基于LabView的微电网监控系统设计与实现

张海宁 刘卫亮 徐东东 王印松 林永君 王 栋

1．青海省光伏发电并网技术重点实验室 青海 西宁 810008

2．华北电力大学自动化系 河北 保定 071003

0 引言

进入21世纪，能源问题和环境问题日益突出，以新能源发电作为主要电源的微电网受到各国的重视［1］。作为微电网中不可缺少的组成部分，微电网监控系统的作用是保证其经济、稳定运行。由于微电网的电源形式、组网结构不尽相同，其监控系统的结构和具体功能也具有较大的差异。国内已有一些科研人员开展了相关工作。文献［2］依据IEC 6185标准，设计了具有大电网统一接口的微电网监控系统平台，并以光伏微电网为例，构建了微电网关键设备的设备信息模型。文献［3］利用无线MESH网络技术实时性、可靠性、维护性、实现性的特点，开发了具有功能全面、组网灵活、安装方便、稳定可靠反映迅速等特点的微电网监控系统，提高了微电网的运行维护效率。文献［4］通过将神经元芯片植入微型电源控制器、储能单元控制器和负载开关，构成基于电力线载波通信的LonWorks控制网络，并利用组态王软件设计了界面友好，性能可靠，扩展性强的微电网监控系统。文献［5］借鉴了智能变电站分层体系结构，提出了由设备层、管理层和优化层3个逻辑层构成的微电网监控与能量管理一体化系统，并在此基础上，设计了位于管理层的微电网监控系统和能量管理装置。

本文针对基于微型逆变器架构的小型风光储微电网系统，通过分析微电网各组成部分的功能和监控需求，确定了监控系统的硬件体系结构，并基于LabView开发环境完成了监控软件的实现。实际运行实例表明，该监控软件具有实时性高、运行稳定的特点。

1 风光储微电网结构介绍

本文所述风光储微电网为适合家庭使用的小型微电网，其拓扑结构如图1所示：光伏发电单元包括5块光伏电池板 （光伏电池板的额定功率为230W，开路电压为37V，短路电流为8.54A，最大工作点电压为29.5V，最大工作点电流为7.59A）和相应微型逆变器；风力发电单元包括两台小型风力发电机 （风力发电机为三叶式永磁直驱风力发电机，风轮直径为1.3m，额定功率为200W，额定电压为24V，启动风速为 2m／s，额定风速为 10m／s）以及相应的整流器和微型逆变器；储能单元包括蓄电池组（包括两组3×80Ah的铅酸蓄电池）和超级电容（400V／0.5F）以及相应的双向逆变器；负荷单元包括敏感负荷以及不敏感负荷。微处理器和监控中心作为微电网的大脑，负责整个微电网安全稳定以及高效的运行。

图1 小型微电网拓扑结构

2 监控系统需求分析

根据本文具体研究对象，本监控系统需要包括光伏发电监控、风力发电监控、储能监控、负荷监控以及微电网综合监控等一系列功能，使得微电网既可以并网运行，也可以孤岛运行。

2.1 光伏发电监控模块

光伏发电监控模块对光伏发电的实时运行信息进行全面的监视，支持并对历史数据进行多方面的统计和分析。针对光伏微型逆变器，具体监控参数包括：每个光伏电池的电压值、电流值、输出功率、功率因数、环境温度以及运行状态，光伏阵列总出力曲线以及单个光伏电池板出力曲线。通过该监控模块还可以实现单个微型逆变器的启停控制。

2.2 风力发电监控模块

与光伏发电监控模块类似，风力发电监控模块可对风力发电的实时运行信息进行全面的监视，并支持并对历史数据进行多方面的统计和分析。针对风力发电微型逆变器，具体监控参数包括：每个风机的风速、转速，整流器后的电压值、电流值、输出功率、功率因数以及运行状态，风机总出力曲线以及单个风机出力曲线。通过该监控模块还可以实现单个微型逆变器的启停控制。

