劉年霖，彭佑多

（湖南科技大學(xué) 機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201）

極端天氣下的大風(fēng)對(duì)安裝在露天的碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的危害很大：一是可能會(huì)引起太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的嚴(yán)重變形，甚至損壞性倒塌；二是大風(fēng)會(huì)使網(wǎng)架變形，進(jìn)而引起集熱鏡損壞[2]。為了避免以上危害的發(fā)生，需要設(shè)計(jì)一種合理、有效的預(yù)警系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大風(fēng)風(fēng)速的提前預(yù)測(cè)，使碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的聚光器在大風(fēng)來(lái)到前調(diào)整到最佳角度，以最少迎風(fēng)受力面躲避大風(fēng)，從而保證碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的安全。

目前，國(guó)內(nèi)外大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)所用預(yù)警策略可根據(jù)其采用的原理不同分為時(shí)間點(diǎn)預(yù)警、空間點(diǎn)預(yù)警和預(yù)警值預(yù)警。時(shí)間點(diǎn)預(yù)警方法可借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)建模和預(yù)測(cè)的過(guò)程，實(shí)用性強(qiáng)，但存在對(duì)突發(fā)大風(fēng)預(yù)測(cè)精度不高的問(wèn)題；空間點(diǎn)預(yù)警該方法操作實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只需構(gòu)建軟件系統(tǒng)，然后利用氣象部門已有的硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大風(fēng)預(yù)警，但是該方法預(yù)測(cè)精度不高，尤其對(duì)太陽(yáng)能電站周圍的風(fēng)速變化情況無(wú)法準(zhǔn)確反映出來(lái)；預(yù)警值預(yù)警能很好實(shí)現(xiàn)漸變風(fēng)速和突變大風(fēng)的預(yù)警，但是增加了操作過(guò)程的麻煩程度，也縮短了預(yù)警時(shí)間。

根據(jù)太陽(yáng)能電站的實(shí)際情況，大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)采取以時(shí)間點(diǎn)預(yù)警為主，以預(yù)警值預(yù)警為輔的預(yù)警策略。既充分發(fā)揮時(shí)間點(diǎn)預(yù)警策略的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，又利用預(yù)警值預(yù)警來(lái)彌補(bǔ)時(shí)間點(diǎn)預(yù)警對(duì)于突變大風(fēng)預(yù)測(cè)帶來(lái)的預(yù)測(cè)誤差。

1 大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的組成

1.1 大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的性能要求

為了滿足監(jiān)控中心的指揮需要，對(duì)大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的性能提出如下要求：

（1）預(yù)測(cè)精度方面：風(fēng)速的超前一步預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差MAPE≤10%。

（2）實(shí)時(shí)性方面：預(yù)測(cè)模型輸出結(jié)果的時(shí)間延時(shí)不超過(guò)超前預(yù)測(cè)時(shí)間的10%。

（3）模型計(jì)算方面：在保證預(yù)測(cè)精度的前提下，所建模型盡量簡(jiǎn)單，建模計(jì)算量小，同時(shí)完成建模后能夠得到模型的具體方程。

1.2 大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的工作原理

碟式太陽(yáng)能電站對(duì)日跟蹤系統(tǒng)采用雙軸驅(qū)動(dòng)控制方案，雙軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有確定的伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制器硬件系統(tǒng)。因此，本文所述大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)只需在雙軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加風(fēng)速傳感器和上位機(jī)。其工作原理為：風(fēng)速傳感器將采集到風(fēng)速數(shù)據(jù)輸入到運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器將風(fēng)速數(shù)據(jù)以動(dòng)畫(huà)形式呈現(xiàn)于上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)采集到的大量歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)運(yùn)用預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)大風(fēng)風(fēng)速的提前預(yù)測(cè)，同時(shí)上位機(jī)利用組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)行風(fēng)速預(yù)警值監(jiān)控，當(dāng)預(yù)測(cè)得到的風(fēng)速值大于8級(jí)風(fēng)的風(fēng)速值時(shí)或者預(yù)警風(fēng)速短時(shí)間內(nèi)持續(xù)大于7級(jí)風(fēng)的風(fēng)速值時(shí)，上位機(jī)命令運(yùn)動(dòng)控制器向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出一定的脈沖數(shù)和脈沖頻率，以驅(qū)動(dòng)方位角伺服電機(jī)停止動(dòng)作，高度角伺服電機(jī)快速使聚光器到達(dá)水平位置，以最少迎風(fēng)受力面等待大風(fēng)的到來(lái)。大風(fēng)預(yù)警控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大風(fēng)預(yù)警控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Gale warning and control system structure

