣進行三次利用，可通過煙氣水換熱器進行水換熱，升高水的溫度，使溫水可供日常所用。這充分利用了能源的梯次利用，根據從高品位到低品位逐漸加以利用。高溫品位先用來發電，中溫品位余熱用來驅動熱泵或驅動制冷，低溫余熱用來向住宅供熱，除濕或用于加熱生活用水。

圖1 分布式能源系統圖

2 分布式能源測試系統的設計軟件

隨著計算機網絡技術的發展，為了用戶能夠更加方便地建立高效率的監控系統，且能夠通過遠程的控制和診斷，提高實驗的安全性和可靠性，本文研究主要采用了MCGS工控組態軟件，并在其基礎上，二次開發成適合分布式能源系統實驗室的具體實際應用的測試系統，建立了一個“分布式能源系統試驗平臺”。此測試平臺為用戶提供了一整套的測試方案，能夠適應各種工況條件下的分布式能源測試，通過數據能夠快速了解實驗室設備各位置點的狀態參數變化。

2.1 MCGS介紹

MCGS全 稱 Monitor and Control Generated System。MCGS是一個組態軟件，能夠在計算機上運行，通過各種采集模塊采集現場設備的數據，將數據轉換實際物理量后傳送到顯示屏上。它能夠幫助用戶解決一些實際的工程問題，方便我們對現場設備的監控。它具有通用性，能夠在各種自動化領域中得到廣泛的應用[6]。

2.2 MCGS系統的構成

MCGS組態軟件主要是由運行環境和組態環境兩個環境組成的。系統上組態環境主要是用戶用在編輯設計自己的應用環境，用戶可以在其上二次開發，構造出自己的軟件平臺。而運行環境主要是按照用戶在組態環境上的設計的功能進行運行，顯示用戶所需要的數據。組態環境跟運行環境的過渡如圖2所示。

MCGS組態軟件的結構圖如圖3所示，主要包括實時數據庫、主控窗口、用戶窗口、設備窗口和運行策略五部分。

圖2 組態環境過渡圖

3 分布式能源測試系統

3.1 系統介紹及設計方案

在實驗室設備的基礎上，組建一個測試系統。主要設計方案：將實驗室各設備上的重要位置點加以安裝壓力傳感器、溫度傳感器或流量傳感器來隨時測試各位置點的參數，通過輸入模塊設備采集信號，并將信號轉換輸送到電腦。利用在MCGS工控組態軟件基礎上二次開發的試驗平臺進行收集信號，并加以計算并在原先設計好的“東莞理工學院分布式能源系統試驗平臺”上顯示出來，最后輸送到大的顯示器上方便顯示。

3.2 傳感器設備

3.2.1 微差壓變送器

本文研究主要使用JYB-DW擴散硅微差壓變送器，用于測試除濕機排出的空氣壓力。對于微差壓傳感器接線主要采用三線制電流輸出方式。

3.2.2 大氣壓力變送器

本文研究使用 JQYB 大氣壓力變送器主要用于測試室外環境大氣壓力。

3.2.3 溫度傳感器、變送器

本文研究使用的是JWB一體化溫度變送器、傳感器系列。該系列的傳感器與MCGS軟件設計后的測試平臺配合使用，能夠準確地測量實驗室設備上各位置點上的溫度。它的使用范圍有-200～1 600 ℃，而在本文研究主要采用（0～50 ℃）、（0～150 ℃）、（0～500 ℃）等幾個溫度范圍。

3.2.4 智能電磁流量計

本文研究主要使用ZY-LDE智能電磁流量計。相對其他非智能的電磁流量計，智能電磁流量計具有高精度、可靠性高、安全性高、功能強大等特點。

3.2.4 多功能電力表

本文研究利用多功能電力表收集實驗室微型燃氣輪機跟內燃機的功率、電壓、電流等參數，儀表能夠智能顯示各參數隨時間變化的瞬時值。

通過將微型燃氣輪機跟內燃機的電源端口并聯，給予兩個設備一個220 V電源電壓。將該電力表設置好后，該多功能電力表就能夠將收集到的參數顯示出來，還能通過信號連接線，連接接口轉換器，將信號轉換后輸送到計算機上已經設計好的軟件測試平臺上顯示出來。

