基于WinCC的光伏并网发电站监控系统的设计

王子敬

菏泽职业学院 山东菏泽 274000

社会发展离不开化石能源的巨大支撑作用[1]，其使用消耗的同时也对自然环境造成无法估量的污染，且一旦使用将不可再生，目前，太阳能、风能、地热能等清洁可再生能源的开发利用越来越受到人们的重视[2-3]。随着国家全面实施新能源发展战略，新能源产业发展迅速，其中太阳能的开发尤为突出。光伏发电站建设作为国家扶贫项目之一，又大大推动了光伏相关产业的发展。当前，在贫困地区，光伏并网发电站随处可见，其一方面生产的电能可以自用，另一方面多余的电能经过处理后输送到电网，获得经济补贴。为了保证光伏并网发电站的长期安全稳定工作，并能有效降低运行维护成本，本文提出一种利用西门子组态软件WinCC为监控界面开发平台，结合西门子旗下SIMATIC S7-300作为控制器，实现对光伏并网发电站的工作状态监测、远程/本地控制。

1 光伏并网发电站设计

光伏发电站的类型主要有离网式和并网式两种[4]；光伏并网发电站的工作原理是太阳光照射在太阳能电池组件上，太阳能电池组件输出直流电，经最大功率点跟踪控制、并网逆变器后，逆变产生所需交流电，供交流负载使用，多余的电能经处理后可反馈输送到电网。光伏并网发电站结构示意图如图1所示[5]。

光伏并网发电站的设计采用独立单元发电和集中变压的方法，其中独立发电组采用固定倾角式、跟踪式相结合的安装方式，该系统分为7个6千瓦和6个3千瓦光伏并网发电组分别发电，产生的直流电先传输到光伏方阵防雷汇流箱再经过直流配电柜，最后经逆变器和交流防雷配电柜并入变压配电装置后输送到公共电网[6]。光伏组件配置见表1所示。

2 监控系统硬件平台设计

整个系统的架构设计分为用户层、数据层、系统层和设备层。光伏并网发电站监控系统架构层次示意图见图 3所示。

在图2中，监控系统硬件主要有监控站、西门子SIMATIC S7-300控制器、气象站以及数据采集装置、控制装置。

在光伏并网发电系统中，由SIMATIC S7-300控制和数据采集的数字量54个，模拟量38个，10个固定倾角式和3个旋转式的光伏发电单元，每个固定式独立光伏发电单元由3个运行指示灯、故障指示灯、停止指示灯，3个按钮开关，1个并网逆变器；每种旋转式都由5个接近开关，2个光线传感器，1个并网逆变器；1个双向电能表。

图1 光伏并网发电站结构示意图

表1 光伏组件配置表

表2 气象站部分I/0量控制对象和地址分配表

图2 光伏并网发电站监控系统架构层次示意图

气象站实时提供每天的风速、风向、光照强度、温湿度，主要有风速传感器、风向传感器、温湿度传感器、光线传感器[7]。当外界环境发生变化时，传感器就会产生电信号，将电信号处理为标准的模拟信号传输到SIMATIC S7-300的模拟量通道上，经过内部程序处理，这些数据存储到指定的内部寄存器上，最后通过工业以太网通信传输到监控站客户端，当某个气象数据超过或低于设置极限值时，监控站就会发出报警信号，并做出相应的动作，除了在监控站看到报警信息外，还可以观察到其运行指示灯、故障指示灯。根据气象站的控制I/O信号类型，模拟量4个，数字量24个。气象站部分I/0量控制对象和地址分配表如表2所示。

3 监控系统软件设计

光伏并网发电站监控系统软件主要包括SIMATIC S7-300控制器和WinCC组态软件，两者通过工业以太网进行数据通信。工业以太网是基于IEEE 802.3（Ethernet）的强大的网络单元，可以满足整个光伏电站监控系统各层次的应用[8]。

3.1 SIMATIC S7-300 控制器

装载STEP7编程软件的计算机构成编程器，通过编程器完成项目创建、通信设置、站点硬件设置、变量编辑、控制程序编写仿真调试。PLC程序主要有系统运行状态数据采集处理传输程序、系统运行时的自动保护程序、旋转式光伏发电单元自动控制程序三种。比如：旋转式光伏发电单元根据气象站提供的光照强度、温度、风速及风向来对其所旋转位置进行调整，旋转位置的控制主要考虑到其工作效率和安全，当风速和风向在安全的范围内时，会以光照强度为第一控制量，也是主控制量，风速和风向作为第二控制量和第三控制量，当风速和风向超过极限值时，旋转角度以风速和风向为主控制量，在保证旋转式光伏并网发电单元安全稳定运行的基础上，使其每天的发电效率达到最优。

3.2 WinCC组态软件

WinCC是基于PC的HMI操作系统，其中包含图形运行系统、报警消息系统、数据归档系统、报表系统、用户管理系统以及脚本系统等6个基本的操作可视化系统[9]，运行高效、开放且易于扩展，适用于各种行业的生产过程、机器设备和工厂进行可视化及操作控制过程。

通过WinCC组态软件主要完成项目创建、通信组态、变量编辑、监控画面组态、归档和显示值设置工作、输出过程归档中的值的设置工作、消息组态。监控画面组态，包括一个主界面组态和5个副界面组态。主界面可以显示出整个光伏并网发电站的全部单元结构和全部仪表的运行状态、数据等信息；5个副界面分别有光伏并网发电站的仪表数据实时变化趋势界面（电压、电流、日发电量、周发电量、月发电量、电功率）、极限报警界面、气象数据界面、旋转式光伏发电单元的实时位置变化界面以及各项数据报表的输出打印界面，5个副界面的跳转，可以通过在主界面中设置跳转按钮。

4 结语

基于WinCC光伏并网发电站监控系统是在光伏并网发电站的基础上，利用西门子组态软件WinCC与西门子SIMATIC S7-300控制器相结合，实现了对整个光伏并网发电站的工作状态进行监测与控制。经过整个系统的仿真调试后，系统运行良好，满足系统的设计要求，达到了预期的效果。下一步，将继续优化监控系统功能，并通过WinCC/Web Navigator功能发布监控过程界面，用户不在局限于工业以太网范围内访问数据，这样可以更加方便的使更多的用户访问系统数据。