风光互补并网发电监控及评估系统的研究与实现

孙连彪 王厚霖(河北大学电子信息工程学院,河北保定 071002)



风光互补并网发电监控及评估系统的研究与实现

孙连彪 王厚霖
(河北大学电子信息工程学院,河北保定 071002)

【摘 要】风光互补并网后能够给用户带来巨大的福利,但是也会给电网造成很多不利的影响(如给电网造成谐波污染,引起电压波动、电压闪变等电能质量问题),为此开发风光互补并网发电监控及评估系统势在必行。本文所开发的风光互补并网发电监控及评估系统,旨在对风光互补发电系统太阳能光伏发电部分和风力发电部分的输出电压、输出电流和输出功率以及逆变器的输入、输出电压和电流等参数进行实时监测,并针对实时监测的数据对风光互补发电系统接入电网后对电网电能质量的影响加以评估,以观察电能质量指标是否存在超出规定限值。

【关键词】风光互补并网 监控 评估

1 风光互补并网发电监控及评估系统的总体设计

光互补并网发电监控及评估系统由六个相互关联的模块构成，它们分别为数据采集模块、通讯模块、控制模块、实时参数显示模块、评估模块和数据库模块。系统的功能模块如图1所示。

第一，数据采集模块。数据采集模块负责向各个测量仪表发送符合其通讯规约的查询指令。硬件上包括测量电气参数的电力仪表、测量风速及风向的风速仪和测量日照强度辐照仪，能够完成对发电系统各重要节点的电压电流、风速风向及日照强度的采集，并将这些参数快速准确地传送至监控及评估系统。

第二，通讯模块。通讯模块实现了监控及评估系统和各智能仪表间的通讯。多功能电力仪表、风速仪和辐照仪均提供RS485通讯接口，可组成RS485通讯网络，并通过RS485-以太网转换器，实现智能仪表RS485网络与上位机的以太网通讯。通讯规约采用智能仪表均支持的Modbus-RTU协议，有较高的通用性和传输效率。

第三，控制模块。控制模块从通讯模块接收采集到的电参数，并完成数据的分析和处理。该模块还为实时参数显示模块提供当前暂存的数据，为数据库模块提供数据源，进行数据库的写入与读取操作。

第四，实时参数显示模块。实时参数显示模块实时显示发电系统中风力发电机和太阳能光伏板输出电压、电流和功率数据，逆变器输入输出端电压、电流和功率数据以及风速风向和日照强度等气象数据。并实时绘制各项参数随时间变化曲线，直观地反应出发电系统的运行状况。

第五，评估模块。评估模块对风光互补发电系统接入电网前后的电能质量参数进行对比分析，主要针对电压偏差、电压和电流谐波畸变率在并网前后的变化来评估风光互补发电系统并网对电网电能质量的影响，模块能够分别评估稳态时和动态过程发电系统的接入对电网的影响。

第六，数据库模块。数据库模块将实时采集到的动态数据保存到本地的数据库中，以备系统查询、历史曲线的绘制和电能质量的评估等使用。数据库采用甲骨文公司的Oracle数据库，数据库管理工具为ADO.NET。

2 风光互补并网发电监控及评估系统的通讯设计

2.1 数据通讯主程序的设计

图1 风光互补并网发电监控及评估系统的功能模块图

运行程序之后，会生成一个可视化界面，该界面为系统的主窗体，点击主窗体中的“启动通讯”按钮之后，系统将会对通讯程序进行初始化并进行数据传输总线设置，当点“接收数据”按钮之后，将会触发数据通讯监听线程，执行查询数据帧发送程序，向测量仪表发送查询数据，经过一段时间的延迟，响应数据帧接收程序开始接收数据，并把接收到的数据进行数据类型转换，程序进入到正常的数据通讯阶段；转换之后的数据流分两部分传输，一部分是将接收并转换的数据在系统的可视化监控界面上显示出来，另一部分是将数据存储到数据库中，用于绘制历史数据随时间变化的曲线，并利用历史数据对风光互补发电系统接入电网前后进行数据对比，评估发电系统的接入对电网电能质量的影响。

2.2 启动通讯模块程序的设计

在风光互补并网发电监控及评估系统主窗体上点击“启动通讯”按钮之后，首先要对485-以太网协议转换模块初始化，初始化成功之后要对总线参数进行设置，如果总线参数设置成功，即可以连接485-以太网协议转换模块，协议转换模块连接成功后，则可以开启数据通讯监听线程，触发查询数据帧发送模块程序和响应数据帧接收及数据转换模块程序的执行；如果总线参数设置或协议转换模块连接失败，则程序在提示相应错误之后便会结束。

2.3 查询数据帧发送模块程序的设计

数据通讯监听线程启动之后，会触发执行查询数据帧发送模块程序，该程序先将查询数据帧现有的数据存放到最终命令数组中，然后根据这些数据码计算出CRC校验码，再将计算出来的CRC校验码存放到最终命令数组中，形成最后的查询数据帧，并将其发送到待查询的测量仪表中，等待测量仪表的响应。

2.4 响应数据帧接收及数据转换模块程序的设计

测量仪表在接收到查询数据帧之后，会返回响应数据帧，该模块程序即用来接收测量仪表返回的响应数据帧。首先将用来接收响应数据帧的接收数组清零，之后接收测量仪表返回的响应数据帧，此时接收数组接收到的数据是字符串型的十六进制数据码，之后需要经过一个数据类型转换函数，将原来接收到的字符串型十六进制数据码转换为单精度浮点型十进制数，并赋值给之前定义的变量，即可完成数据的最终接收，接收到的数据可以在设计的可视化界面上显示，也可以存储到数据库中供查询使用。

3 结语

由于自然界中的风和太阳光具有很强的随机性和不确定性，导致风力发电和光伏发电系统的输出功率也会随之上下波动，所以在风力发电系统和光伏发电系统接入电网之后会对电网产生诸多影响，故本文设计了风光互补并网发电监控及评估系统，旨在对分布式发电系统对电网电能质量的影响进行分析与评估。