基于物聯網的光儲微電網海水淡化系統的設計與實現

李 虎

（江蘇豐海新能源工程技術有限公司，江蘇 鹽城 224100）

0 引 言

隨著全球氣溫升高、氣候變暖、生活用水需求量不斷增加以及海水淡化技術的不斷提高，國家大力支持發展海水淡化產業，國內外各類相關工程項目發展迅速，這對孤島海水淡化項目的配電系統化、信息化的要求也越來越高，其主要原因有兩方面：一是孤島電網建立困難；二是隨著海外項目的拓展，服務的實時性難以實現。為此，本文設計一套基于物聯網的光儲新能源海水淡化系統，通過各類關鍵技術及控制策略服務系統，解決了孤島海水淡化設備的用電、用水問題，同時通過物聯網的遠程監控方式為設備的持久穩定運行提供了重要保障[1-2]。

1 總體設計方案

基于物聯網的光儲微電網海水淡化系統由物聯網遠程監控終端、光儲微電網系統、海水淡化系統等部分組成，物聯網遠程監控終端負責實現物聯網遠程監控、遠程數據分析、遠程用戶分級管理、遠程下載/上傳程序、報警信息微信推送等功能；光儲微電網系統通過“光伏+儲能”組成的微電網系統為設備提供電源；海水淡化系統實現對海水淡化設備的控制。系統網絡結構如圖1 所示。

圖1 系統網絡結構

2 系統功能設計與實現

2.1 硬件結構

2.1.1 物聯網遠程終端

物聯網遠程終端包含遠程通信模塊、遠程監控電腦、遠程監控手機等部分。遠程通信模塊通過RS 485 接口或TCP/IP網口與微電網系統聯網，遠程監控電腦、手機通過云端服務器與微電網海水淡化系統聯網。

2.1.2 光儲微電網系統

光儲微電網系統包含光伏組件、匯流箱、光伏控制器、儲能變流器、儲能電池簇、交流進線柜、交流出線諧波控制柜、能量管理系統控制柜、消防系統等部分。光伏組件通過匯流箱匯集至光伏控制器；光伏控制器、儲能變流器、儲能電池簇相交于直流母線；儲能變流器、交流進線柜相交于交流母線；交流出線諧波控制柜與交流母線負載側相連，并為能量管理系統控制柜、海水淡化系統、照明、空調、消防系統提供動力電源；能量管理系統控制柜內交換機、服務器與各分布系統通過RS 485 接口或TCP/IP 接口連接，并采集主要斷路器的開關信號；微電網能量管理系統采用工業電腦作為系統控制核心。

2.1.3 海水淡化系統

海水淡化系統包含海水淡化系統配電控制柜、海水淡化設備等部分。海水淡化系統包含觸摸屏、PLC、變頻器、接觸器、電機保護器、交換機、開關電源、各類儀表等，用來實現海水淡化設備的配電、監控、控制。

2.2 系統關鍵技術

2.2.1 物聯網工業云技術

工業云由微信公眾號、云監控平臺、虛擬調試助手組成，工業云通過IoT 模塊連接現場設備與遠程監控系統。開發者可以自己根據需要創建各類事件；可以創建角色，由一個或者多個權限來管理系統；可以管理IoT 模塊，如添加或者刪除；可以創建多用戶賬號，當創建用戶關注工業云微信公眾號后，可接受系統故障消息推送；可以遠程下載/上傳用戶程序；可以遠程監測控制現場設備；可以通過PC、手機APP、手機微信客戶端登錄遠程監控系統；可以實現通過PC、手機APP 進行數據統計分析；可以實現通過PC、手機APP 對實時/歷史曲線進行分析。工業云技術的應用將使得設備的調試、運行、維護更加實時、穩定、安全[3]。

2.2.2 ModBus RTU 技術

ModBus RTU 協議是一種開放的串行協議，被廣泛應用于當今的工業監控設備中。該協議使用RS 232 或RS 485 串行接口進行通信，并得到市場上幾乎所有SCADA、HMI、OPC 服務器和數據采集軟件程序的支持。因此，很容易將ModBus 兼容設備集成到新的或現有的監控應用程序中，并獲得即時的軟件支持。微電網系統內的智能電表、空調、消防、光伏控制器通過ModBus RTU 協議與能量管理系統建立通信，從而實現對光伏功率的控制，以及對消防、空調的監控[4]。