1.3 風(fēng)速預(yù)測(cè)算法的選擇

目前，風(fēng)速預(yù)測(cè)算法[10]有很多種，時(shí)間序列法憑借其原理簡(jiǎn)單、建模方便而運(yùn)用最為廣泛，但它卻存在預(yù)測(cè)精度低和預(yù)測(cè)延時(shí)的不足?？柭鼮V波法能根據(jù)最新測(cè)量數(shù)據(jù)修正模型參數(shù)，獲得較高的預(yù)測(cè)精度，同時(shí)彌補(bǔ)了預(yù)測(cè)延時(shí)的問(wèn)題，而利用卡爾曼濾波法實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的前提是根據(jù)預(yù)測(cè)對(duì)象推導(dǎo)出卡爾曼濾波法對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程，考慮到時(shí)間序列法的建模優(yōu)勢(shì)，可利用時(shí)間序列法的模型參數(shù)推導(dǎo)出卡爾曼濾波法的狀態(tài)方程和測(cè)量方程，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的超前預(yù)測(cè)。

2 大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)主要由風(fēng)速采集裝置、雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和上位機(jī)組成。風(fēng)速采集部分主要由風(fēng)速傳感器、PLC和PLC配套的模擬量輸入模塊組成。風(fēng)速傳感器與模擬量輸入模塊連接，系統(tǒng)由PLC接收經(jīng)模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)化后得到的風(fēng)速信號(hào)，獲取風(fēng)速值，PLC根據(jù)上位機(jī)的要求，控制雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、高度角運(yùn)動(dòng)裝置和方位角運(yùn)動(dòng)裝置組成。伺服驅(qū)動(dòng)器接收PLC的輸出脈沖，根據(jù)輸出脈沖的個(gè)數(shù)和脈沖頻率來(lái)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)速，從而通過(guò)伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)高度角運(yùn)動(dòng)裝置和方位角運(yùn)動(dòng)裝置調(diào)整聚光器的位置。Matlab軟件和組態(tài)王軟件組成上位機(jī)系統(tǒng)，Matlab根據(jù)采集到的風(fēng)速數(shù)據(jù)運(yùn)用數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)算法得到預(yù)測(cè)風(fēng)速值，運(yùn)用DDE通信技術(shù)將預(yù)測(cè)風(fēng)速值傳給組態(tài)王，組態(tài)王根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的風(fēng)速情況和接收到的預(yù)測(cè)風(fēng)速值情況，控制PLC實(shí)現(xiàn)需要的操作。根據(jù)大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的控制功能要求，系統(tǒng)需要開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)4個(gè)，開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)4個(gè)。

大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的硬件接線圖如圖2所示，風(fēng)速傳感器有紅、黃、綠三根線，紅線為風(fēng)速傳感器的電源線，與DC24V+連接；黃線為信號(hào)輸出線，輸出4～20mA的電流信號(hào)，接A/D轉(zhuǎn)換模塊的V+，同時(shí)必須將A/D轉(zhuǎn)換模塊上的V+和I+接口并聯(lián)起來(lái)，綠線則同時(shí)與DC24V-和VI-相連。伺服驅(qū)動(dòng)器10號(hào)引腳ServoEn為伺服使能端子，與外接24 V電源的負(fù)極相連，當(dāng)它為ON時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器工作；為OFF時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器停止工作。18號(hào)引腳VCCCOM與外接24V電源的正極相連，用來(lái)驅(qū)動(dòng)輸入端子的光電耦合器。32號(hào)引腳PulseInv+和33號(hào)引腳PulseInv-為脈沖信號(hào)輸入端，接收PLC輸出的脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制。34號(hào)引腳SingInv+和35號(hào)引腳SingInv-為方向信號(hào)輸入端，接收方向信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。

圖2 大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)硬件接線圖Fig.2 Hardware w iring diagram of the gale warning system

