張海濤, 田 鑫, 陳志剛

(中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710082)

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基于集中控制系統(tǒng)的建筑電氣節(jié)能技術(shù)

張海濤, 田 鑫, 陳志剛

(中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710082)

結(jié)合光風(fēng)發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)例,對(duì)光風(fēng)發(fā)電并網(wǎng)的集中控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),對(duì)電源電路、采集電路、復(fù)位電路、接口和顯示屏等進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì),并對(duì)集中控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。通過軟硬件模塊的調(diào)試,可實(shí)現(xiàn)集中控制系統(tǒng)的監(jiān)控,從電氣控制系統(tǒng)角度提升了建筑節(jié)能。

集中控制系統(tǒng); 電氣節(jié)能; 硬件設(shè)計(jì); 軟件設(shè)計(jì); 節(jié)能評(píng)價(jià)

張海濤(1976—),男,高級(jí)工程師,從事建筑電氣技術(shù)及信息化方面的工作。

0 引 言

我國有較豐富的太陽能和風(fēng)能資源,65%以上的面積擁有超2 000 h的日照時(shí)間,具有良好的太陽能光伏發(fā)電的條件,特別是中西部地區(qū),日照的輻射量很大。風(fēng)能資源可利用區(qū)域也超過75%,其中沿海風(fēng)能資源特別豐富。如果將太陽能和風(fēng)能集中設(shè)計(jì)到建筑中,進(jìn)行光風(fēng)電建筑一體化設(shè)計(jì),對(duì)提高建筑節(jié)能有很大的幫助[1-6]。

集中控制是建筑節(jié)能技術(shù)的核心部分之一,控制和管理電氣設(shè)備的效果能很大程度上提高建筑的節(jié)能效果[7-8]。本文對(duì)光風(fēng)電節(jié)能建筑的集中控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、檢測預(yù)警等功能,通過對(duì)光風(fēng)建筑的電氣集中控制,更好地提升建筑的節(jié)能效果。

1 光風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不帶儲(chǔ)能的光風(fēng)電系統(tǒng)省去了儲(chǔ)能裝置部分,將光風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng),減少了光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電不易儲(chǔ)能的問題。通常大型建筑的用電負(fù)荷大,光風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的電量較小,可不必儲(chǔ)存。光風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池、光伏列陣控制器、風(fēng)能發(fā)電機(jī)及其控制器、整流器、逆變器和集中控制系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

圖1 光風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光風(fēng)電系統(tǒng)是集太陽能、風(fēng)能、傳統(tǒng)電能為一體的智能電源控制系統(tǒng),與傳統(tǒng)的單一光伏建筑相比,具有成本低、穩(wěn)定性高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

2 集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

集中控制系統(tǒng)是光風(fēng)電系統(tǒng)的核心,控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài),對(duì)節(jié)能效果和安全性能有重要影響。集中控制通常由集中控制器和監(jiān)控機(jī)組成,目前多使用可編程序控制器和單片機(jī)。可編程序控制器編程較簡單,但響應(yīng)速度偏慢,不適用于數(shù)據(jù)較大的場合;單片機(jī)運(yùn)算能力強(qiáng),響應(yīng)速度快,有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。因此,使用嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)集中控制器,具備較穩(wěn)定的硬件電路和控制系統(tǒng),具有優(yōu)良的性能、較長的使用壽命、精確的控制模塊以及良好的人機(jī)交互界面。集中控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用LPC2478微控制器,包含1個(gè)以太網(wǎng)媒體訪問控制器,多個(gè)端口和接口,帶振蕩器和外部存儲(chǔ)控制器,集成了LCD控制器,運(yùn)算頻率可達(dá)72 MHz,具有較高的響應(yīng)速度,可以支持實(shí)時(shí)在線調(diào)試與仿真。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)提供5 V、3.3 V、±15 V電源,其中5 V、±15 V電源分別由外接電源接入,采用三端穩(wěn)壓芯片把5 V電源轉(zhuǎn)換為3.3 V電源,供給微控制器使用。

2.3 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路用于顯示系統(tǒng)時(shí)鐘和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)鐘電路為系統(tǒng)提供工作時(shí)鐘,實(shí)時(shí)時(shí)鐘用于計(jì)時(shí)和報(bào)警。復(fù)位電路用于工作系統(tǒng)的按鍵復(fù)位和上電復(fù)位,通過SP704芯片產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)寄存器的初始化。

2.4 存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)

微控制器自帶的存儲(chǔ)容量有限,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮大運(yùn)算和大數(shù)據(jù)情況下的處理性能,設(shè)計(jì)選用LPC2478自帶動(dòng)態(tài)和靜態(tài)儲(chǔ)存器接口,K4S561632A作為動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存器,K9F2808U0C作為靜態(tài)儲(chǔ)存器,可以滿足系統(tǒng)對(duì)較復(fù)雜運(yùn)算的要求,也可以進(jìn)行信息的儲(chǔ)存和空間管理。

2.5 RS-232和RS-485接口設(shè)計(jì)

RS-232接口最大傳輸距離為15 m,通信方式為設(shè)備間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸,采用電平轉(zhuǎn)換芯片對(duì)微控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,RS-485傳輸距離約為1 200 m,傳輸性能好,結(jié)構(gòu)簡單。

2.6 JTAG接口電路設(shè)計(jì)

通過JTAG接口,可進(jìn)行系統(tǒng)芯片內(nèi)部部件的測試,通常有14針和20針兩種接口,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用20針接口。

