直流微电网实验平台监测系统

许少伦，沈海军，梁克靖

（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

近年来，全球能源危机和环境污染问题日益严峻，以新能源发电作为主要电源的微电网颇受关注。微电网主要是由新能源发电、储能、负载和控制系统等组成，规模可大可小，可以在并网和离网模式下运行。其组网方式目前主要包括交流、直流和交直流混合三种。直流微电网组网便捷、效率高、控制简单并且成本低，具有很好的应用前景[1]。

一个稳定的监测系统能够有效保证微电网系统的正常运行。但是由于各种微电网电源形式、组网结构存在差异性，其监测系统的结构及具体功能也不尽相同。直流微电网作为一种主要的微电网，其运行、控制、保护和能量管理已经成为研究热点，直流微电网监测系统是进行上述研究的基础和保障，非常重要[2]。

本文以直流微电网实验平台为研究对象，在合理分析实验平台各模块的功能和监测系统的需求的基础上，确立监测系统的架构体系，使用 LabVIEW 设计开发了监测系统，实现了系统运行过程中的数据的采集、显示、管控与分析等功能。

1 实验平台设计与系统结构

目前国内外直流微电网主要有单母线、双母线、双层式母线等结网形式。母线电压主要有400、 380、220 和 48 V 等级别[3-4]。

其中单母线结网形式采用单一母线电压供电，组网便捷，且可以较好地兼容现有的交流转换设备，应用较广泛。本文的直流微电网实验平台就是采用380 V 单母线结网形式构建的。

实验平台的设计构架如图1 所示，主要包含的主体设备如下：光伏发电DC/DC 变换器1 台、 风力发电AC/DC 变换器1 台、 磷酸铁锂DC/DC 双向变换器1台超级电容DC/DC 双向变换器1台 、电动汽车DC/DC 双向变换器1 台 、交流负载DC/AC 变流器1台直流负载DC/DC 变流器1 台 、中央控制单元等。

图1 直流微电网实验平台系统结构

搭建好的实验平台如图2 所示。

图2 直流微电网实验平台实物图

本实验平台既可以按照模块分立开设光伏发电并网、风力发电并网、储能充放电等实验，还可以进行风光互补、风光储能互补、多储能互补、能量管理与调度等协调控制实验。

2 监测系统功能需求目标

本实验平台主要提供光伏发电监测、风力发电监测、储能（磷酸铁锂、超级电容）监测、电动汽车充放电实时监测、负载监测以及实验平台的整体监测等功能，能够让微电网既能在并网情况下正常运行，也能以“孤岛模式”运行。

2.1 光伏发电监测模块

光伏发电监测模块可以对单个微型逆变器进行启停控制，从而实现光伏发电系统的调控。主要监测对象为光照强度，环境温度，光伏电池板的输出电流、输出电压及输出功率，电池板温度和出力曲线及光伏阵列总出力曲线等[5-7]。

2.2 风力发电监测模块

风力发电监测模块用于监视风力发电系统的采集信息，主要监测对象为风机的转速、风速，整流器后的电流、电压、输出功率、功率因数、风机出力曲线及主要的运行状态等；并对风力发电系统做出调控。

2.3 储能监测模块

储能监测模块主要是记录监测磷酸铁锂电池组和超级电容的实时运行信息，同时也可以控制双向逆变器的启停和工作模式的切换。具体监测的参数包括直流侧母线电压、电流，双向逆变器整流、逆变时的工作状态，电池输出侧电压、电流、温度、荷电状态，开关状态，保护状态等[5-7]。

2.4 电动汽车充放电监测模块

该模块的主要功能是全面监视电池组的实时运行信息。具体监测参数包括电池充电电压上限值，电池放电电压下限值，电池出口处直流母线电压，电池N、A、B、C 相电流平均值，电池 A、B、C 相有功输出值，电池总有功功率输出值，电池电压平均值等；此外还可显示电池母线出口处电压和电池充电功率[5-7]。

2.5 负荷监测模块

当微电网的实际运行时，分布式电源模块的出力会随环境的变化而发生波动。同时，负荷也会根据用户的使用习惯等因素发生波动，如果这些波动超出了储能单元的补偿能力，将引起系统的频率波动和电压跌落。此时为了保证系统稳定运行，可以切除部分不重要的负荷。负荷单元的监测量主要包括负载侧电压、电流，各负荷消耗的功率、用电时间，相应静态开关的状态及功率因数等[5-7]。

负载按照用电性质可分为直流负载和交流负载。根据实验需求，本实验平台采用异步电机作为交流负载，采用可编程直流电子负载来模拟直流负载。电动汽车比较特殊，充电时可看作是直流负载，放电时可看作是储能设备。

2.6 实验平台整体监测模块

作为整个微电网的核心，整体监测系统的主要作用是对实验平台进行综合监测，对象应该包括微电网在并网和孤岛模式下的运行方式、母线电流、母线电压、母线输入功率、母线输出功率以及公共接触点电压，记录外网与平台的交换功率等一系列信息数据。根据记录监测的数据对整个实验平台进行可靠有效的控制[5-7]。