3 大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 組態(tài)王程序

首先，運(yùn)行組態(tài)王軟件，新建一個(gè)名為“基于組態(tài)王和Matlab大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)”的工程，并設(shè)為當(dāng)前工程；進(jìn)入工程瀏覽界面，在組態(tài)王中定義與所用PLC相對(duì)應(yīng)的邏輯設(shè)備，根據(jù)“設(shè)備配置向?qū)А蓖瓿?；完成后，點(diǎn)擊左側(cè)目錄樹(shù)中的“COM1”，選擇波特率為9600、數(shù)據(jù)位為7、校驗(yàn)方式為偶校驗(yàn)、停止位為1、通信方式為RS422。其次，需要構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)，在左側(cè)的目錄樹(shù)中，選擇“數(shù)據(jù)詞典”，點(diǎn)擊新建；按照I/O分配表新建對(duì)應(yīng)的變量，運(yùn)行組態(tài)王時(shí)就可以從PLC上采集到這些數(shù)據(jù)。最后，在組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，利用其提供的圖庫(kù)和各種控件完成畫(huà)面的設(shè)計(jì)，通過(guò)與數(shù)據(jù)詞典中各變量連接，完成了組態(tài)王的程序設(shè)計(jì)[3-5]。設(shè)計(jì)的主畫(huà)面如圖3所示。

圖3 組態(tài)王監(jiān)控主界面Fig.3 Main interface of Kingview

3.2 Matlab程序

Matlab程序設(shè)計(jì)包括卡爾曼濾波法算法程序設(shè)計(jì)、Matlab與組態(tài)王通信程序設(shè)計(jì)和基于Matlab的GUI大風(fēng)預(yù)警界面設(shè)計(jì)。

（1）由于很難得到風(fēng)速與氣溫、氣象等風(fēng)速影響因素之間的函數(shù)關(guān)系方程來(lái)推導(dǎo)出卡爾曼濾波法對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程，為了解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)可以利用時(shí)間序列法的模型參數(shù)來(lái)推導(dǎo)卡爾曼濾波法對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程。時(shí)間序列法的求參過(guò)程包括風(fēng)速序列的非平穩(wěn)性檢驗(yàn)與預(yù)處理、自相關(guān)函數(shù)與偏相關(guān)函數(shù)的計(jì)算、根據(jù)AIC準(zhǔn)則定階和運(yùn)用矩估計(jì)實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的確立等諸多工作，根據(jù)求得的模型參數(shù)就能推導(dǎo)出卡爾曼濾波法的狀態(tài)方程和測(cè)量方程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的超前預(yù)測(cè)。以上這些工作均可通過(guò)Matlab編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）Matlab軟件與組態(tài)王軟件間的數(shù)據(jù)通信是采用DDE來(lái)實(shí)現(xiàn)。在Windows環(huán)境下，DDE是不同程序之間共享數(shù)據(jù)的一個(gè)協(xié)議。DDE對(duì)話發(fā)生在客戶應(yīng)用程序和服務(wù)器應(yīng)用程序之間，數(shù)據(jù)交換雙方互做服務(wù)器和客戶。此程序需要實(shí)現(xiàn)將采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)送入組態(tài)王進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，并送到Matlab進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算處理，將運(yùn)算得到的結(jié)果返回組態(tài)王以顯示。

在組態(tài)王中DDE的建立步驟如下：工程瀏覽器-系統(tǒng)-設(shè)備-DDE-新建-設(shè)備配置向?qū)?指導(dǎo)連接對(duì)象名Matlab-服務(wù)程序名Matlab-話題名tagname-標(biāo)準(zhǔn)的Windows項(xiàng)目交換。設(shè)備新建完成后需要在數(shù)據(jù)詞典中定義允許DDE訪問(wèn)的I/O變量，且變量與PLC存儲(chǔ)區(qū)關(guān)聯(lián)，這些變量用于與Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并在完成畫(huà)面制作后對(duì)畫(huà)面和變量間進(jìn)行關(guān)聯(lián)[6]。

Matlab的DDE客戶函數(shù)有7個(gè)，它們完全可以滿足組態(tài)王軟件不斷將采集到的數(shù)據(jù)送到Matlab程序中，Matlab計(jì)算完成后將結(jié)果返回主程序的任務(wù)。在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于需要的風(fēng)速歷史數(shù)據(jù)比較大，自己實(shí)時(shí)從組態(tài)王傳輸給Matlab程序比較耗費(fèi)時(shí)間，且在傳輸過(guò)程中Matlab無(wú)法進(jìn)行其他操作，因此，這里改用一種更為簡(jiǎn)單和方便的數(shù)據(jù)交換方式，即組態(tài)王將歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)以Excel文件導(dǎo)入到Matlab中，Matlab將計(jì)算后的結(jié)果通過(guò)DDE傳入到組態(tài)王進(jìn)行顯示[7-9]。

