基于LabVIEW微電網實驗平臺監控系統的設計與實現

梁子鵬　黃清寶　黃曾

摘 要：作為微電網實驗平臺中極其重要的部分，微電網實驗平臺監控系統要求實時性好、穩定性強以保障微電網實驗平臺的經濟穩定運行。本文是通過微電網技術的應用、以微電網實驗平臺為硬件基礎，針對微電網實驗平臺監控系統需要實現遠程控制與檢測功能、數據采集、顯示功能和數據的存儲等功能，使用專業圖形化編程軟件LabVIEW設計并編寫了監控系統。成功實現了通過監控系統對實驗平臺的遠程控制和實時數據的采集及存儲功能，完成了監控系統人機交互的預期目標。

關鍵詞：微電網；LabVIEW；數據監測；實時控制

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A

0.引言

中國現階段的環境問題日益嚴重，過多地依賴于不可再生的能源是其中的一個重要原因。新能源的科學利用可以有效地減緩環境污染和能源枯竭帶來的一系列不良影響。科學合理地整合利用可再生能源成了當前的重要議題。微電網的出現可以將風能、太陽能、光能等可再生的新能源轉換為電能，并且可以行使統一、集中使用。

在微電網系統中，負荷結構復雜多變。數字控制器件和功率電子器件的使用使得現在的電力設備對電磁干擾十分敏感。對于傳統設備來說電壓擾動等微小的變化是無關緊要的，但是對于現代的用電設備會造成很大的影響，會影響電子控制系統的正常工作，影響生產并造成不可逆轉的損失。因此對微電網系統中的電能進行實時地監控，可以及時發現系統中的問題，為深入研究微電網系統的電能質量問題提供科學的依據，因此對微電網實驗平臺監控系統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控制網絡，并用組態王實現的微電網監控系統。張海峰等提出了3個邏輯層構成的微電網監控系統。本文針對微電網實驗平臺的具體結構特點，提出了基于LabVIEW的監控系統設計方案并實現了設計方案。

1.微電網實驗平臺介紹

本文所述的實驗平臺為小型微電網實驗平臺，其結構圖為圖1所示。實驗平臺的支路硬件包含3條單相光伏發電支路，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），電動汽車支路（額定功率5kW，輸出電壓AC220v+-5%），可編程交流RLC負載ACLT-3803H支路（總裝機容量99.99kVA），可編程交流電源支路（Chroma61512），和單相負載ACLT-2202H支路。母線電壓為AC380V，接線方式為三相四線制。上位機監控系統作為實驗平臺的監控核心，實時監控整個平臺的運行狀況確保其穩定安全運行，其硬件包含研華工控機1臺、飛利浦液晶顯示屏1臺、研華PCI-1680研華PCI-1762數據采集卡兩塊，軟件采用LabVIEW進行編程。

2.微電網實驗平臺監控系統的需求分析

根據本文的微電網實驗平臺的具體要求，本監控系統需求包括可編程交流電源監控、可編程交流負載監控、三相交流負載監控、RLC單相負載監控、電動汽車單相負載監控、1-3號光伏單相負載監控、三相交流負載及故障實驗監控以及微電網實驗平臺的整體監控等功能。確保微電網實驗平臺可以在孤島和并網模式下穩定安全地運行。

2.1 微電網實驗平臺各支路監控

文章標題中盡量避免使用生僻的英文縮寫。各個支路的監控設計要滿足微電網實驗平臺具體要求，支路的監控模塊要對支路的實時運行信息進行全面地監控。對各支路的數據信息進行有效地采集和分析，這些信息包括各支路的電流數據、電壓數據、有功功率、無功功率、功率因數等。還要根據各支路的數據信息控制各支路的運行狀況。此外根據各個支路的具體特點，支路的監控設計要滿足其具體要求。

2.2 微電網實驗平臺整體監控

整體監控系統要對微電網實驗平臺運行進行綜合監控，包括整體運行模式的選擇，采集公共接觸點電壓、母線電壓、母線電流、母線輸出功率、母線輸入功率、外網與實驗平臺的交換功率等一系列數據信息。整體監控系統還要根據采集上來的信息對實驗平臺完成實時可靠地控制。此微電網實驗平臺采用主從控制，具體實現為孤島運行時可編程交流電源作為主控電源，其中電動汽車雙向變換器采取U/f控制，其他變換器為P/Q控制。并網運行時連接在母線上的變換器均采用P/Q控制。

