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基于LabVIEW微电网实验平台监控系统的设计与实现

作者：梁子鹏 黄清宝 黄曾

来源：《中国新技术新产品》2017年第01期

摘 要：作为微电网实验平台中极其重要的部分，微电网实验平台监控系统要求实时性好、稳定性强以保障微电网实验平台的经济稳定运行。本文是通过微电网技术的应用、以微电网实验平台为硬件基础，针对微电网实验平台监控系统需要实现远程控制与检测功能、数据采集、显示功能和数据的存储等功能，使用专业图形化编程软件LabVIEW设计并编写了监控系统。成功实现了通过监控系统对实验平台的远程控制和实时数据的采集及存储功能，完成了监控系统人机交互的预期目标。

关键词：微电网；LabVIEW；数据监测；实时控制 中图分类号：TM76 文献标识码：A 0.引言

中国现阶段的环境问题日益严重，过多地依赖于不可再生的能源是其中的一个重要原因。新能源的科学利用可以有效地减缓环境污染和能源枯竭带来的一系列不良影响。科学合理地整合利用可再生能源成了当前的重要议题。微电网的出现可以将风能、太阳能、光能等可再生的新能源转换为电能，并且可以行使统一、集中使用。

在微电网系统中，负荷结构复杂多变。数字控制器件和功率电子器件的使用使得现在的电力设备对电磁干扰十分敏感。对于传统设备来说电压扰动等微小的变化是无关紧要的，但是对于现代的用电设备会造成很大的影响，会影响电子控制系统的正常工作，影响生产并造成不可逆转的损失。因此对微电网系统中的电能进行实时地监控，可以及时发现系统中的问题，为深入研究微电网系统的电能质量问题提供科学的依据，因此对微电网实验平台监控系统的研究具有重大的意义。徐瑞等提出了一种基于电力线载波通信的LonWorks控制网络，并用组态王实现的微电网监控系统。张海峰等提出了3个逻辑层构成的微电网监控系统。本文针对微电网实验平台的具体结构特点，提出了基于LabVIEW的监控系统设计方案并实现了设计方案。 1.微电网实验平台介绍

本文所述的实验平台为小型微电网实验平台，其结构图为图1所示。实验平台的支路硬件包含3条单相光伏发电支路，分别为单晶光伏阵列（最大功率3150W）、多晶光伏阵列（最大功率3150W）和薄膜光伏阵列（最大功率2940W），电动汽车支路（额定功率5kW，输出电压AC220v+-5%），可编程交流RLC负载ACLT-3803H支路（总装机容量99.99kVA），可

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编程交流电源支路（Chroma61512），和单相负载ACLT-2202H支路。母线电压为AC380V，接线方式为三相四线制。上位机监控系统作为实验平台的监控核心，实时监控整个平台的运行状况确保其稳定安全运行，其硬件包含研华工控机1台、飞利浦液晶显示屏1台、研华PCI-1680研华PCI-1762数据采集卡两块，软件采用LabVIEW进行编程。 2.微电网实验平台监控系统的需求分析

根据本文的微电网实验平台的具体要求，本监控系统需求包括可编程交流电源监控、可编程交流负载监控、三相交流负载监控、RLC单相负载监控、电动汽车单相负载监控、1-3号光伏单相负载监控、三相交流负载及故障实验监控以及微电网实验平台的整体监控等功能。确保微电网实验平台可以在孤岛和并网模式下稳定安全地运行。 2.1 微电网实验平台各支路监控

文章标题中尽量避免使用生僻的英文缩写。各个支路的监控设计要满足微电网实验平台具体要求，支路的监控模块要对支路的实时运行信息进行全面地监控。对各支路的数据信息进行有效地采集和分析，这些信息包括各支路的电流数据、电压数据、有功功率、无功功率、功率因数等。还要根据各支路的数据信息控制各支路的运行状况。此外根据各个支路的具体特点，支路的监控设计要满足其具体要求。 2.2 微电网实验平台整体监控

