风光混合发电监测系统的开发研究

王　晶，余舜尧（中国矿业大学（北京），北京 100083）

风光混合发电监测系统的开发研究

王晶，余舜尧
（中国矿业大学（北京），北京 100083）

监测系统对于风光混合发电系统的稳定可靠工作具有重要作用。根据风光发电系统的要求，讨论了需要监测的参数，在此基础上，设计了无线传感器网络监测系统。介绍了监测系统的结构及其硬件构成，采用C#语言进行了监测系统软件的研究开发。该风光混合发电监测系统的研制为提高风光电混合发电系统的可靠性和稳定性、消除安全隐患、提高工作效率提供了重要的技术支持。

风光混合发电；监测系统；无线传感器网络

0　引言

风光混合发电系统在新能源的开发利用中有着广阔的前景，而相应的监测系统则对发电系统的正常工作与协调控制起着重要的作用。本文研究了风光混合发电系统的监测系统。根据风光发电系统的要求，讨论了需要监测的参数，在此基础上，设计了基于无线传感器网络的监测系统［1］。

1　监测系统的结构

风光发电系统一般都分布在很大的一个区域内，从管理监控上来说划分成多个分组更科学合理，对应的无线监控网络结构如图1所示。图2为无线监控网络中节点的结构。因为采样数据量不大，所以采用ZigBee无线网络。

图1　风光混合发电无线监测网络示意图

图2　网络节点示意图

风光混合发电监测系统主要由数据采集与存储节点、ZigBee网络协调器和上位机几部分组成。传感器节点负责采集各种参数，通过无线网络传输至上位机，实现实时监测。协调器与上位机的通信采用 RS-485总线［2］。

2　系统硬件组成

2.1传感器

风光发电系统中与发电密切相关的参数包括环境参数（风速、风向、光照强度、光线风向和环境温度）和发电系统输出的电压及电流。

（1）基于风光混合发电系统的实际情况，风速传感器选择旋转式风速计。

（2）风向传感器一般为光电型传感器，其输出电压与角度成对应关系。

（3）光照传感器目前采用的光敏元件大多为硅光电池，输出0～5 V的直流电信号或者4～20 mA的电流。根据光伏发电的需求，测量范围在 0～200 klux，硅光电池符合条件。

（4）温度传感器采用热电阻。

（5）模拟型角度传感器包括自整角机、旋转变压器、感应同步器、感应移相器等，从原理上来说分辨率很高，尤其在低速时具有很高的稳定性和抗干扰能力。数字型角度传感器包括光电编码器、磁性编码器、激光编码器、光纤编码器、多圈式绝对编码器等［3］。

（6）电流与电压采用电流、电压互感器进行测量。

传感器的选择需要考虑体积大小、成本、测量精度、灵敏度以及稳定性等因素。本设计中选用的传感器的输出信号均为电压或电流模拟信号，如表1所示。

表1　传感器输出信号

2.2无线传感器节点

节点微处理器综合考虑后选用了 STC12LE5410AD单片机。无线组网采用ZigBee模块REX3U，该模块含有ZigBee栈协议，进行组网，与CPU通过UART进行通信［4］。

本设计中选用PC作为风光混合发电监测系统的上位机，采用C#语言进行监测系统软件的开发，使用 SQL Server 2005数据库进行采样数据的存储和管理。

3　风光混合发电监测系统的软件设计

3.1监测系统软件框架

风光混合发电监测系统软件包括系统设定、系统通信、数据库管理和监测界面4个部分，如图3所示。

图3　监测系统的软件框架

3.2软件功能模块

3.2.1参数设置

包括串口参数、REX3U参数以及报警参数三方面参数的设定。

（1）串口参数包括串口类型、波特率、数据位、停止位和奇偶校验位等。

（2）ZigBee模块参数包括节点ID、通信信道、发射功率、节点配置等。

（3）报警参数设置是根据风光混合发电系统的实际运行情况对故障进行报警，如风力机或光伏系统工作异常，蓄电池电压过高或过低。设定监测阈值，当采集的数值超过阈值时报警。

