梁子鵬　黃清寶　黃曾

摘 要：作為微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中極其重要的部分，微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)以保障微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。本文是通過微電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用、以微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為硬件基礎(chǔ)，針對(duì)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與檢測(cè)功能、數(shù)據(jù)采集、顯示功能和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能，使用專業(yè)圖形化編程軟件LabVIEW設(shè)計(jì)并編寫了監(jiān)控系統(tǒng)。成功實(shí)現(xiàn)了通過監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)功能，完成了監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互的預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；LabVIEW；數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；實(shí)時(shí)控制

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

中國(guó)現(xiàn)階段的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，過多地依賴于不可再生的能源是其中的一個(gè)重要原因。新能源的科學(xué)利用可以有效地減緩環(huán)境污染和能源枯竭帶來的一系列不良影響?？茖W(xué)合理地整合利用可再生能源成了當(dāng)前的重要議題。微電網(wǎng)的出現(xiàn)可以將風(fēng)能、太陽(yáng)能、光能等可再生的新能源轉(zhuǎn)換為電能，并且可以行使統(tǒng)一、集中使用。

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，負(fù)荷結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。數(shù)字控制器件和功率電子器件的使用使得現(xiàn)在的電力設(shè)備對(duì)電磁干擾十分敏感。對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)備來說電壓擾動(dòng)等微小的變化是無關(guān)緊要的，但是對(duì)于現(xiàn)代的用電設(shè)備會(huì)造成很大的影響，會(huì)影響電子控制系統(tǒng)的正常工作，影響生產(chǎn)并造成不可逆轉(zhuǎn)的損失。因此對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)中的電能進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)控，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的問題，為深入研究微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題提供科學(xué)的依據(jù)，因此對(duì)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的研究具有重大的意義。徐瑞等提出了一種基于電力線載波通信的LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)，并用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。張海峰等提出了3個(gè)邏輯層構(gòu)成的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。本文針對(duì)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了基于LabVIEW的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案。

1.微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

本文所述的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為小型微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)圖為圖1所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支路硬件包含3條單相光伏發(fā)電支路，分別為單晶光伏陣列（最大功率3150W）、多晶光伏陣列（最大功率3150W）和薄膜光伏陣列（最大功率2940W），電動(dòng)汽車支路（額定功率5kW，輸出電壓AC220v+-5%），可編程交流RLC負(fù)載ACLT-3803H支路（總裝機(jī)容量99.99kVA），可編程交流電源支路（Chroma61512），和單相負(fù)載ACLT-2202H支路。母線電壓為AC380V，接線方式為三相四線制。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的監(jiān)控核心，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)行狀況確保其穩(wěn)定安全運(yùn)行，其硬件包含研華工控機(jī)1臺(tái)、飛利浦液晶顯示屏1臺(tái)、研華PCI-1680研華PCI-1762數(shù)據(jù)采集卡兩塊，軟件采用LabVIEW進(jìn)行編程。

2.微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析

根據(jù)本文的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的具體要求，本監(jiān)控系統(tǒng)需求包括可編程交流電源監(jiān)控、可編程交流負(fù)載監(jiān)控、三相交流負(fù)載監(jiān)控、RLC單相負(fù)載監(jiān)控、電動(dòng)汽車單相負(fù)載監(jiān)控、1-3號(hào)光伏單相負(fù)載監(jiān)控、三相交流負(fù)載及故障實(shí)驗(yàn)監(jiān)控以及微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體監(jiān)控等功能。確保微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以在孤島和并網(wǎng)模式下穩(wěn)定安全地運(yùn)行。

2.1 微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各支路監(jiān)控

文章標(biāo)題中盡量避免使用生僻的英文縮寫。各個(gè)支路的監(jiān)控設(shè)計(jì)要滿足微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具體要求，支路的監(jiān)控模塊要對(duì)支路的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息進(jìn)行全面地監(jiān)控。對(duì)各支路的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效地采集和分析，這些信息包括各支路的電流數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。還要根據(jù)各支路的數(shù)據(jù)信息控制各支路的運(yùn)行狀況。此外根據(jù)各個(gè)支路的具體特點(diǎn)，支路的監(jiān)控設(shè)計(jì)要滿足其具體要求。

2.2 微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體監(jiān)控

整體監(jiān)控系統(tǒng)要對(duì)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行進(jìn)行綜合監(jiān)控，包括整體運(yùn)行模式的選擇，采集公共接觸點(diǎn)電壓、母線電壓、母線電流、母線輸出功率、母線輸入功率、外網(wǎng)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的交換功率等一系列數(shù)據(jù)信息。整體監(jiān)控系統(tǒng)還要根據(jù)采集上來的信息對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成實(shí)時(shí)可靠地控制。此微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用主從控制，具體實(shí)現(xiàn)為孤島運(yùn)行時(shí)可編程交流電源作為主控電源，其中電動(dòng)汽車雙向變換器采取U/f控制，其他變換器為P/Q控制。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)連接在母線上的變換器均采用P/Q控制。