现在常用的微电网控制策略有3 种：主从控制、对等控制和综合控制。考虑到本实验平台的特异性，采取主从控制。并网运行时，采用恒功率（P/Q）控制策略控制微电网母线上的微型逆变器和储能双向逆变器；孤岛模式运行时，储能作为主控电源，采用电压/频率(U/f)控制策略控制储能双向逆变器，使用P/Q控制策略控制微型逆变器[8-9]。

3 监测系统设计与实现

3.1 LabVIEW 软件系统

使用 LabVIEW 可以根据用户需求灵活地设计控制系统的界面，其图形化的控件以及该软件在系统的数据采集、远程控制、传输和显示存储环节所提供的开发工具可以有效地提升工作效率，节约开发程序的时间[10]。

监测系统的主要功能是对数据进行采集和处理控制。相比其他软件，LabVIEW 采用 G 语言的编程形式与模块化的程序框图，一方面可以极大地降低编程成本，另一方面可以为后续监测系统的更新升级提供很大的便利。本文采用 LabVIEW 编写直流微电网实验平台的监测系统。

3.2 系统基本构架

在直流微电网运行中，监测系统采集开关状态、电流、电压、温度、功率、波形和时间等数据，再下发命令流控制各个模块，改变或维持运行状态及运行参数，使系统达到安全可靠的运行状态。系统构架设计如图3 所示[11-12]。

图3 监测系统构架设计图

分析直流微电网实验平台的主要功能需求，软件应包含监测主界面、状态监测程序、远程控制程序、数据库程序及串口通信程序等。在系统主界面可以控制其他分析子程序模块，而各个子系统模块组合支撑监测系统[13]。

3.3 系统通信

上位机的程序使用 TCP/IP 协议，硬件设备使用Modbus协议，通过TCP/Modbus转换器进行协议转换，实现监测平台与微电网各子模块之间的数据传输。LabVIEW 中的数据收发程序如图4 所示。

图4 基于Modbus/TCP 协议的数据收发程序框图

先用一个TCP 侦听器来侦听指定端口的TCP 连接状态，TCP 连接成功后，程序会根据主界面中设置的发送速率、接收速率与硬件设备通信，由于发送速率和接收速率都为常数且两者一般不相同，也就是说发送与接收的周期不同，因此采用了两个循环定时源来控制发送与接收，并且将两者优先级设为相同。发送信息用于向硬件设备的写状态寄存器进行写操作，接收信息用于从硬件设备读取数据状态。

3.4 系统的数据存储与处理

直流微电网监测系统需要时刻采集和存储各子模块的运行状态数据，并且建立专门的数据库。Windows系统本身自带的标准化数据库 Microsoft Access 具有简单、实用、数据类型广泛的优点，因此本文使用Microsoft Access 存储监测数据。

首先，在实验平台监测系统初始化时就应建立相应的数据库表格，主要是根据自身系统的需求，设置子程序中包含存储的位置和存储的周期。例如，设定存储位置为“E:直流微电网试验平台数据库”，数据库存储周期为2 000 ms。系统运行时，系统会自动创建数据库.mdb 格式文件存储在文件夹中。系统运行的关键测量数据、状态数据以及报警数据等信息均存储为历史数据，可以通过特定界面调取。系统可以选定参数生成并显示报表，自动生成实时、历史模拟量连续变化趋势图如电压波动曲线、功率符合曲线等[14]。

3.5 系统的界面设计及实现

直流微电网监测系统的界面主要包括监测主界面和各子模块控制界面等，监测主界面作为终端用户与系统的交互界面，可以向用户展现实时的系统工作状态和数据，同时用于底层驱动软件和应用程序之间的通信和数据采集处理，是硬件之间相互交流信息的桥梁。其主界面如图5 所示，可以采用一次主接线模拟图来直观地显示控制对象的状态。总体监测模块的程序框图如图6 所示。

各子模块控制界面用来设置参数、监测波形与数据、故障检测，主要包括风力发电监测、电动汽车充放电监测、储能监测、光伏发电监测、负荷监测等界面[15]。以锂电池储能监测模块为例，其程序框图如图7 所示。

图5 监测系统主界面

图6 总体监测模块的程序框图

图7 储能监测模块的程序框图

4 结语

本文在分析直流微电网实验平台的实际功能需求的前提下，设计了监测系统体系构架，并且利用LabVIEW 开发软件编写了直流微电网监测系统程序。完成了直流微电网系统中各模块的运行状态及参数的监测与控制，并对采集的数据进行存储、处理及分析。该监测系统人机交互界面清晰，设置修改方便，且容易构造，既节省投资又方便应用。直流微电网各模块能够正常运行，并可通过协调控制来实现系统能量的管理，给学生提供了一个较好的实践平台。