3.2.2系统通信

系统通信包括传感器节点与协调器之间以及协调器与上位机之间的通信。本研究中无线传感器网络采用的是ZigBee，协调器和节点间的通信流程如图4和图5所示。

图5　节点通信程序流程图

本设计选用 RS-485总线实现上位机与各网络协调器之间的通信。为实现指令与数据的正确传输，制定了统一的通信协议。每一个协调器在RS-485网络中具有唯一的地址编号，从而确保上位机能够对每个协调器进行一对一通信。具体通信流程如图6所示。

图6　串口通信程序流程图

3.2.3数据库管理

监测系统选用C#语言开发，数据库选用SQL Server 2005。监测系统接收到的数据存入相应的数据表，可以实现数据的存储、查询、统计与分析以及数据库备份和报表打印等。

根据风光混合发电系统的需要，本监测系统共设立3个数据库，分别为用户管理数据库、监测数据库和运行参数数据库。

将风光混合发电系统的监测数据存入数据库的各个表中后，对监测数据的统计和分析就可以通过对监测数据库的操作来实现。具体操作如下：

（1）自动监测：对提交的实时数据进行安全性检查，对超出安全范围的数据进行报警；对未提交数据，也就是监测出现故障的部分也进行报警。

（2）综合查询：可以对存储的实时数据或历史数据进行查询，或者针对发电系统中的一个部分（如风机、光伏阵列或蓄电池）进行查询。

（3）数据库维护：对系统运行时的参数进行修改、增加或者删除。

（4）统计分析：对监测数据按照日、周、月、年取出最大值、最小值、平均值等。

（5）报表生成：对监测数据按照日、周、月、年生成报表。

（6）曲线生成：对监测数据按照日、周、月、年生成数据曲线图。

监测界面包括主控界面、数据显示界面、数据曲线界面和参数设定界面。

监测系统主控界面如图7所示，用户可以通过窗口中的菜单选择系统数据、数据显示、参数设定、曲线、历史数据？和报警数据等功能。

图7　监测系统主界面

数据显示界面如图8所示，显示实时监测数据以及最近的重要的历史监测数据。实时数据从实时数据表中调用，历史数据从数据月统计表中调用。当实时数据超出安全范围时，数据颜色将会变为红色，向用户发出报警信息。

图8　数据显示窗口

数据曲线窗口如图9所示，显示数据的趋势曲线，如实时曲线、历史曲线等，便于用户总结变化规律。

图9　实时曲线窗口

参数设定窗口如图10所示，对监测参数的安全范围进行设定。当监测数据超出设定的阈值时，系统将进行报警，并记录报警信息，留待后续分析。

图10　参数设定窗口

4　结论

综合应用无线传感器网络技术、数据库技术、数据通信技术，本文对风光混合发电监测系统进行了系统的研究。本监测系统能够对风速、风向、光照、环境温度和光照角度等影响风光发电的主要环境因素以及发电系统的输出电流、电压进行采样监测，为提高风光电混合发电系统的可靠性和稳定性提供了重要的技术支持，为消除安全隐患以及提升工作效率建立了良好的技术基础。

［1］彭慧，赵子恺，洪俊.基于压缩感知的无线粮虫声信号采集方案［J］.农机化研究，2004（5）：83-87.

［2］张德宏，谢桦.风光混合发电监控系统的设计［J］.电气应用，2008（7）：78-81.

［3］姚道如.传感器在数控机床上的应用［J］.机床电器，2007 （2）：27-29.

［4］瞿雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

Design of monitoring system for w ind-solar hybrid power

Wang Jing，Yu Shunyao
（China University of Mining＆Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

Monitoring system plays an important role for stable and reliable work of wind-solar hybrid power system.According to the requirement of the wind-solar hybrid power system，this paper discusses the parameters required for monitoring.Based on these analysis，the wireless sensor network monitoring system is designed.It introduces the structure of the monitoring system and hardware，and chooses C#as the development tool for the monitoring system.The developed monitoring system for wind-solar hybrid power systemprovides important technical support for improving the wind-solar hybridpower systemreliability andstability，eliminating potential safety problems and improving the quality.

wind-solar hybrid power system；monitoring system；wireless sensor network

TP273

A

1674-7720（2015）06-0088-04

2014-10-28）

王晶（1990-），女，硕士研究生，主要研究方向：检测技术与自动化。

余舜尧（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统及其自动化。