3.3 輸入模塊設備構件

本文設計主要采用監控產品MCGS組態——昆侖海岸kl-m4000系列，主要采用了四個KLM-4514多通道模擬量采集模塊設備、一個KLM-4524多通道開關量采集模塊設備和一個KLM-4542S鉑電阻輸入模塊設備，并安裝在同一電柜里。

3.3.1 多通道模擬量采集模塊設備構件

圖3 MCGS結構圖

圖4 分布式能源測試系統結構圖

本文研究多通道模擬量采集模塊主要采用KLM-4514，模塊信號輸入端口有16路，使用的直流電流信號為4～20 mA。模塊功能主要是通過采集傳感器傳來的信號，并傳輸信號到計算機測試系統軟件上，完成傳感器與計算機的聯系，這樣能夠滿足我們對實驗室分布式能源系統設備上各位置點溫度的監控。KLM-4514多通道模擬量采集模塊和主機的通訊方式為RS232/RS485連接，并使用MCGS組態軟件收集輸入模塊的輸出信號。

3.3.2 多通道開關量采集模塊設備構件

本文研究多通道模擬量采集模塊主要采用KLM-4524，模塊信號輸入端口有16路，使用的直流電流信號為4～20 mA。模塊功能主要是通過采集傳感器傳來的信號，并傳輸信號到計算機測試系統軟件上，完成傳感器與計算機的聯系，這樣能夠滿足我們對分布式能源系統設備上各位置點溫度的監控。KLM-4524多通道開關量采集模塊和主機的通訊方式為RS232/RS485連接，并使用MCGS組態軟件收集輸入模塊的輸出信號。

3.3.3 鉑電阻輸入模塊設備構件

本文研究多通道模擬量采集模塊主要采用設備KLM-4542S鉑電阻輸入模塊、其是集采集、通訊為一體的鉑電阻輸入模塊，8路PT100信號輸入，通訊可選RS-232或RS-485接口。模塊功能主要是通過采集傳感器傳來的信號，并傳輸信號到計算機測試系統軟件上，完成傳感器與計算機的聯系，這樣能夠滿足我們對實驗室分布式能源系統設備上各位置點溫度的監控。KLM-4542S鉑電阻輸入模塊和主機的通訊方式為RS232/RS485連接，并使用MCGS組態軟件收集輸入模塊的輸出信號。

3.3.4 接口轉換器

通過RS232/RS485 UT-2216接口轉換器（如圖4.13所示）將輸入模塊設備構件輸送到測試系統軟件的信號進行轉換。它具備RS232和RS485標準，能夠將RS232信號進行轉換，轉換成平衡差分RS485信號。

3.4 系統主界面設計

如圖5所示，以上就是本文研究系統軟件主界面的設計，在這“分布式能源系統試驗平臺”上，我們可以明顯的看出分布式能源系統的現場設備。通過MCGS軟件傳輸過來的數據，我們可以明顯地看出各現場設備各位置點的實時數據變化。

系統軟件中設備窗口利用設備構件來驅動外部設備，并將采集到的數據輸送到實時數據庫中。軟件中的運行策略通過策略構件，將采集到的數據進行操作和處理。而用戶窗口中的圖像對象與實時數據庫中的數據對象建立連接的關系，并且通過動畫顯示出來。

圖5 分布式能源系統試驗平臺

圖6 系統窗口關系圖

4 總結

1）通過MCGS組態環境顯示，各大設備上位置點傳感器均有信號輸入，可見各個傳感器、電柜里各個輸入模塊的連線跟系統軟件的連接都沒有出現問題。

2）實現了以 MCGS組態軟件為平臺，設計了基于變送器數據采集的分布式能源測試系統，建立軟件測試平臺。