摘 要： 監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠工作具有重要作用。根據(jù)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的要求，討論了需要監(jiān)測的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其硬件構(gòu)成，采用C#語言進(jìn)行了監(jiān)測系統(tǒng)軟件的研究開發(fā)。該風(fēng)光混合發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的研制為提高風(fēng)光電混合發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性、消除安全隱患、提高工作效率提供了重要的技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞： 風(fēng)光混合發(fā)電；監(jiān)測系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
0 引言
風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)在新能源的開發(fā)利用中有著廣闊的前景，而相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)則對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的正常工作與協(xié)調(diào)控制起著重要的作用。本文研究了風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的要求，討論了需要監(jiān)測的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)[1]。
1 監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)一般都分布在很大的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，從管理監(jiān)控上來說劃分成多個(gè)分組更科學(xué)合理，對(duì)應(yīng)的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2為無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。因?yàn)椴蓸訑?shù)據(jù)量不大，所以采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。
風(fēng)光混合發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和上位機(jī)幾部分組成。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集各種參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。協(xié)調(diào)器與上位機(jī)的通信采用RS-485總線[2]。
2 系統(tǒng)硬件組成
2.1 傳感器
風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中與發(fā)電密切相關(guān)的參數(shù)包括環(huán)境參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向、光照強(qiáng)度、光線風(fēng)向和環(huán)境溫度）和發(fā)電系統(tǒng)輸出的電壓及電流。
（1）基于風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際情況，風(fēng)速傳感器選擇旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)。
（2）風(fēng)向傳感器一般為光電型傳感器，其輸出電壓與角度成對(duì)應(yīng)關(guān)系。
（3）光照傳感器目前采用的光敏元件大多為硅光電池，輸出0~5 V的直流電信號(hào)或者4~20 mA的電流。根據(jù)光伏發(fā)電的需求，測量范圍在0~200 klux，硅光電池符合條件。
（4）溫度傳感器采用熱電阻。
（5）模擬型角度傳感器包括自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、感應(yīng)移相器等，從原理上來說分辨率很高，尤其在低速時(shí)具有很高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。數(shù)字型角度傳感器包括光電編碼器、磁性編碼器、激光編碼器、光纖編碼器、多圈式絕對(duì)編碼器等[3]。
（6）電流與電壓采用電流、電壓互感器進(jìn)行測量。
傳感器的選擇需要考慮體積大小、成本、測量精度、靈敏度以及穩(wěn)定性等因素。本設(shè)計(jì)中選用的傳感器的輸出信號(hào)均為電壓或電流模擬信號(hào)，如表1所示。
2.2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)
節(jié)點(diǎn)微處理器綜合考慮后選用了STC12LE5410AD單片機(jī)。無線組網(wǎng)采用ZigBee模塊REX3U，該模塊含有ZigBee棧協(xié)議，進(jìn)行組網(wǎng)，與CPU通過UART進(jìn)行通信[4]。
本設(shè)計(jì)中選用PC作為風(fēng)光混合發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的上位機(jī)，采用C#語言進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)軟件的開發(fā)，使用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。
3 風(fēng)光混合發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1 監(jiān)測系統(tǒng)軟件框架
風(fēng)光混合發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)設(shè)定、系統(tǒng)通信、數(shù)據(jù)庫管理和監(jiān)測界面4個(gè)部分，如圖3所示。
3.2 軟件功能模塊
3.2.1 參數(shù)設(shè)置
包括串口參數(shù)、REX3U參數(shù)以及報(bào)警參數(shù)三方面參數(shù)的設(shè)定。
（1）串口參數(shù)包括串口類型、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位等。
（2）ZigBee模塊參數(shù)包括節(jié)點(diǎn)ID、通信信道、發(fā)射功率、節(jié)點(diǎn)配置等。
（3）報(bào)警參數(shù)設(shè)置是根據(jù)風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警，如風(fēng)力機(jī)或光伏系統(tǒng)工作異常，蓄電池電壓過高或過低。設(shè)定監(jiān)測閾值，當(dāng)采集的數(shù)值超過閾值時(shí)報(bào)警。
3.2.2 系統(tǒng)通信
系統(tǒng)通信包括傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間以及協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的通信。本研究中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的是ZigBee，協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)間的通信流程如圖4和圖5所示。
本設(shè)計(jì)選用RS-485總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與各網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間的通信。為實(shí)現(xiàn)指令與數(shù)據(jù)的正確傳輸，制定了統(tǒng)一的通信協(xié)議。每一個(gè)協(xié)調(diào)器在RS-485網(wǎng)絡(luò)中具有唯一的地址編號(hào)，從而確保上位機(jī)能夠?qū)γ總€(gè)協(xié)調(diào)器進(jìn)行一對(duì)一通信。具體通信流程如圖6所示。
3.2.3 數(shù)據(jù)庫管理
監(jiān)測系統(tǒng)選用C#語言開發(fā)，數(shù)據(jù)庫選用SQL Server 2005。監(jiān)測系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)表，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)與分析以及數(shù)據(jù)庫備份和報(bào)表打印等。
根據(jù)風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)的需要，本監(jiān)測系統(tǒng)共設(shè)立3個(gè)數(shù)據(jù)庫，分別為用戶管理數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)庫。
將風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫的各個(gè)表中后，對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析就可以通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的操作來實(shí)現(xiàn)。具體操作如下：
（1）自動(dòng)監(jiān)測：對(duì)提交的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全性檢查，對(duì)超出安全范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警；對(duì)未提交數(shù)據(jù)，也就是監(jiān)測出現(xiàn)故障的部分也進(jìn)行報(bào)警。
（2）綜合查詢：可以對(duì)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，或者針對(duì)發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)部分（如風(fēng)機(jī)、光伏陣列或蓄電池）進(jìn)行查詢。
（3）數(shù)據(jù)庫維護(hù)：對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)進(jìn)行修改、增加或者刪除。
（4）統(tǒng)計(jì)分析：對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)按照日、周、月、年取出最大值、最小值、平均值等。
（5）報(bào)表生成：對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)按照日、周、月、年生成報(bào)表。
（6）曲線生成：對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)按照日、周、月、年生成數(shù)據(jù)曲線圖。
監(jiān)測界面包括主控界面、數(shù)據(jù)顯示界面、數(shù)據(jù)曲線界面和參數(shù)設(shè)定界面。
監(jiān)測系統(tǒng)主控界面如圖7所示，用戶可以通過窗口中的菜單選擇系統(tǒng)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)定、曲線、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)等功能。
數(shù)據(jù)顯示界面如圖8所示，顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及最近的重要的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表中調(diào)用，歷史數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)月統(tǒng)計(jì)表中調(diào)用。當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超出安全范圍時(shí)，數(shù)據(jù)顏色將會(huì)變?yōu)榧t色，向用戶發(fā)出報(bào)警信息。
數(shù)據(jù)曲線窗口如圖9所示，顯示數(shù)據(jù)的趨勢曲線，如實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線等，便于用戶總結(jié)變化規(guī)律。
參數(shù)設(shè)定窗口如圖10所示，對(duì)監(jiān)測參數(shù)的安全范圍進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警，并記錄報(bào)警信息，留待后續(xù)分析。
4 結(jié)論
綜合應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)，本文對(duì)風(fēng)光混合發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)速、風(fēng)向、光照、環(huán)境溫度和光照角度等影響風(fēng)光發(fā)電的主要環(huán)境因素以及發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流、電壓進(jìn)行采樣監(jiān)測，為提高風(fēng)光電混合發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提供了重要的技術(shù)支持，為消除安全隱患以及提升工作效率建立了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
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