摘  要： 監測系統對于風光混合發電系統的穩定可靠工作具有重要作用。根據風光發電系統的要求，討論了需要監測的參數，在此基礎上，設計了無線傳感器網絡監測系統。介紹了監測系統的結構及其硬件構成，采用C#語言進行了監測系統軟件的研究開發。該風光混合發電監測系統的研制為提高風光電混合發電系統的可靠性和穩定性、消除安全隱患、提高工作效率提供了重要的技術支持。

　　關鍵詞： 風光混合發電；監測系統；無線傳感器網絡

0 引言

　　風光混合發電系統在新能源的開發利用中有著廣闊的前景，而相應的監測系統則對發電系統的正常工作與協調控制起著重要的作用。本文研究了風光混合發電系統的監測系統。根據風光發電系統的要求，討論了需要監測的參數，在此基礎上，設計了基于無線傳感器網絡的監測系統[1]。

1 監測系統的結構

　　風光發電系統一般都分布在很大的一個區域內，從管理監控上來說劃分成多個分組更科學合理，對應的無線監控網絡結構如圖1所示。圖2為無線監控網絡中節點的結構。因為采樣數據量不大，所以采用ZigBee無線網絡。

　　風光混合發電監測系統主要由數據采集與存儲節點、ZigBee網絡協調器和上位機幾部分組成。傳感器節點負責采集各種參數，通過無線網絡傳輸至上位機，實現實時監測。協調器與上位機的通信采用RS-485總線[2]。

2 系統硬件組成

　　2.1 傳感器

　　風光發電系統中與發電密切相關的參數包括環境參數（風速、風向、光照強度、光線風向和環境溫度）和發電系統輸出的電壓及電流。

　　（1）基于風光混合發電系統的實際情況，風速傳感器選擇旋轉式風速計。

　　（2）風向傳感器一般為光電型傳感器，其輸出電壓與角度成對應關系。

　　（3）光照傳感器目前采用的光敏元件大多為硅光電池，輸出0~5 V的直流電信號或者4~20 mA的電流。根據光伏發電的需求，測量范圍在0~200 klux，硅光電池符合條件。

　　（4）溫度傳感器采用熱電阻。

　　（5）模擬型角度傳感器包括自整角機、旋轉變壓器、感應同步器、感應移相器等，從原理上來說分辨率很高，尤其在低速時具有很高的穩定性和抗干擾能力。數字型角度傳感器包括光電編碼器、磁性編碼器、激光編碼器、光纖編碼器、多圈式絕對編碼器等[3]。

　　（6）電流與電壓采用電流、電壓互感器進行測量。

　　傳感器的選擇需要考慮體積大小、成本、測量精度、靈敏度以及穩定性等因素。本設計中選用的傳感器的輸出信號均為電壓或電流模擬信號，如表1所示。

　　2.2 無線傳感器節點

　　節點微處理器綜合考慮后選用了STC12LE5410AD單片機。無線組網采用ZigBee模塊REX3U，該模塊含有ZigBee棧協議，進行組網，與CPU通過UART進行通信[4]。

　　本設計中選用PC作為風光混合發電監測系統的上位機，采用C#語言進行監測系統軟件的開發，使用SQL Server 2005數據庫進行采樣數據的存儲和管理。

3 風光混合發電監測系統的軟件設計

　　3.1 監測系統軟件框架

　　風光混合發電監測系統軟件包括系統設定、系統通信、數據庫管理和監測界面4個部分，如圖3所示。

　　3.2 軟件功能模塊

　　3.2.1 參數設置

　　包括串口參數、REX3U參數以及報警參數三方面參數的設定。

　　（1）串口參數包括串口類型、波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位等。

　　（2）ZigBee模塊參數包括節點ID、通信信道、發射功率、節點配置等。

　　（3）報警參數設置是根據風光混合發電系統的實際運行情況對故障進行報警，如風力機或光伏系統工作異常，蓄電池電壓過高或過低。設定監測閾值，當采集的數值超過閾值時報警。

　　3.2.2 系統通信

　　系統通信包括傳感器節點與協調器之間以及協調器與上位機之間的通信。本研究中無線傳感器網絡采用的是ZigBee，協調器和節點間的通信流程如圖4和圖5所示。

　　本設計選用RS-485總線實現上位機與各網絡協調器之間的通信。為實現指令與數據的正確傳輸，制定了統一的通信協議。每一個協調器在RS-485網絡中具有唯一的地址編號，從而確保上位機能夠對每個協調器進行一對一通信。具體通信流程如圖6所示。

　　3.2.3 數據庫管理

　　監測系統選用C#語言開發，數據庫選用SQL Server 2005。監測系統接收到的數據存入相應的數據表，可以實現數據的存儲、查詢、統計與分析以及數據庫備份和報表打印等。

　　根據風光混合發電系統的需要，本監測系統共設立3個數據庫，分別為用戶管理數據庫、監測數據庫和運行參數數據庫。

　　將風光混合發電系統的監測數據存入數據庫的各個表中后，對監測數據的統計和分析就可以通過對監測數據庫的操作來實現。具體操作如下：

　　（1）自動監測：對提交的實時數據進行安全性檢查，對超出安全范圍的數據進行報警；對未提交數據，也就是監測出現故障的部分也進行報警。

　　（2）綜合查詢：可以對存儲的實時數據或歷史數據進行查詢，或者針對發電系統中的一個部分（如風機、光伏陣列或蓄電池）進行查詢。

　　（3）數據庫維護：對系統運行時的參數進行修改、增加或者刪除。

　　（4）統計分析：對監測數據按照日、周、月、年取出最大值、最小值、平均值等。

　　（5）報表生成：對監測數據按照日、周、月、年生成報表。

　　（6）曲線生成：對監測數據按照日、周、月、年生成數據曲線圖。

　　監測界面包括主控界面、數據顯示界面、數據曲線界面和參數設定界面。

　　監測系統主控界面如圖7所示，用戶可以通過窗口中的菜單選擇系統數據、數據顯示、參數設定、曲線、歷史數據和報警數據等功能。

　　數據顯示界面如圖8所示，顯示實時監測數據以及最近的重要的歷史監測數據。實時數據從實時數據表中調用，歷史數據從數據月統計表中調用。當實時數據超出安全范圍時，數據顏色將會變為紅色，向用戶發出報警信息。

　　數據曲線窗口如圖9所示，顯示數據的趨勢曲線，如實時曲線、歷史曲線等，便于用戶總結變化規律。

　　參數設定窗口如圖10所示，對監測參數的安全范圍進行設定。當監測數據超出設定的閾值時，系統將進行報警，并記錄報警信息，留待后續分析。

4 結論

　　綜合應用無線傳感器網絡技術、數據庫技術、數據通信技術，本文對風光混合發電監測系統進行了系統的研究。本監測系統能夠對風速、風向、光照、環境溫度和光照角度等影響風光發電的主要環境因素以及發電系統的輸出電流、電壓進行采樣監測，為提高風光電混合發電系統的可靠性和穩定性提供了重要的技術支持，為消除安全隱患以及提升工作效率建立了良好的技術基礎。

參考文獻

　　[1] 彭慧，趙子愷，洪俊.基于壓縮感知的無線糧蟲聲信號采集方案[J].農機化研究，2004（5）：83-87.

　　[2] 張德宏，謝樺.風光混合發電監控系統的設計[J].電氣應用，2008（7）：78-81.

　　[3] 姚道如.傳感器在數控機床上的應用[J].機床電器，2007（2）：27-29.

　　[4] 瞿雷，劉盛德，胡咸斌．ZigBee技術及應用[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007.