風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

唐 杰， 鄒陸華， 陳日恒， 王貴龍， 劉白楊

(邵陽學(xué)院 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽 422000)

0 引 言

化石能源對社會發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用[1]，同時(shí)也對人們的生活環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此，太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等清潔可再生能源的開發(fā)利用越來越受到人們的重視[2,3]。微電網(wǎng)智能化是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要一環(huán)，將以太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源為主的分布式發(fā)電系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)整合為一體，進(jìn)行優(yōu)化控制，具備高電能質(zhì)量，與大電網(wǎng)進(jìn)行可靠投切，逐漸成為未來電力能源供應(yīng)核心。隨著微電網(wǎng)智能化技術(shù)的不斷推進(jìn)，其運(yùn)行的安全性與先進(jìn)性需得到進(jìn)一步的提升，由此，對微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求[4]。在智能微電網(wǎng)建設(shè)過程中，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)信息化才能實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)智能化，而微電網(wǎng)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)信息化的一個(gè)重要途徑。近年來，基于測通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)網(wǎng)絡(luò)通信的智能手機(jī)移動(dòng)終端監(jiān)控技術(shù)高速發(fā)展，具備數(shù)據(jù)高速無線傳輸、可靠性高、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能家居、養(yǎng)殖業(yè)、電力系統(tǒng)監(jiān)控等遠(yuǎn)程監(jiān)測領(lǐng)域。將GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)中，采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建遠(yuǎn)程無線監(jiān)測系統(tǒng)，與現(xiàn)場監(jiān)控中心有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)化控制，推動(dòng)微電網(wǎng)智能化建設(shè)進(jìn)程。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Android手機(jī)的風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，利用RS—485總線技術(shù)、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、處理和分析。此外，開發(fā)出一種Android手機(jī)應(yīng)用(App)，用戶可24 h全天候遠(yuǎn)程監(jiān)測微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，將手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)控中心有機(jī)結(jié)合，提高微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的靈活性與方便性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常情況，確保微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行于最優(yōu)狀態(tài)。

1 風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)概述

風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)一般由光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、混合儲能裝置(蓄電池組與超級電容組)和負(fù)荷等組成[5]，大多位于地理位置偏遠(yuǎn)地區(qū)，充分開發(fā)利用新能源，用于電力供應(yīng)。基于太陽能和風(fēng)能具備良好互補(bǔ)性這一優(yōu)點(diǎn)，微電網(wǎng)采用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合儲能裝置聯(lián)合發(fā)電方式，構(gòu)成風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)發(fā)電站，從一定程度上緩解單一發(fā)電形式的間歇性與波動(dòng)性。混合儲能裝置是用于維持微電網(wǎng)內(nèi)的能量平衡，具有削峰填谷功能，保證發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲能電池組與超級電容組是直流電源，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)為交流電源，所以，在微電網(wǎng)中多采用交直流混合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

在圖1中，儲能電池組和超級電容組分別經(jīng)直流/直流(DC/DC)變流器并聯(lián)至直流母線，通過PCS雙向變流器接至交流母線；水平風(fēng)機(jī)經(jīng)交流/直流/交流(AC/DC/AC)變流器接至交流母線；光伏陣列經(jīng)直流/交流(DC/AC)逆變器接至交流母線；交流負(fù)荷與直流負(fù)荷分別接至交直流母線，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可與大電網(wǎng)進(jìn)行可靠投切，在滿足本地負(fù)荷需求的前提下，服從大電網(wǎng)調(diào)度。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及其關(guān)鍵技術(shù)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)需要對微電網(wǎng)中各分布式電源、儲能裝置及負(fù)荷等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測，并與現(xiàn)場監(jiān)控中心結(jié)合使用，協(xié)調(diào)運(yùn)作，其現(xiàn)場監(jiān)控中心主要完成微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的保護(hù)與控制、能量的協(xié)調(diào)優(yōu)化操作。系統(tǒng)整體架構(gòu)采用分層的思想進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，主要包括訪問層、功能層、系統(tǒng)層和設(shè)備層，如圖2所示。

