分布式能源測試系統(tǒng)

曾海源 張銀銀

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

分布式能源是指將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量（數(shù)千瓦至15 MW）、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨(dú)立地輸出電、熱和冷能的系統(tǒng)[1]。使用分布式能源系統(tǒng)的主要方式有熱電聯(lián)供形式，冷熱電三聯(lián)供形式等等。

針對分布式能源系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，在分布式能源測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于傳感器等模塊數(shù)據(jù)采集的分布式能源測試系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了測試系統(tǒng)在MCGS組態(tài)軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，建立“分布式能源系統(tǒng)試驗(yàn)平臺”。以 MCGS組態(tài)軟件為平臺，設(shè)計(jì)了基于變送器數(shù)據(jù)采集的分布式能源測試系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了MCGS組態(tài)軟件平臺的設(shè)計(jì)。

1 分布式能源系統(tǒng)的基本理論

所謂“分布式能源”是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，以冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，與大電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)組網(wǎng)運(yùn)行，向一定區(qū)域內(nèi)的用戶同時(shí)提供電力、蒸氣、熱水和空調(diào)冷水（或風(fēng)）等能源服務(wù)系統(tǒng)[2]。分布式能源在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)是一種比較成熟的技術(shù)[2]。在歐洲、美洲大部分地區(qū)，隨著能源市場對管制的逐漸放松，引進(jìn)競爭機(jī)制 以及對可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推行實(shí)施，分布式能源系統(tǒng)開始得到了迅猛的發(fā)展[3-5]。

分布式能源系統(tǒng)中的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的、可再生的能源利用技術(shù)，先是利用燃機(jī)或內(nèi)燃機(jī)等燃料燃燒后做功發(fā)電，然后在將發(fā)電后排放出來的熱能來再次利用，用于制冷或者供熱。[3]這能夠充分實(shí)現(xiàn)了分布式能源的綜合梯級利用。

如圖1，本文研究主要是利用燃?xì)廨啓C(jī)或柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并將其排出的高溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱利用。從燃?xì)廨啓C(jī)或柴油發(fā)電機(jī)排出的高溫?zé)煔獍蔽帐街评錂C(jī)組或溴化鋰制冷機(jī)組進(jìn)行吸收式制冷，對高溫?zé)煔膺M(jìn)行二次利用。并可以通過利用制冷機(jī)組排出的煙氣進(jìn)行三次利用，可通過煙氣水換熱器進(jìn)行水換熱，升高水的溫度，使溫水可供日常所用。這充分利用了能源的梯次利用，根據(jù)從高品位到低品位逐漸加以利用。高溫品位先用來發(fā)電，中溫品位余熱用來驅(qū)動熱泵或驅(qū)動制冷，低溫余熱用來向住宅供熱，除濕或用于加熱生活用水。

圖1 分布式能源系統(tǒng)圖

2 分布式能源測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為了用戶能夠更加方便地建立高效率的監(jiān)控系統(tǒng)，且能夠通過遠(yuǎn)程的控制和診斷，提高實(shí)驗(yàn)的安全性和可靠性，本文研究主要采用了MCGS工控組態(tài)軟件，并在其基礎(chǔ)上，二次開發(fā)成適合分布式能源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的具體實(shí)際應(yīng)用的測試系統(tǒng)，建立了一個(gè)“分布式能源系統(tǒng)試驗(yàn)平臺”。此測試平臺為用戶提供了一整套的測試方案，能夠適應(yīng)各種工況條件下的分布式能源測試，通過數(shù)據(jù)能夠快速了解實(shí)驗(yàn)室設(shè)備各位置點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)變化。

2.1 MCGS介紹

MCGS全 稱 Monitor and Control Generated System。MCGS是一個(gè)組態(tài)軟件，能夠在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，通過各種采集模塊采集現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)際物理量后傳送到顯示屏上。它能夠幫助用戶解決一些實(shí)際的工程問題，方便我們對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。它具有通用性，能夠在各種自動化領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[6]。