3.監控系統設計及實現

本監控系統是根據微電網實驗平臺的功能進行分析和設計的，監控系統要具備的功能包括微電網實驗平臺感知控制保護系統電氣主接線遠控、狀態監控、電力參數采集以及數據存儲。初步確立程序中的各個子模塊、子程序，進一步確立它們之間的配合關系，在設計的過程中，主要確立的是模塊的構成，為具體的開發打下基礎。本設計中所開發的LabVIEW程序項目中應該有監控主界面、遠程控制程序、狀態監測程序、串口通信程序和數據庫程序等。在主界面上可以控制其他用于分析的子程序模塊，各個模塊組合支撐整個監控系統，從而能夠通過上位機實現各支路的斷路器及單相支路接觸器的遠程控制，即通過監控主界面的開關按鍵實現遠程分合閘操作；可以對斷路器及單相支路接觸器分合閘狀態進行監控，斷路器脫扣時，監控界面發出警告信號；完成投入運行的支路的數顯多功能表的電流、電壓、有功無功等數據采集，最后對相應的數據進行存儲以便隨時查看歷史數據并進行數據分析。QF1-8為實驗平臺中斷路器，PT1-8為各個支路電表，具體的監控系統流程圖如圖2所示。

3.1 軟件平臺LabVIEW

LabVIEW是一個面向用戶的編程工具，可以靈活地設計系統的界面。圖形化的控件對應于實際儀器的控件，在軟件平臺中使用線條將他們連接起來就能完整實現代碼的編寫。其可以在系統的遠程控制、數據采集、傳輸和顯示存儲等環節提供開發工具，在使用它進行系統設計、測試和監控時，應該對要進行測試的目的和實現的順序有一個清晰的認識，然后根據設計選擇相應的圖形化控件進行編程，能提高工作效率，減少程序開發的時間。

在監控系統中，大部分的功能是實現數據的采集與控制，使用數據流模式來處理這些數據最為方便，也降低流程圖的復雜度，因此利用LabVIEW編寫監控系統是合理的選擇。

3.2 數據采集及控制設備

為了使LabVIEW設計的虛擬儀器能夠獲取到實際儀器的數據，基于計算機的數據采集板卡產品有很好的應用前景。在本研究實驗平臺的監控系統設計中，為了實現人機交互，能夠在上位機控制開關的開合及顯示開關的狀態，需要以PCI-1762板卡為硬件平臺，借助研華公司的LabVIEW驅動程序提供的子函數，設計數據采集模塊程序。接口針腳定義和實物接線如圖3所示。圖4為LabVIEW數據采集具體程序圖和開關遠程控制程序圖。

3.3 數據存儲

在微電網實驗平臺監控系統中應該首先生成Access數據庫表格，所以在系統初始化時就要建立數據庫的表格，初始設置子VI中包含存儲的位置和存儲的周期，這個存儲位置和存儲周期可以根據自己的需要和系統的要求自定義設定，設定的存儲位置為D：＼＼交流微電網數據庫，數據庫存儲周期為1000ms。在系統運行時就會將創建的數據庫.mdb格式文件存儲在相應文件夾中。建立數據庫的程序框圖如圖5所示。

3.4 監控系統實現及運行

微電網實驗平臺監控上位機包括本實驗平臺的各個分支器件，以及綜合監控。主監控界面如圖6所示。

下面以隔離變壓器支路為例介紹監控系統實際運行狀況，系統運行中查看波形，并網運行時，接入光伏支路和可編程交流負載支路，隔離變壓器支路的實時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的數據，所以三相的電壓值保持在226V左右。

通過實驗存儲的數據庫，可以查看已保存的歷史數據，存儲的周期為1000ms，所以每1秒鐘寫入的數據都可以查詢到，以便進行分析處理。圖9為運行時可編程交流負載支路生成的數據表，通過對生成的數據表中的數據處理可以繪制出其具體的功率曲線圖。

結論

本文針對微電網實驗平臺系統，通過對系統的實際需求分析設計了合理的監控系統，并基于labview實現了所設計的系統。經過實際的運行驗證了所設計系統具有運行穩定，安全可靠的特點。可以為實驗平臺的安全運行提供科學的保障。

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