2.7 顯示屏電路設(shè)計(jì)

顯示屏電路選用ADS7843觸摸屏控制芯片,可以實(shí)現(xiàn)電極電壓的切換。通過觸摸屏可提供顯示控制信號(hào),也可以將信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單色和彩色的顯示數(shù)據(jù)。

2.8 采集器電路設(shè)計(jì)

采集器電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 采集器電路設(shè)計(jì)

采用CHB-100SF電流傳感器對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行采集,檢測進(jìn)入微控制器的電流。傳感器的額定電流為100 A,輸出電流為100 mA。檢測信號(hào)經(jīng)過調(diào)制電路后進(jìn)入微控制器,經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊后獲得電流值。設(shè)計(jì)采用VSM025A電壓傳感器檢測電網(wǎng)電壓,經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊后獲取,將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào),通過傳感器輸出到電阻,由電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)。電壓采集調(diào)制電路與電流檢測調(diào)制電路基本一致。

3 集中控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

采用嵌入式μC/OS操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)集中控制器。μC/OS是一種多任務(wù)的操作系統(tǒng),具有良好的擴(kuò)展性,可實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、內(nèi)存管理和時(shí)間管理等功能,可采用C語言進(jìn)行編寫。μC/OS操作系統(tǒng)文件由應(yīng)用層軟件、內(nèi)核代碼、配置代碼、移植代碼組成。應(yīng)用層軟件將數(shù)據(jù)采集和分析、系統(tǒng)控制、傳輸通信等功能集合為一個(gè)模塊。集中控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 集中控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

集中控制系統(tǒng)的主邏輯流程如圖5所示。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要先對(duì)日照強(qiáng)度、風(fēng)力、輸出電壓等進(jìn)行檢測判斷,如果符合要求,則啟動(dòng)光風(fēng)發(fā)電系統(tǒng),然后進(jìn)行電網(wǎng)信號(hào)和逆變器信號(hào)的比對(duì),若滿足要求,則為建筑負(fù)載進(jìn)行供電。集中控制系統(tǒng)按照無功補(bǔ)償、安全防護(hù)等策略進(jìn)行管控,通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與融合分析,確定系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),統(tǒng)計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)等信息,以便事后查看。

圖5 集中控制系統(tǒng)的主邏輯流程

集中控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信,上位監(jiān)控機(jī)采用監(jiān)控軟件進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的記錄、分析和報(bào)警。對(duì)集中控制系統(tǒng)的調(diào)試需綜合硬件和軟件各模塊,調(diào)制包括程序編寫和執(zhí)行以及各個(gè)模塊的融合,以實(shí)現(xiàn)集中控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能。

4 節(jié)能評(píng)價(jià)

光風(fēng)電系統(tǒng)節(jié)能評(píng)價(jià)是對(duì)環(huán)境指標(biāo)(太陽輻射量、風(fēng)能密度)、設(shè)備指標(biāo)(使用壽命、維護(hù)管理)、轉(zhuǎn)換效率指標(biāo)和節(jié)能管理控制(最大功率跟蹤策略、群控策略、無功補(bǔ)償策略)等指標(biāo)進(jìn)行分級(jí),按照重要程度進(jìn)行分配權(quán)值。集中控制系統(tǒng)是節(jié)能管理控制的核心,其有效、穩(wěn)定的運(yùn)行,降低了建筑的能耗,節(jié)能評(píng)價(jià)結(jié)果處于優(yōu)良水平。

5 結(jié) 語

本文對(duì)光風(fēng)發(fā)電并網(wǎng)的集中控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),通過軟硬件模塊的調(diào)試,可實(shí)現(xiàn)集中控制系統(tǒng)的監(jiān)控,通過對(duì)建筑內(nèi)電氣系統(tǒng)進(jìn)行集中控制,實(shí)現(xiàn)了光風(fēng)電并網(wǎng)策略,降低了建筑能耗,為整體建筑的節(jié)能降耗提供了有力的保障。

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【辦刊宗旨】

以現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和智能建筑技術(shù)為引導(dǎo)，引領(lǐng)建筑電氣技術(shù)不斷開拓自主知識(shí)創(chuàng)新，向著高效、節(jié)能和綠色的目標(biāo)和方向發(fā)展。及時(shí)、全面地報(bào)道國內(nèi)外建筑電氣最新研究成果和行業(yè)信息，為建筑電氣的研究與開發(fā)、產(chǎn)品制造與應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域打造一流的技術(shù)交流和信息傳遞平臺(tái)。

Building Electrical Energy-saving Technology Based on Centralized Control System

ZHANG Haitao, TIAN Xin, CHEN Zhigang

(China United Northwest Institute for Engineering Design & Research Co., Ltd., Xi’an 710082, China)

Combined by the light wind power grid-connected system example,this paper designed the centralized control system.The designs of hardwares were introduced including power supply circuit,data acquisition circuit,reset circuit,interface and display,etc.The software design of the central control system was elaborated.Through the debugging of hardware and software modules,the monitoring function of centralized control system was realized.From the perspective of electric control system,the building energy conservation is promoted.

centralized control system; energy-saving; hardware design; software design; energy-saving evaluation

TU 201.5

B

1674-8417(2016)09-0016-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.09.004

2016-08-10

田 鑫(1979—),女,高級(jí)工程師,從事綠色、節(jié)能建筑技術(shù)及生態(tài)城市規(guī)劃方面的工作。

陳志剛(1983—),男,工程師,從事建筑智能化技術(shù)方面的工作。