2.2.3 ModBus TCP/IP 技術

ModBus TCP/IP 是ModBus 協議的變體，將ModBus 協議運行在TCP/IP 網絡上，連接端口是502，不需要校驗和計算，因為數據校驗在底層已經完成。通過以太網與任何已安裝的以太網設備完全兼容。微電網系統內的海水淡化系統、以太網IO 采集模塊、儲能變流器、鋰電池BMS 管理系統、物聯網遠程終端模塊都是通過ModBus TCP/IP 協議與能量管理系統建立通信，從而實現各類IO 信號采集、交直流母線的建立和控制以及海水淡化系統與微電網系統的聯鎖控制[5]。

2.2.4 S7 0NLINE 協議

S7 協議是西門子S7 系列工控產品之間使用的標準通信協議，S7 系列的所有工控產品都通過此協議建立通信連接并進行數據交換。海水淡化控制系統1200PLC 與海水淡化HMI 及微電網能量管理系統上位機WINCC 軟件通過S7 0NLINE 協議實現監控及聯鎖控制[6]。

2.2.5 WINCC 全局腳本

WINCC 是西門子上位機開發軟件，支持與基于RJ 45接口及RS 485 接口的各分布系統設備進行通信。全局腳本可實現各分布系統的數據交換及數據運算，WINCC 的全局腳本由全局腳本編輯器實現，可以編寫C 腳本和B 腳本，由開發者根據自己的開發習慣編寫，如圖2 所示。本系統能量管理系統內各分布系統之間的控制策略、數據交換需要在上位機WINCC 軟件中通過全局腳本編程實現[7]。

圖2 全局腳本編輯器

2.2.6 梯形圖語言

梯形圖語言是一種面向過程的編程語言，是PLC 編程開發者最常用的一種語言，梯形圖是在繼電器與接觸器邏輯控制基礎上簡化演變而來，更加形象、直觀，便于開發者使用，是目前二次開發使用最多的一種PLC 編程語言。海水淡化控制系統對各類負載的監控、控制邏輯需要通過梯形圖語言來實現。

2.2.7 SCL 語言

SCL 語言是一種用于S7 自動化系統的高級編程語言。使用SCL 語言編程，可以簡化復雜的數學運算、數據交換和步序結構等編程工作。本系統通過SCL 語言實現海水淡化系統的步序控制及數據運算。

2.2.8 交流變頻技術

交流變頻技術是一種把固定頻率交流電變成直流電后再逆變成不同頻率的交流電的技術，可以與微電網系統聯鎖，同時根據工藝的需要調整頻率也可以達到節能的效果。變頻技術能夠消除電動機啟動電流對微電網的沖擊以及泵類負載的水錘效應，降低了機械磨損，延長了電機的使用壽命。

2.3 系統控制策略

海島微電網海水淡化系統，由于受到缺電缺水的影響，一般工作在離網模式，由新能源為海水淡化系統提供電源，但是由于太陽能的間歇性、隨機性等不可控因素影響，系統發電輸出功率始終處于變化之中。因此，需要能量管理系統對發電功率、負載功率以及儲能電池充放電進行管理和控制。具體控制流程如圖3 所示。

圖3 控制流程

2.3.1 新能源微電網建立與運行

系統由儲能變流器和儲能電池簇建立微電網的頻率和電壓參考[8]，鋰電池管理系統工作后建立直流母線，儲能逆變器工作后建立交流母線，光伏投入后為微電網持續提供新能源電源，微電網為海水淡化系統提供動力電源，能量管理系統負責整個新能源微電網海水淡化系統的監控及協調控制[9-11]。

2.3.2 海水淡化負載投切

海水淡化系統采用反滲透控制技術，系統需要通過泵輸出高壓來實現海水反滲透淡化，泵的投入和切出對微電網的沖擊較大，采用變頻技術后通過能量管理系統協調控制光伏和儲能的出力，從而保證系統的穩定運行。

3 工程應用及效果

本系統設計方案已應用在我司為援助馬爾代夫開發、設計、集成的新能源微電網海水淡化項目，微電網能量管理系統主頁面如圖4 所示。基于物聯網技術并結合項目地光資源數據及水質檢測報告設計日產200 t 光儲微電網海水淡化系統，系統已于2022 年年底安裝調試成功，至今運行穩定，供電和產水質量符合當地要求，較好地保障了島民的生產用水需求。

圖4 系統主頁面

4 結 語

隨著物聯網技術、微電網技術、海水淡化技術的不斷發展，結合我司孤島海水淡化項目的工程經驗，建立基于物聯網技術的“光伏+儲能”的新能源微電網海水淡化系統十分必要。本文對系統硬件結構設計、關鍵技術以及控制策略進行了分析，并將設計方案應用到實際工程項目中；將物聯網技術、微電網關鍵技術及海水淡化技術相結合，建立了各級監控網絡，融合多種通信方式，提高了系統穩定性，降低了運行維護成本，具有一定的推廣意義。