整体监控系统要对微电网实验平台运行进行综合监控，包括整体运行模式的选择，采集公共接触点电压、母线电压、母线电流、母线输出功率、母线输入功率、外网与实验平台的交换功率等一系列数据信息。整体监控系统还要根据采集上来的信息对实验平台完成实时可靠地控制。此微电网实验平台采用主从控制，具体实现为孤岛运行时可编程交流电源作为主控电源，其中电动汽车双向变换器采取U/f控制，其他变换器为P/Q控制。并网运行时连接在母线上的变换器均采用P/Q控制。 3.监控系统设计及实现

本监控系统是根据微电网实验平台的功能进行分析和设计的，监控系统要具备的功能包括微电网实验平台感知控制保护系统电气主接线远控、状态监控、电力参数采集以及数据存储。初步确立程序中的各个子模块、子程序，进一步确立它们之间的配合关系，在设计的过程中，主要确立的是模块的构成，为具体的开发打下基础。本设计中所开发的LabVIEW程序项目中应该有监控主界面、远程控制程序、状态监测程序、串口通信程序和数据库程序等。在主界面上可以控制其他用于分析的子程序模块，各个模块组合支撑整个监控系统，从而能够通过上位机实现各支路的断路器及单相支路接触器的远程控制，即通过监控主界面的开关按键实现远程分合闸操作；可以对断路器及单相支路接触器分合闸状态进行监控，断路器脱扣时，监控界面发出警告信号；完成投入运行的支路的数显多功能表的电流、电压、有功无功等数据采集，最

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后对相应的数据进行存储以便随时查看历史数据并进行数据分析。QF1-8为实验平台中断路器，PT1-8为各个支路电表，具体的监控系统流程图如图2所示。 3.1 软件平台LabVIEW

LabVIEW是一个面向用户的编程工具，可以灵活地设计系统的界面。图形化的控件对应于实际仪器的控件，在软件平台中使用线条将他们连接起来就能完整实现代码的编写。其可以在系统的远程控制、数据采集、传输和显示存储等环节提供开发工具，在使用它进行系统设计、测试和监控时，应该对要进行测试的目的和实现的顺序有一个清晰的认识，然后根据设计选择相应的图形化控件进行编程，能提高工作效率，减少程序开发的时间。

在监控系统中，大部分的功能是实现数据的采集与控制，使用数据流模式来处理这些数据最为方便，也降低流程图的复杂度，因此利用LabVIEW编写监控系统是合理的选择。 3.2 数据采集及控制设备

为了使LabVIEW设计的虚拟仪器能够获取到实际仪器的数据，基于计算机的数据采集板卡产品有很好的应用前景。在本研究实验平台的监控系统设计中，为了实现人机交互，能够在上位机控制开关的开合及显示开关的状态，需要以PCI-1762板卡为硬件平台，借助研华公司的LabVIEW驱动程序提供的子函数，设计数据采集模块程序。接口针脚定义和实物接线如图3所示。图4为LabVIEW数据采集具体程序图和开关远程控制程序图。 3.3 数据存储

在微电网实验平台监控系统中应该首先生成Access数据库表格，所以在系统初始化时就要建立数据库的表格，初始设置子VI中包含存储的位置和存储的周期，这个存储位置和存储周期可以根据自己的需要和系统的要求自定义设定，设定的存储位置为D：＼＼交流微电网数据库，数据库存储周期为1000ms。在系统运行时就会将创建的数据库.mdb格式文件存储在相应文件夹中。建立数据库的程序框图如图5所示。 3.4 监控系统实现及运行

微电网实验平台监控上位机包括本实验平台的各个分支器件，以及综合监控。主监控界面如图6所示。

下面以隔离变压器支路为例介绍监控系统实际运行状况，系统运行中查看波形，并网运行时，接入光伏支路和可编程交流负载支路，隔离变压器支路的实时电压和电流曲线如图7和图8所示。

由于PT1电表采集的是连接大电网的数据，所以三相的电压值保持在226V左右。