畢業設計（論文）題目：獨立運行風/光互補電站監測系統的研究所屬學院:電子工程信息學院目錄TOC\h\z\t"標題1,1,二級標題,2,三級標題,3"摘要： IIIAbstract： IV第一章引言 11.1課題背景 11.1.1可再生資源的利用現狀與發展 11.1.2我國太陽能和風能資源 11.2國內外研究情況 41.2.1國外研究情況 41.2.2國內研究水平 61.3課題研究意義及主要工作 6第二章 獨立運行風、光及其互補電站 82.1獨立運行的光伏電站 82.1.1系統組成 82.1.2光伏電站的主要部件介紹 82.2獨立運行風力發電站 132.2.1系統組成 132.2.2風力發電站主要部件 142.3獨立運行風/光互補電站 172.4獨立運行風/光互補電站監測策略 18第三章硬件電路設計 203.1方案選擇 203.2硬件電路結構圖 213.3EDA9033A三相電參數數據采集模塊 223.3.1EDA9033A三相電參數采集模塊簡介 223.3.2EDA9033A模塊接線圖 243.3.3EDA9033A-ASCII碼指令集及參數計算說明 263.4RS485通訊連接 273.4.1RS485介紹 273.4.2RS485通訊電路 28第四章軟件設計 304.1編程環境介紹 304.2主要控件介紹 314.2.1MSComm控件 314.2.2坐標系統 334.2.3時鐘控件 344.3程序結構 344.3程序設計 354.3.1MSComm通訊程序 354.3.2波形顯示程序 364.3.3模擬仿真 36第五章總結 40參考文獻 41致謝 42附錄ⅠMSComm通訊程序 43附錄Ⅱ仿真程序 44窗體1-歡迎界面 44窗體2-選擇界面 44窗體3-1號風機 46窗體6-1號光伏板 58

獨立運行風/光互補電站監測系統的研究電子信息工程學院電氣071501盧林龍指導教師：劉立群摘要：隨著供電需求的不斷增加、電力系統規模擴大、運行要求不斷提高，工作量的增大與人力相對不足的矛盾日益突出。同時，為減少人為錯誤對安全生產的影響，自動化將是一個不可逆轉的趨勢。電站監控系統的改進和進一步完善是十分必要的，特別是充分發揮計算機的潛力和特點，替代變電站值班人員易發生錯誤或難以持久進行的某些工作，如某些單調、重復的檢測、對低概率事件的長期監視等，其需求尤為迫切。本文利用EDA9033A電參數采集模塊采集風/光互補電站參數，通過RS485將數據傳輸給計算機，依靠VB編寫的監測系統處理輸出顯示數據與波形。利用這個監測系統的可以實時、準確、長久的對電站進行監測，確保電站穩定、高效、經濟的運行。關鍵字：風/光互補電站，監測系統，VB輸出波形，多窗口應用

TheResearchofMonitoringSystemforHybridPV/WindPowerStationSchoolofElectronicandinformationengineeringElectricalDirector：LiuLiqunAbstract：Withtheincreasedemandofpowersupply,thescaleexpandofelectricpowersystem,theimprovementoperationrequirements,theconflictbetweentheincreasingworkloadandrelativeshortageofpersonnelhavebecomeincreasingprominent.Atthesametime,automationwillbeaninexorabletrendtoreducetheinfluenceoftheproductionsafetybyhumanerror.Itisnecessarythatpowerstationmonitoringsystemshouldbefurtherimproved.Especiallymakingfulluseofthecomputer’spotentialandcharacteristicstoreplacesometasksthatthesubstationworkswhichareeasilytogivefaultorhardtosustained,suchassomemonotonousandrepetitivetesting,thelong-termmonitoringoflowprobabilityeventsetc,thedemandisparticularlyurgent.ThistestuseEDA9033Aelectricparameteracquisitionmodule,transferthedatatothecomputerthroughRS485,processingtheoutputdisplaydataandwaveformsdependonmonitoringsystempreparedbyVB.Usingthemonitoringsystem,wecanmonitoredthestationreal-timely,accuratelyandinlong-term,andensureastable,efficientandcheaperoperation.KeyWords:HybridPV/windpowerstation,monitoringsystem,VBoutputwaveform,Multi-windowapplications第一章引言1.1課題背景1.1.1可再生資源的利用現狀與發展所謂可再生能源主要指太陽能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等自然能源。其突出特點是資源豐富，可再生，可供人類永久利用，不存在資源枯竭的問題。據有關專家測算，僅太陽能、風能、水能和生物質能在現有的科學技術水平下，全球一年獲得的資源量即達1033億tce(標準煤，下同)，大約是2000年全世界一次能源消費量(143億特tce)的7.2倍，比2020年需求量(203億tce)還要多4倍，預測到2050年左右，可再生能源發電量將達到世界總發電量的30-40%左右，成為人類的基礎能源之一。自上個世紀70年代發生了石油危機以來，促使了一批可再生能源新技術的誕生。到上個世紀90年代，世界各國可再生能源發展迅速，世界上許多國家都把可再生能源作為未來國家能源的基礎，其中風能、太陽能和生物質能發展速度最快，有廣闊的發展前景，因為可再生能源的利用增長率遠高于常規能源。其中風力發電是可再生能源中成本最接近常規能源的清潔能源，因此其發展速度最快，年增長率達27%；而據歐洲JRC的預測，到2030年太陽能發電將在世界電力的供應中顯現其重要作用，達到10%以上，可再生能源在總能源結構中占到30%；2050年太陽能發電將占總能耗的20%，可再生能源占到50%以上，到本世紀末太陽能發電將在能源結構中起到主導作用。1.1.2我國太陽能和風能資源我國地處北半球歐亞大陸的東部，幅員遼闊，有著豐富的太陽能資源，但隨著緯度和地形、氣候條件的不同，太陽能在全國的分布有很大的區別。中國各地的太陽能年輻射總量大約在3.3×106～8.4×106千焦/米2年之間，其平均值是5.9×106千焦/米2年。我國太陽能資源豐富和比較豐富的Ⅰ、Ⅱ類地區面積約占全國總面積的2/3以上。我國的風力資源也比較豐富，近十幾年來，對風能資源狀況作了較深入的勘測調查，全國可開發利用的風能資源總量約2.5億千瓦。東南沿海和山東、遼寧沿海及其島嶼，內蒙古北部，甘肅、新疆北部以及松花江下游等地區均屬風能資源豐富區，年平均風速≥6米/秒，有效風能密度≥200瓦/米2，具有很好的開發利用條件。和常規能源相比較，太陽能和風能資源具有如下5個優越性：1）取之不盡，用之不竭太陽內部由于氫核的聚變熱核發應，從而釋放出巨大的光和熱，這就是太陽能的來源。根據氫核聚變的反應理論計算，如果太陽像目前這樣，穩定地每秒鐘向其周圍空間發射3.826×1028焦耳的輻射能，在氫核聚變產能區中，氫核穩定燃燒的時間，可在60億年以上。也就是說太陽能至少還可像現在這樣有60億年可以穩定地被利用。