2.3 储能监控模块

储能监控模块对蓄电池组和超级电容的实时运行信息进行全面的监视。具体监控参数包括：蓄电池、超级电容的运行状态（充电、放电、SOC），直流侧电压和直流侧电流，双向逆变器的工作状态（整流、逆变）、输出电压、输出电流、有功功率、无功功率和功率因数，通过该模块还可以控制双向逆变器的启停和工作状态的切换。

2.4 负荷监控模块

负荷单元分为敏感负荷和非敏感负荷两部分。微电网运行过程中，微型电源出力的波动可能会超出储能单元的补偿能力，导致系统电压跌落。此时，可通过切除部分非敏感负荷来保证系统稳定。负荷单元需要监控的信息有各负荷消耗的功率以及相应静态开关的状态。

2.5 微电网综合监控模块

微电网综合监控模块监视微电网运行的综合信息，包括微电网运行方式（并网、孤岛）、系统频率、公共接点电压，并实时统计光伏发电总功率、风力发电总功率、负载功率、储能单元充放电功率以及与外部电网交换功率。

微电网常用的控制策略主要分为3种：主从型、对等型和综合型，其中小型微电网常用的是主从控制模式。当选择并网运行时，连接在微电网母线上的微型逆变器与储能双向逆变器均采用P／Q控制；当选择孤岛运行时，储能作为主控电源，双向逆变器采用U／f控制，微型逆变器仍采用P／Q控制。

3 监控系统体系结构及实现

监控系统的硬件结构由现场智能设备、微处理器和监控中心组成，其结构如图2所示。

3.1 SCADA数据采集部分

数据采集部分包含电流／电压互感器、断路器、风速传感器、温度传感器和PCC开关等现场智能设备，通过与微处理器连接完成通信、监测与控制功能。微处理器与监控中心连接，向监控中心发送数据，并接收监控中心下发的控制指令，与现场智能设备完成交互。微处理器还扮演者主时钟的角色，使现场智能设备保持时钟同步。参考IEC61970系列标准中的公共信息模型（CIM），为现场智能设备进行建模并分配设备地址，如表1所示。

图2 微电网监控系统的硬件结构

表1 现场设备对应的地址码

上位机监控中心采用“查询—应答”的方式与微处理器进行通信，监控中心与微处理器通信格式如表2与表3所示。

表2 微处理器与监控中心通信协议及格式

表3 功能码对应

3.2 微电网监控中心部分

监控中心主要功能结构包括：微电网综合监控，光伏发电监控，风力发电监控，储能监控，负荷监控，人员管理等。监控系统运行流程如图3所示。

图3 系统流程图

3.3 监控系统实现

本监控系统在LabView开发环境下实现，采用Access数据库进行历史数据的存储。风光储互补微电网监控系统上位机主界面包括微电网综合监控、光伏发电监控、风力发电监控、储能监控以及负荷监控等选项卡，主监控界面如图4所示。

图4 监控主界面

LabView主程序框图如图5所示。

图5 系统主程序框图

4 结论

本文针对小型风光储微电网监控系统，通过进行需求分析，设计了合理的监控系统体系结构，并基于LabView开发环境进行了系统实现。经过长时间的实际运行，结果表明该监控系统具有运行稳定、实时性高的特点，从而有助于提高微电网的工作效率。

［1］ 鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述［J］.电力系统自动化，2007，31（19）：100-107．

［2］蹇芳，李建泉，吴小云.基于IEC 61850标准的微电网监控系统［J］.大功率变流技术，2012，（2）：26-29，54.

［3］姜静，姚虹春.无线MESH网络在微电网监控中的应用［J］.农村电气化，2014，（5）：53-54.

［4］徐瑞，邓勇，刘卫亮，林永君.基于Lon Works电力线载波通信的微电网监控系统 ［J］.信息安全与技术，2012，（7）：71-74.

［5］查申森，窦晓波，王李东，郑建勇，孙旻，赵波.微电网监控与能量管理装置的设计与研发［J］.电力系统自动化，2014，（9）：232-239.

［6］张海峰，司杨，李梓芳.光伏电池板监测系统上位机管理系统的设计与实现［J］.青海大学学报（自然科学版），2012，（1）：20-24，64.

［7］寿挺，张思建.小型并网光伏电站智能监控系统的研究［J］.中国电力，2012，（1）：60-63.