基于WinCC的光伏并網發電站監控系統的設計

王子敬

菏澤職業學院 山東菏澤 274000

社會發展離不開化石能源的巨大支撐作用[1]，其使用消耗的同時也對自然環境造成無法估量的污染，且一旦使用將不可再生，目前，太陽能、風能、地熱能等清潔可再生能源的開發利用越來越受到人們的重視[2-3]。隨著國家全面實施新能源發展戰略，新能源產業發展迅速，其中太陽能的開發尤為突出。光伏發電站建設作為國家扶貧項目之一，又大大推動了光伏相關產業的發展。當前，在貧困地區，光伏并網發電站隨處可見，其一方面生產的電能可以自用，另一方面多余的電能經過處理后輸送到電網，獲得經濟補貼。為了保證光伏并網發電站的長期安全穩定工作，并能有效降低運行維護成本，本文提出一種利用西門子組態軟件WinCC為監控界面開發平臺，結合西門子旗下SIMATIC S7-300作為控制器，實現對光伏并網發電站的工作狀態監測、遠程/本地控制。

1 光伏并網發電站設計

光伏發電站的類型主要有離網式和并網式兩種[4]；光伏并網發電站的工作原理是太陽光照射在太陽能電池組件上，太陽能電池組件輸出直流電，經最大功率點跟蹤控制、并網逆變器后，逆變產生所需交流電，供交流負載使用，多余的電能經處理后可反饋輸送到電網。光伏并網發電站結構示意圖如圖1所示[5]。

光伏并網發電站的設計采用獨立單元發電和集中變壓的方法，其中獨立發電組采用固定傾角式、跟蹤式相結合的安裝方式，該系統分為7個6千瓦和6個3千瓦光伏并網發電組分別發電，產生的直流電先傳輸到光伏方陣防雷匯流箱再經過直流配電柜，最后經逆變器和交流防雷配電柜并入變壓配電裝置后輸送到公共電網[6]。光伏組件配置見表1所示。

2 監控系統硬件平臺設計

整個系統的架構設計分為用戶層、數據層、系統層和設備層。光伏并網發電站監控系統架構層次示意圖見圖 3所示。

在圖2中，監控系統硬件主要有監控站、西門子SIMATIC S7-300控制器、氣象站以及數據采集裝置、控制裝置。

在光伏并網發電系統中，由SIMATIC S7-300控制和數據采集的數字量54個，模擬量38個，10個固定傾角式和3個旋轉式的光伏發電單元，每個固定式獨立光伏發電單元由3個運行指示燈、故障指示燈、停止指示燈，3個按鈕開關，1個并網逆變器；每種旋轉式都由5個接近開關，2個光線傳感器，1個并網逆變器；1個雙向電能表。

圖1 光伏并網發電站結構示意圖

表1 光伏組件配置表

表2 氣象站部分I/0量控制對象和地址分配表

圖2 光伏并網發電站監控系統架構層次示意圖

氣象站實時提供每天的風速、風向、光照強度、溫濕度，主要有風速傳感器、風向傳感器、溫濕度傳感器、光線傳感器[7]。當外界環境發生變化時，傳感器就會產生電信號，將電信號處理為標準的模擬信號傳輸到SIMATIC S7-300的模擬量通道上，經過內部程序處理，這些數據存儲到指定的內部寄存器上，最后通過工業以太網通信傳輸到監控站客戶端，當某個氣象數據超過或低于設置極限值時，監控站就會發出報警信號，并做出相應的動作，除了在監控站看到報警信息外，還可以觀察到其運行指示燈、故障指示燈。根據氣象站的控制I/O信號類型，模擬量4個，數字量24個。氣象站部分I/0量控制對象和地址分配表如表2所示。

3 監控系統軟件設計

光伏并網發電站監控系統軟件主要包括SIMATIC S7-300控制器和WinCC組態軟件，兩者通過工業以太網進行數據通信。工業以太網是基于IEEE 802.3（Ethernet）的強大的網絡單元，可以滿足整個光伏電站監控系統各層次的應用[8]。

3.1 SIMATIC S7-300 控制器

裝載STEP7編程軟件的計算機構成編程器，通過編程器完成項目創建、通信設置、站點硬件設置、變量編輯、控制程序編寫仿真調試。PLC程序主要有系統運行狀態數據采集處理傳輸程序、系統運行時的自動保護程序、旋轉式光伏發電單元自動控制程序三種。比如：旋轉式光伏發電單元根據氣象站提供的光照強度、溫度、風速及風向來對其所旋轉位置進行調整，旋轉位置的控制主要考慮到其工作效率和安全，當風速和風向在安全的范圍內時，會以光照強度為第一控制量，也是主控制量，風速和風向作為第二控制量和第三控制量，當風速和風向超過極限值時，旋轉角度以風速和風向為主控制量，在保證旋轉式光伏并網發電單元安全穩定運行的基礎上，使其每天的發電效率達到最優。

3.2 WinCC組態軟件

WinCC是基于PC的HMI操作系統，其中包含圖形運行系統、報警消息系統、數據歸檔系統、報表系統、用戶管理系統以及腳本系統等6個基本的操作可視化系統[9]，運行高效、開放且易于擴展，適用于各種行業的生產過程、機器設備和工廠進行可視化及操作控制過程。

通過WinCC組態軟件主要完成項目創建、通信組態、變量編輯、監控畫面組態、歸檔和顯示值設置工作、輸出過程歸檔中的值的設置工作、消息組態。監控畫面組態，包括一個主界面組態和5個副界面組態。主界面可以顯示出整個光伏并網發電站的全部單元結構和全部儀表的運行狀態、數據等信息；5個副界面分別有光伏并網發電站的儀表數據實時變化趨勢界面（電壓、電流、日發電量、周發電量、月發電量、電功率）、極限報警界面、氣象數據界面、旋轉式光伏發電單元的實時位置變化界面以及各項數據報表的輸出打印界面，5個副界面的跳轉，可以通過在主界面中設置跳轉按鈕。

4 結語

基于WinCC光伏并網發電站監控系統是在光伏并網發電站的基礎上，利用西門子組態軟件WinCC與西門子SIMATIC S7-300控制器相結合，實現了對整個光伏并網發電站的工作狀態進行監測與控制。經過整個系統的仿真調試后，系統運行良好，滿足系統的設計要求，達到了預期的效果。下一步，將繼續優化監控系統功能，并通過WinCC/Web Navigator功能發布監控過程界面，用戶不在局限于工業以太網范圍內訪問數據，這樣可以更加方便的使更多的用戶訪問系統數據。