太陽發射出的能量，只有22億分之一被地球所獲得，其余部分都散射到太空中去了。但這一部分能量也是很可觀的，地球表面一年中仍可獲得7.034×1024焦耳的能量，相當于燃燒200萬億噸煙煤所發生的巨大熱量。根據古斯塔夫遜的計算，太陽通量在地球和太陽間的數值為1400瓦/米2，而地球表面上所獲得的功率為1.8×1017瓦，一年中所獲得的能量換算成電力約為1.58×1018度。風能是太陽能的一種轉化形式，仍根據古斯塔夫遜的估算，在全球邊界層內，風的總功率為1.3×1015瓦，一年中約為1.44×1016度電力的能量。這相當于目前全世界每年燃燒礦物能源所產生能量的3000倍左右。此外，從長遠來看，人類為免除礦物燃料資源枯竭的威脅，從目前的礦物燃料能源結構，轉變到持久能源結構，已是勢在必行，而且現在已經開始了轉變。2）就地可取，不需運輸礦物能源中的煤炭和石油資源在地理分布上的不均勻，以及全世界工業布局的不均衡造成了煤炭和石油運輸的不均衡。這些礦物能源必須經過開采后長途運送，才能到達目的地，給交通運輸造成壓力。對一些高山、孤島、草原和高原等電網不易到達、交通不方便的地方，充分利用氣象資源，會帶來很大方便。在我國幅員遼闊，人煙稀少的少數民族聚居地和邊遠地區，由于遠離電網而很難獲得經濟可靠的電源，同時這些地區所設置的郵電局、微波中繼站、氣象臺、電視調頻差轉臺以及邊防哨所需要的電功率都在10千瓦以下，目前采用柴油發電機組供電，其成本高，不但柴油需求量大，而且燃料運輸路途遙遠，費用高。這些地區若合理地利用太陽能、風力發電裝置，就更加能夠顯示出太陽能、風能發電的優越性。3）分布廣泛，分散使用如果將10米高處，能量密度大于150～200瓦/米2的風能，作為有利用價值的風能，從世界風能分布圖上可以看出全世界約有三分之二的地區具有風能利用價值。太陽能年輻射總量一般大于5.04×106千焦/米2年，就有實際利用價值，若大于6.3×106千焦/米2年，則為較高利用價值地區。世界上約有二分之一的地區可以達到這個數值。雖然太陽能和風能分布也具有一定的局限性，但與礦物能、水能和地熱能等相比仍可視為分布較廣的一種能源，稱得上具有分布較廣，到處都有的優點。4）不污染環境，不破壞生態人類在利用礦物燃料的過程中，必然釋放出大量有害物質，如SO2,CO2等，使人類賴以生存的環境受到了破壞和污染。此外，其他新能源中水電、核能、地熱能等，在開發利用的過程中，也都存在著一些不能忽視的環境問題。但太陽能和風能在利用中不會給空氣帶來污染，也不破壞生態，是一種清潔安全的能源。5）周而復始，可以再生在自然界可以不斷生成并有規律地得到補充的能源，稱為可再生能源。太陽能和風能都屬于可再生能源。煤炭、石油和天然氣等礦物能源經過幾十億年才形成，而且短期內無法恢復。當今世界消耗石油、天然氣和煤炭的速度比大自然生成它們的速度要快一百萬倍，如果按照這個消耗速度，在幾十億年時間里所生成的礦物能源將在幾個世紀內就被消耗掉。目前，非再生能源占世界能源結構的98%左右，為了減少不可再生的礦物能源的消耗量，我們一方面要致力于提高礦物能源的有效利用率，節制利用礦物能源，另一方面必須積極開發可再生能源和核能。太陽能和風能盡管與常規能源相比具有五大優越性，是極好的能源，但在利用時也存在著以下兩大弊端：1）能量密度低標準狀態下，空氣的密度在僅為水的密度的1/773。在3米/秒風速時，風的能量密度僅為0.02千瓦/米2，而在水流速為3米/秒時，其能量密度達到20千瓦/米2。在相同流速下，要想獲得與水能同樣大的功率，風輪直徑要相當于水輪的27.8倍。太陽能能量密度也很低，必須裝置相當大的受光面積，才能采集到足夠的光能。所以不論太陽能還是風能都是一種能量密度極其稀疏的能源，也就是單位面積上所獲得的能量比較小的能源。2）能量不穩定太陽能和風能對天氣和氣候都非常敏感，它們都是隨機能源。雖然各地區的太陽輻射和風的特性在較長時間內大致上有一定的統計規律性可循，但是其強度無時無刻都在不斷的變化之中，不但各年間有變化，甚至在很短時間內還有無規律的脈動變化。此外，太陽能還具有晝夜有規律變化的特點。