3.監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的，監(jiān)控系統(tǒng)要具備的功能包括微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)感知控制保護(hù)系統(tǒng)電氣主接線遠(yuǎn)控、狀態(tài)監(jiān)控、電力參數(shù)采集以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。初步確立程序中的各個(gè)子模塊、子程序，進(jìn)一步確立它們之間的配合關(guān)系，在設(shè)計(jì)的過程中，主要確立的是模塊的構(gòu)成，為具體的開發(fā)打下基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)中所開發(fā)的LabVIEW程序項(xiàng)目中應(yīng)該有監(jiān)控主界面、遠(yuǎn)程控制程序、狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序、串口通信程序和數(shù)據(jù)庫(kù)程序等。在主界面上可以控制其他用于分析的子程序模塊，各個(gè)模塊組合支撐整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，從而能夠通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)各支路的斷路器及單相支路接觸器的遠(yuǎn)程控制，即通過監(jiān)控主界面的開關(guān)按鍵實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合閘操作；可以對(duì)斷路器及單相支路接觸器分合閘狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，斷路器脫扣時(shí)，監(jiān)控界面發(fā)出警告信號(hào)；完成投入運(yùn)行的支路的數(shù)顯多功能表的電流、電壓、有功無功等數(shù)據(jù)采集，最后對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以便隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。QF1-8為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中斷路器，PT1-8為各個(gè)支路電表，具體的監(jiān)控系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3.1 軟件平臺(tái)LabVIEW

LabVIEW是一個(gè)面向用戶的編程工具，可以靈活地設(shè)計(jì)系統(tǒng)的界面。圖形化的控件對(duì)應(yīng)于實(shí)際儀器的控件，在軟件平臺(tái)中使用線條將他們連接起來就能完整實(shí)現(xiàn)代碼的編寫。其可以在系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、傳輸和顯示存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)提供開發(fā)工具，在使用它進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和監(jiān)控時(shí)，應(yīng)該對(duì)要進(jìn)行測(cè)試的目的和實(shí)現(xiàn)的順序有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)選擇相應(yīng)的圖形化控件進(jìn)行編程，能提高工作效率，減少程序開發(fā)的時(shí)間。

在監(jiān)控系統(tǒng)中，大部分的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制，使用數(shù)據(jù)流模式來處理這些數(shù)據(jù)最為方便，也降低流程圖的復(fù)雜度，因此利用LabVIEW編寫監(jiān)控系統(tǒng)是合理的選擇。

3.2 數(shù)據(jù)采集及控制設(shè)備

為了使LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器能夠獲取到實(shí)際儀器的數(shù)據(jù)，基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集板卡產(chǎn)品有很好的應(yīng)用前景。在本研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，能夠在上位機(jī)控制開關(guān)的開合及顯示開關(guān)的狀態(tài)，需要以PCI-1762板卡為硬件平臺(tái)，借助研華公司的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序提供的子函數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊程序。接口針腳定義和實(shí)物接線如圖3所示。圖4為L(zhǎng)abVIEW數(shù)據(jù)采集具體程序圖和開關(guān)遠(yuǎn)程控制程序圖。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)該首先生成Access數(shù)據(jù)庫(kù)表格，所以在系統(tǒng)初始化時(shí)就要建立數(shù)據(jù)庫(kù)的表格，初始設(shè)置子VI中包含存儲(chǔ)的位置和存儲(chǔ)的周期，這個(gè)存儲(chǔ)位置和存儲(chǔ)周期可以根據(jù)自己的需要和系統(tǒng)的要求自定義設(shè)定，設(shè)定的存儲(chǔ)位置為D：＼＼交流微電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)周期為1000ms。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)就會(huì)將創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫(kù).mdb格式文件存儲(chǔ)在相應(yīng)文件夾中。建立數(shù)據(jù)庫(kù)的程序框圖如圖5所示。

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行

微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控上位機(jī)包括本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各個(gè)分支器件，以及綜合監(jiān)控。主監(jiān)控界面如圖6所示。

下面以隔離變壓器支路為例介紹監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，系統(tǒng)運(yùn)行中查看波形，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，接入光伏支路和可編程交流負(fù)載支路，隔離變壓器支路的實(shí)時(shí)電壓和電流曲線如圖7和圖8所示。

由于PT1電表采集的是連接大電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，所以三相的電壓值保持在226V左右。

通過實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以查看已保存的歷史數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)的周期為1000ms，所以每1秒鐘寫入的數(shù)據(jù)都可以查詢到，以便進(jìn)行分析處理。圖9為運(yùn)行時(shí)可編程交流負(fù)載支路生成的數(shù)據(jù)表，通過對(duì)生成的數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)處理可以繪制出其具體的功率曲線圖。

結(jié)論

本文針對(duì)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際需求分析設(shè)計(jì)了合理的監(jiān)控系統(tǒng)，并基于labview實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)際的運(yùn)行驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠的特點(diǎn)。可以為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的安全運(yùn)行提供科學(xué)的保障。

參考文獻(xiàn)

[1]陳昌松，段善旭，殷進(jìn)軍.基于發(fā)電預(yù)測(cè)的分布式發(fā)電能量管理系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（3）：150-156.

[2]王志霞，張會(huì)民，田偉.微網(wǎng)研究綜述[J].電氣應(yīng)用，2010（6）：76-80.

[3]張丹，王杰.國(guó)內(nèi)微電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016（2）：451-458.

[4]劉暢，袁榮湘，劉斌，等.微電網(wǎng)運(yùn)行與發(fā)展研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010（5）：43-47.

[5]徐瑞，鄧勇，劉衛(wèi)亮，等.基于LonWorks電力線載波通信的微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)[J].信息安全與技術(shù)，2012（7）：71-74.

[6]張海峰，司楊，李梓芳.光伏電池板監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（1）：20-24，64.