2.2 MCGS系統(tǒng)的構(gòu)成

MCGS組態(tài)軟件主要是由運(yùn)行環(huán)境和組態(tài)環(huán)境兩個(gè)環(huán)境組成的。系統(tǒng)上組態(tài)環(huán)境主要是用戶用在編輯設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用環(huán)境，用戶可以在其上二次開發(fā)，構(gòu)造出自己的軟件平臺。而運(yùn)行環(huán)境主要是按照用戶在組態(tài)環(huán)境上的設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行運(yùn)行，顯示用戶所需要的數(shù)據(jù)。組態(tài)環(huán)境跟運(yùn)行環(huán)境的過渡如圖2所示。

MCGS組態(tài)軟件的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、主控窗口、用戶窗口、設(shè)備窗口和運(yùn)行策略五部分。

圖2 組態(tài)環(huán)境過渡圖

3 分布式能源測試系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)介紹及設(shè)計(jì)方案

在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的基礎(chǔ)上，組建一個(gè)測試系統(tǒng)。主要設(shè)計(jì)方案：將實(shí)驗(yàn)室各設(shè)備上的重要位置點(diǎn)加以安裝壓力傳感器、溫度傳感器或流量傳感器來隨時(shí)測試各位置點(diǎn)的參數(shù)，通過輸入模塊設(shè)備采集信號，并將信號轉(zhuǎn)換輸送到電腦。利用在MCGS工控組態(tài)軟件基礎(chǔ)上二次開發(fā)的試驗(yàn)平臺進(jìn)行收集信號，并加以計(jì)算并在原先設(shè)計(jì)好的“東莞理工學(xué)院分布式能源系統(tǒng)試驗(yàn)平臺”上顯示出來，最后輸送到大的顯示器上方便顯示。

3.2 傳感器設(shè)備

3.2.1 微差壓變送器

本文研究主要使用JYB-DW擴(kuò)散硅微差壓變送器，用于測試除濕機(jī)排出的空氣壓力。對于微差壓傳感器接線主要采用三線制電流輸出方式。

3.2.2 大氣壓力變送器

本文研究使用 JQYB 大氣壓力變送器主要用于測試室外環(huán)境大氣壓力。

3.2.3 溫度傳感器、變送器

本文研究使用的是JWB一體化溫度變送器、傳感器系列。該系列的傳感器與MCGS軟件設(shè)計(jì)后的測試平臺配合使用，能夠準(zhǔn)確地測量實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上各位置點(diǎn)上的溫度。它的使用范圍有-200～1 600 ℃，而在本文研究主要采用（0～50 ℃）、（0～150 ℃）、（0～500 ℃）等幾個(gè)溫度范圍。

3.2.4 智能電磁流量計(jì)

本文研究主要使用ZY-LDE智能電磁流量計(jì)。相對其他非智能的電磁流量計(jì)，智能電磁流量計(jì)具有高精度、可靠性高、安全性高、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。

3.2.4 多功能電力表

本文研究利用多功能電力表收集實(shí)驗(yàn)室微型燃?xì)廨啓C(jī)跟內(nèi)燃機(jī)的功率、電壓、電流等參數(shù)，儀表能夠智能顯示各參數(shù)隨時(shí)間變化的瞬時(shí)值。

通過將微型燃?xì)廨啓C(jī)跟內(nèi)燃機(jī)的電源端口并聯(lián)，給予兩個(gè)設(shè)備一個(gè)220 V電源電壓。將該電力表設(shè)置好后，該多功能電力表就能夠?qū)⑹占降膮?shù)顯示出來，還能通過信號連接線，連接接口轉(zhuǎn)換器，將信號轉(zhuǎn)換后輸送到計(jì)算機(jī)上已經(jīng)設(shè)計(jì)好的軟件測試平臺上顯示出來。

3.3 輸入模塊設(shè)備構(gòu)件

本文設(shè)計(jì)主要采用監(jiān)控產(chǎn)品MCGS組態(tài)——昆侖海岸kl-m4000系列，主要采用了四個(gè)KLM-4514多通道模擬量采集模塊設(shè)備、一個(gè)KLM-4524多通道開關(guān)量采集模塊設(shè)備和一個(gè)KLM-4542S鉑電阻輸入模塊設(shè)備，并安裝在同一電柜里。