（3）根據(jù)前文完成的卡爾曼濾波算法程序設(shè)計(jì)和Matlab與組態(tài)王通信程序設(shè)計(jì)，同時(shí)為了更直觀、更方便的實(shí)現(xiàn)人機(jī)化操作，使用Matlab中的GUI工具箱完成了大風(fēng)預(yù)測(cè)操作界面的設(shè)計(jì)。大風(fēng)預(yù)測(cè)操作界面如圖4和圖5所示[1]。

圖4 風(fēng)速數(shù)據(jù)預(yù)處理界面Fig.4 W ind speed data preprocessing interface

圖5 風(fēng)速預(yù)測(cè)結(jié)果顯示界面Fig.5 Wind speed forecasting results disp lay interface

通過(guò)組態(tài)王軟件采集250個(gè)實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)（每分鐘采樣1點(diǎn)，相隔5個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理），前200個(gè)數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)模型的建立，后50個(gè)數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確度和對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。從圖5中可以看出預(yù)測(cè)曲線能體現(xiàn)風(fēng)速變化趨勢(shì)，擬合風(fēng)速基本接近實(shí)測(cè)風(fēng)速，算得其平均相對(duì)誤差為3.54%，預(yù)測(cè)精度較高，滿足預(yù)測(cè)精度要求，具有實(shí)用價(jià)值。同時(shí)按下“數(shù)據(jù)傳入組態(tài)王”按鈕，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)將傳入組態(tài)王中顯示，并自動(dòng)與設(shè)定的8級(jí)風(fēng)速值比較，實(shí)現(xiàn)大風(fēng)的預(yù)警，整個(gè)預(yù)警過(guò)程大約花費(fèi)時(shí)間為10 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于30 s的最大允許值。同時(shí)為了得到預(yù)測(cè)模型的具體方程，利用了時(shí)間序列分析法的模型參數(shù)來(lái)推導(dǎo)卡爾曼濾波法對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程，由于時(shí)間序列分析法的求參過(guò)程相對(duì)容易，因此，整個(gè)模型計(jì)算難度不大，計(jì)算量小，可通過(guò)Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)，使其具有很好的工程實(shí)用性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將Matlab強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力和組態(tài)王強(qiáng)大的人機(jī)界面和通信功能有效結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一種以PLC為核心的大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)。根據(jù)大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的性能要求，完成了硬件結(jié)構(gòu)和軟件的設(shè)計(jì)，針對(duì)風(fēng)速進(jìn)行超前預(yù)測(cè)，該系統(tǒng)具有通用性、實(shí)用性和可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、有效的通信。

[1] 陳垚光，毛濤濤，王正林，等.精通MATLAB GUI設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2] 劉年霖，彭佑多，王旻輝，等.大功率碟式太陽(yáng)能電站大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013（3）：126-128.

[3] 徐建國(guó)，鐘偉明，童旻，等.基于Matlab7.0和組態(tài)王的先進(jìn)過(guò)程控制算法實(shí)測(cè)平臺(tái)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：542-544.

[4] 胡大斌，胡錦暉，吳峰.基于組態(tài)王與MATLAB的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2005，29（2）：234-237.

[5] 朱培逸，王引佳，高玨，等.基于PLC和組態(tài)王的水果品質(zhì)分級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（10）：103-106.

[6] 鄭華，呂偉珍.基于組態(tài)王和Matlab的雙容水箱液位控制[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2012（2）：155-157.

[7] 崔紅，龐中華，劉軍.基于組態(tài)王6.0和MATLAB的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，26（2）：173-176.

[8] 黃衛(wèi)華，方康玲，章政.基于組態(tài)王和MATLAB的溫度監(jiān)控系統(tǒng)[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，29（5）：490-492.

[9] 陳艷紅，付海鴻，趙媛媛，等.基于Matlab與Excel的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理[J].計(jì)算機(jī)工程，2007，33（23）：279-280.

[10]潘迪夫，劉輝，李燕飛.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速短期多步預(yù)測(cè)改進(jìn)算法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（26）：87-91. ■