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高精度仿真、多址分布式太阳能电场监测系统

供稿:NI-美国国家仪器有限公司 2013/9/2 11:17:13

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  • 关键词: 高精度仿真 分布式太阳能
  • 摘要:针对这个项目,我们采用LabVIEW来设定WSN节点、WSN网关、CompactRIO设备、服务器、网页、kiosk与离线分析软件。 单种编程语言可用于项目的每一部分,这是史无前例的创举

 “针对这个项目,我们采用LabVIEW来设定WSN节点、WSN网关、CompactRIO设备、服务器、网页、kiosk与离线分析软件。 单种编程语言可用于项目的每一部分,这是史无前例的创举。”
                                                            - Chris Fronda, Certified LabVIEW Architect, VI Design Group, Inc.

挑战:

        针对圣安东尼奥德州大学 (UTSA) 校园附近多个地点,设计出高精度仿真的太阳能电场监测系统,进而以百分之百的稳定性高速测量转换器 (AC)、结合器 (DC)、辐照、热电偶与天气数据。

解决方案:

       采用NI CompactRIO、NI无线网关、NI无线传感器网络 (WSN) 节点,打造出业界领先的高精度分布式监测系统,提供中央服务器数据采集与处理功能,以及网页与Kiosk显示器以便其他用户进行操作。

       VI Design Group是经验证的NI联盟伙伴,也是专业的NI技术系统集成商。  VI Design Group团队成员都已获得LabVIEW程序架构师认证,致力于提供最出色的系统开发品质。 VI Design Group开发即用型产品的经验非常丰富,其中包含远程数据记录器、控制系统和自动化测试系统。 它主要提供医疗、可再生能源、石油与天然气,以及其他工业级产品。

       鉴于系统本身的分布式特性与所需的高精度仿真,我们必须通过NI技术来开发自定制的太阳能电场监测系统。 目前现成的解决方案都不能满足我们的项目需求。 此外,UTSA还希望未来能够将控制逻辑整合在相同的系统内,以便控制电池存储并追踪太阳运行情况。 NI平台的与众不同之处,就在于能够将控制元件整合至同一个监测系统,这一点是其他供应商无法企及的。

图1. 3个配备相关设备 (包含1个313kW系统)的场地。

       此项目参与了NI绿色能源工程奖金计划。 凭借创新的设计与出色的教学成果,该项目获得殊荣。 其资金来源于美国复苏与再投资法案所属的能源部门。

UTSA的研究助理Gerardo Trevino在领奖时发表了以下陈述:

       VI Design Group能够获选成为该项目的系统集成商,是因为自身在监测系统方面的专业能力。 该公司使用CompactRIO执行远程监测的经验非常丰富。 此外还能稳定地将数据传输至中央服务器,进一步存储信号并进行后续处理。 VI Design Group针对UTSA多个实体地点,以多重相位的方式开发出该系统并进行部署。

系统设计概述

       该系统由3个主要部分组成 (如图2与图3所示)。 红色是系统进行数据采集的部分,许多地点都采用相同的架构。 其中的构成要素包含CompactRIO设备,其采集数据的方式分为两种:通过WSN网关无线采集,或通过直接连接的传感器进行实际采集。 CompactRIO设备采集数据后便会将数据传输至中央服务器,以便执行存储、后续处理、网络代管等操作。 运作中的服务器(以蓝色标识)则会从CompactRIO系统采集数据,如果数据损坏或失去通信功能的话,会发出警示音。 此外数据会存储在数据库内,并且发布到网上以便其他用户监测。

       最后,绿色的部分则是所有可用来系统交互的用户界面。 任何人皆可随时浏览网页。 Kiosk显示器位于UTSA现场供学生操作,主机电脑还可提供原始数据的存取权限给教授,以便数据的下载或运用。

图2. 系统三大部分的重点

图3. 三大部分系统组件的详细说明图

       有了NI硬件与NI LabVIEW系统设计软件,此系统的设计流程不仅快速,也相当简便。 NI协助开发了所有底层设计,并加以抽象化成为高层API。 下列事项已由NI完成,VI Design Group不必再费心开发:

     1. ZigBee无线协议设计
     2. 嵌入式OS设计/微控制器操作
     3. 印刷电路板配置与24位的delta-sigma模数整合
     4. 热能传导分析与被动式冷却系统设计
     5. TCP/IP或UDP网络通信协议设计
     6. 安全套接字层(SSL)加密与安全功能
     7. 相对于C/C++更精密的记忆体管理功能
     8. VHSIC硬件描述语言FPGA编程设计
     9. Microsoft Silverlight网络控制设计
     10. 搭配网络服务的网络服务器设定

       基本上,所有的底层工作都已完成,只剩下高层工作。 如要设计并实现该系统,用户必须了解NI设备的高层设定与特殊的LabVIEW编程设计语言。  针对这个项目,我们采用LabVIEW来设定WSN节点、 WSN网关、 CompactRIO设备、服务器、网页、kiosk与离线分析软件。 单种编程语言可用于项目的每一部分,这是史无前例的创举。 通过NI丰富的培训课程,任何人都可以成为NI技术专家,设计出具有一定复杂度的监测系统。
系统部署与后续步骤

下列为系统部署图片:

图4. 转换器安装与AC监测设备安装
 
图5. 每个地点所部署的CompactRIO数据记录器
 
图6. NI WSN节点采集辐照与热电偶数据

       有些分析任务使用的是DIAdem软件,可用于后续处理数据分析。  DIAdem可协助UTSA的教授针对采集过程中的信号来处理相关问题, 进一步分析并呈现数据。  这些分析已用于执行太阳能预测比较。 下图为实际的太阳能光电(PV)输出与预测的PV输出之间的比较。

图7. 采集到的原始数据由DIAdem绘制而成,比较实际功率/预测功率

 
图8. 流畅的数据采集显示出实际功率非常接近预测功率

       该系统为UTSA提供了稳定的高精度分布式太阳能电场监测系统,并可达成每一项目标。 现在UTSA正在进一步探索CompactRIO的开放式平台与控制逻辑功能,开发更多潜在的系统功能以超越任何一种COTS系统,而且此系统还可协助UTSA执行有利于太阳能产业的先进研究。

更多内容请访问 NI-美国国家仪器有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=49325)

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