3.3.1 多通道模擬量采集模塊設(shè)備構(gòu)件

圖3 MCGS結(jié)構(gòu)圖

圖4 分布式能源測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文研究多通道模擬量采集模塊主要采用KLM-4514，模塊信號輸入端口有16路，使用的直流電流信號為4～20 mA。模塊功能主要是通過采集傳感器傳來的信號，并傳輸信號到計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)軟件上，完成傳感器與計(jì)算機(jī)的聯(lián)系，這樣能夠滿足我們對實(shí)驗(yàn)室分布式能源系統(tǒng)設(shè)備上各位置點(diǎn)溫度的監(jiān)控。KLM-4514多通道模擬量采集模塊和主機(jī)的通訊方式為RS232/RS485連接，并使用MCGS組態(tài)軟件收集輸入模塊的輸出信號。

3.3.2 多通道開關(guān)量采集模塊設(shè)備構(gòu)件

本文研究多通道模擬量采集模塊主要采用KLM-4524，模塊信號輸入端口有16路，使用的直流電流信號為4～20 mA。模塊功能主要是通過采集傳感器傳來的信號，并傳輸信號到計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)軟件上，完成傳感器與計(jì)算機(jī)的聯(lián)系，這樣能夠滿足我們對分布式能源系統(tǒng)設(shè)備上各位置點(diǎn)溫度的監(jiān)控。KLM-4524多通道開關(guān)量采集模塊和主機(jī)的通訊方式為RS232/RS485連接，并使用MCGS組態(tài)軟件收集輸入模塊的輸出信號。

3.3.3 鉑電阻輸入模塊設(shè)備構(gòu)件

本文研究多通道模擬量采集模塊主要采用設(shè)備KLM-4542S鉑電阻輸入模塊、其是集采集、通訊為一體的鉑電阻輸入模塊，8路PT100信號輸入，通訊可選RS-232或RS-485接口。模塊功能主要是通過采集傳感器傳來的信號，并傳輸信號到計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)軟件上，完成傳感器與計(jì)算機(jī)的聯(lián)系，這樣能夠滿足我們對實(shí)驗(yàn)室分布式能源系統(tǒng)設(shè)備上各位置點(diǎn)溫度的監(jiān)控。KLM-4542S鉑電阻輸入模塊和主機(jī)的通訊方式為RS232/RS485連接，并使用MCGS組態(tài)軟件收集輸入模塊的輸出信號。

3.3.4 接口轉(zhuǎn)換器

通過RS232/RS485 UT-2216接口轉(zhuǎn)換器（如圖4.13所示）將輸入模塊設(shè)備構(gòu)件輸送到測試系統(tǒng)軟件的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。它具備RS232和RS485標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)S232信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成平衡差分RS485信號。

3.4 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

如圖5所示，以上就是本文研究系統(tǒng)軟件主界面的設(shè)計(jì)，在這“分布式能源系統(tǒng)試驗(yàn)平臺”上，我們可以明顯的看出分布式能源系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備。通過MCGS軟件傳輸過來的數(shù)據(jù)，我們可以明顯地看出各現(xiàn)場設(shè)備各位置點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化。

系統(tǒng)軟件中設(shè)備窗口利用設(shè)備構(gòu)件來驅(qū)動外部設(shè)備，并將采集到的數(shù)據(jù)輸送到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。軟件中的運(yùn)行策略通過策略構(gòu)件，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和處理。而用戶窗口中的圖像對象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立連接的關(guān)系，并且通過動畫顯示出來。

圖5 分布式能源系統(tǒng)試驗(yàn)平臺

圖6 系統(tǒng)窗口關(guān)系圖

4 總結(jié)

1）通過MCGS組態(tài)環(huán)境顯示，各大設(shè)備上位置點(diǎn)傳感器均有信號輸入，可見各個(gè)傳感器、電柜里各個(gè)輸入模塊的連線跟系統(tǒng)軟件的連接都沒有出現(xiàn)問題。

2）實(shí)現(xiàn)了以 MCGS組態(tài)軟件為平臺，設(shè)計(jì)了基于變送器數(shù)據(jù)采集的分布式能源測試系統(tǒng)，建立軟件測試平臺。