圖2 風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

在圖2中，訪問層由現(xiàn)場監(jiān)控中心與手機(jī)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測端組成，用戶可通過上述客戶端對微電網(wǎng)操作平臺進(jìn)行訪問，將現(xiàn)場監(jiān)控中心與手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)24 h遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與現(xiàn)場運(yùn)行的精確控制；功能層主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的邏輯處理，包括數(shù)據(jù)的圖形化顯示、個(gè)人信息設(shè)置、數(shù)據(jù)的存儲、歷史記錄與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的展示、曲線圖表的可視化等功能；系統(tǒng)層則是直接處理受控對象，實(shí)現(xiàn)對受控對象的控制、數(shù)據(jù)采集及信息交互，包括嵌入式硬件平臺、操作系統(tǒng)以及相關(guān)的通信協(xié)議；設(shè)備層包含所有的受控對象，是整個(gè)微電網(wǎng)的硬件架構(gòu)基礎(chǔ)，包括儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備(交直流變換器，風(fēng)機(jī)，光伏陣列等)、保護(hù)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置等。

2.2 基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是基于現(xiàn)有的GSM技術(shù)進(jìn)一步研發(fā)所取得的成果[6，7]，具備覆蓋面廣、易接入、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)精確傳輸、永久在線等功能，使用時(shí)按消耗流量多少進(jìn)行計(jì)費(fèi)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)谋O(jiān)控領(lǐng)域。在本系統(tǒng)中，選用SIMCOM公司的SIM900A模塊作為數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)暮诵腫8]，由數(shù)據(jù)采集裝置采集微電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)RS-485總線與SIM900A模塊建立連接，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至用戶手機(jī)服務(wù)端。

SIM900A模塊遵循TCP協(xié)議進(jìn)行通信，將微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)分布于各設(shè)備傳感器采集的電氣量及環(huán)境信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)端，而TCP協(xié)議屬于面向連接協(xié)議，在進(jìn)行數(shù)據(jù)相互傳輸前，需先建立連接。首次，使用SIM900A模塊時(shí)，需使用AT指令進(jìn)行配置，包括連接方式、波特率、IP地址、端口號等，設(shè)置成功后，SIM900A模塊與手機(jī)終端會建立TCP連接，數(shù)據(jù)采集裝置通過RS-485總線將微電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)用戶終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。編寫SIM900A模塊與手機(jī)服務(wù)端TCP連接的主要AT指令如下：

AT+AUTO=NO；∥工作類型設(shè)置

AT+IPR=9 600；∥波特率設(shè)置

AT+DNS=fgchh123.oicp.net，7576；∥手機(jī)終端IP地址和端口號設(shè)置

AT+AUTO=YES;∥模塊工作類型設(shè)置

2.3 基于Android手機(jī)的APP開發(fā)設(shè)計(jì)

Android是谷歌公司基于Linux平臺進(jìn)行研發(fā)的手機(jī)開源操作系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、用戶界面、應(yīng)用程序等[9，10]，采用客戶端/服務(wù)端的工作模式。其中，服務(wù)端采用VB 6.0語言結(jié)合SOCKET通信編程實(shí)現(xiàn)，完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)處理功能。數(shù)據(jù)通信遵循TCP協(xié)議，通過Winsock控件與Internet進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)向服務(wù)端數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；數(shù)據(jù)處理是主要的人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)收集無線模塊傳輸過來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行歸類、綜合分析，完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算、處理，具有顯示、存儲等功能。客戶端App通過Android JAVA語言進(jìn)行開發(fā)，充分利用自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，采用Android SDK+JAVA JDK6+Eclipse10進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，經(jīng)TCP/IP 協(xié)議的SOCKET通信方式實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)端之間數(shù)據(jù)的雙向通信，編譯完成后打包生成APK文件，發(fā)送至Android手機(jī)上安裝運(yùn)行后進(jìn)入風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測主界面。

服務(wù)端負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收來自GPRS模塊傳輸?shù)奈㈦娋W(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，包含風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合儲能裝置運(yùn)行時(shí)各設(shè)備電氣參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等，功能框圖如圖3所示。當(dāng)服務(wù)端IP地址、端口號與客戶端一致時(shí)，Android手機(jī)客戶端自動(dòng)接收服務(wù)端數(shù)據(jù)，在Android手機(jī)上動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)便攜式微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖3 Android手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)功能

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

系統(tǒng)依托于邵陽學(xué)院多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行功能測試。該實(shí)驗(yàn)室裝備一套科研型的小功率風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由5 kWp光伏發(fā)電裝置、2 kW水平風(fēng)力發(fā)電裝置、3.3 kW三相可編程負(fù)載、25 kWh儲能蓄電池、5 kW超級電容組等組成，采用交直流混合結(jié)構(gòu)，經(jīng)接觸器與大電網(wǎng)并網(wǎng)連接，整體控制策略如圖4(a)所示，現(xiàn)場運(yùn)行狀況如圖4(b)所示，適用于高校學(xué)者對自己的科研成果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。

圖4 風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)整體控制策略與現(xiàn)場運(yùn)行狀況

3.2 測試結(jié)果與分析

為對設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行功能測試，于2018年3月9日中午12點(diǎn)太陽光強(qiáng)烈時(shí)，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)室風(fēng)光儲混合微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，針對光伏發(fā)電裝置運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)、交直流電壓、交直流電流、輸入輸出功率、環(huán)境溫度、功率因素等電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。使用Android手機(jī)開啟GPRS上網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，運(yùn)行手機(jī)App監(jiān)測軟件，登錄后進(jìn)入風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)監(jiān)測主界面。當(dāng)客戶端的IP地址、端口號與服務(wù)端相一致時(shí)自主建立TCP/IP連接，接收服務(wù)端傳輸過來的數(shù)據(jù)，單擊“光伏發(fā)電系統(tǒng)”圖標(biāo)后，進(jìn)入監(jiān)測界面如圖8所示。在現(xiàn)場監(jiān)控中心，運(yùn)行PC上的MGSCADA軟件，進(jìn)入光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測界面。

遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)控中心都具備測量數(shù)據(jù)存儲與歷史數(shù)據(jù)查詢功能，可讀取光伏發(fā)電裝置當(dāng)日輸出功率歷史數(shù)據(jù)(9點(diǎn)～17點(diǎn))，得到日輸出功率曲線圖5為所設(shè)計(jì)的風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)界面。

圖5 風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)界面

為進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測精度測試，利用電參數(shù)測量儀對光伏發(fā)電裝置輸出功率進(jìn)行分時(shí)測量，記錄數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場監(jiān)控中心和手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合分析，表1為部分測量結(jié)果(9點(diǎn)～17點(diǎn)分時(shí)測量9組數(shù)據(jù))。可以看出：手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)測量精度較高，與儀器測量數(shù)據(jù)、現(xiàn)場監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)相比，誤差均低于±0.5 %，滿足系統(tǒng)要求。

表1 部分輸出功率測量數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

通過對光伏發(fā)電裝置運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測結(jié)果得出，遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場監(jiān)控中心監(jiān)測數(shù)據(jù)、電參數(shù)測量儀器檢測數(shù)據(jù)基本一致，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)記錄完整，日發(fā)電量曲線直觀清晰，較好地實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)/光/儲混合微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析功能。同時(shí)，該系統(tǒng)可在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)24 h全天候遠(yuǎn)程監(jiān)測，整個(gè)系統(tǒng)具有功能實(shí)用、人機(jī)界面良好、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、易攜帶等優(yōu)點(diǎn)。將該系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)控中心有機(jī)結(jié)合，有利于提高微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性與方便性。