這種時大時小的不穩定性也給太陽能和風能的使用帶來了很大的困難。由于具有這兩大困難，所以要想把這兩種能源轉變成經濟而又可靠的電能，存在很多技術問題。這也就是幾個世紀以來太陽能和風能的利用發展極為緩慢的原因。但是，隨著現代科學技術的發展，太陽能和風能的利用都已經在技術經濟上有所突破，有些應用已經進入了商業性應用領域。1.2國內外研究情況1.2.1國外研究情況在新能源的利用上，歐共體、美國、日本等處于世界先進水平。由于風能相比太陽能，更加不穩定。國外由于電網普及面比較廣，并網運行風力發電機組效率高，運行安全可靠，從節能和機組效率的角度來看是一種理想的運行方式，所以國外在風力發電的利用方面，主要還是采用并網型大型風力發電站的形式。在解決有風無電地區居民集結點的供電問題上，國外一般采用風/柴電站交替運行方案，它需要配備一定容量的柴油發電機組，且絕大多數著眼于生活用電的需要。這種電站歸納起來有三種方案，即負載控制方案，配備長期儲能裝置方案，配備短期儲能裝置方案。在負載控制方案中公認為較成功的英國IRD公司在英國三個島上建立的55kW風力機和容量不等的柴油發電機交替運行獲得了較好的效果。該方案是將負載分為優先、次要和耗能負載，由發電機頻率控制其通斷，當風電不足以保證“優先”負載時啟動柴油發電機組，無須儲能。該方案運行可靠，在風能資源豐富地區可達到滿意的節油效果，但它具有投資過高，次要負載用電效率低，負載檔次分得過細的缺點。長期儲能方案的風電一蓄電池一逆變器系統對10kW以上容量的電站來說，投資過高。如在愛爾蘭的CapeClear島進行了60kW風力機，72kW柴油發電機和100kWh蓄電池的示范工作，這種方案避免了柴油發電機的頻繁起動，但同時也存在著造價高、控制復雜的缺點。英國Reading大學對部分儲能方案進行了論證和計算機模擬工作，認為是可取的。短期儲能現有飛輪儲能和液壓儲能，還處于試驗階段。下面介紹荷蘭和日本光伏系統控制器的研究情況。荷蘭荷蘭的光伏電站專用控制器已經達到了專業化的生產水平，而且技術性能也有很大提高。其控制器帶有最大功率跟蹤功能（MPPT）（只用于70Wp以上的光伏系統），在蓄電池虧電和光強較弱時，可比普通控制器的充電效率提高30。控制器對蓄電池采用了三種充電方式:當蓄電池電壓較低時以MPPT方式充電；當蓄電池電壓達到設定值1（如12V蓄電池，設定值1為14.1V）時，轉為吸收充電，1小時后轉為恒壓浮充充電（對12V蓄電池，充電電壓在13.25V)；當電池電壓低于設定值2（如12V蓄電池，設定值2為13V）時，又轉換為MPPT充電。此外，蓄電池帶有溫度傳感器，具有溫度補償功能。當蓄電池溫度升高時，能自動適當降低滿充電壓的控制門限，防止蓄電池電解液氣化；而當蓄電池溫度過低時，能自動提高滿充電壓的控制門限，保證蓄電池充滿。日本作為中日在新能源開發利用的合作內容的一部分，日本NEDO在中國安裝了14套獨立運行光伏集中電站。2001年5月，中日合作甘肅敦煌玉門關8.4kWp光伏示范電站的建立。玉門關光伏電站共有8路光伏發電支路，各支路分別由8塊SHARP公司設計的控制器單獨控制。控制器由模擬分離元件構成，通過調節可調電阻來設定控制點電壓，當蓄電池電壓低于這條光伏支路所設定的下限控制電壓值時，閉合開關，讓該光伏支路對蓄電池進行充電；當蓄電池電壓高于這條光伏支路所設定的上限控制電壓時，斷開開關，停止該光伏支路對蓄電池的充電。玉門關光伏電站的運行參數除了電壓、電流、系統輸出直流電能等參數通過安裝在控制柜表面的電壓表、電流表和電度表顯示之外，其他的運行參數都由單獨的測量柜采集，并存儲在數據采集卡中，不就地顯示。通過定期更換數據采集卡，用PC機來處理、分析卡上的數據，作為研究光伏電站運行狀況的依據。其他的中日合作光伏電站分別由京瓷、殼牌等日本公司提供，在系統設計上，類似于SHARP公司所設計的玉門關光伏電站。1.2.2國內研究水平在國內，研究、并實際設計獨立運行風/光互補電站的單位，主要有中國科學院電工研究所的新能源室、北京計科公司、各地新能源研究所、高校、以及一些公司。獨立運行的風/光互補電站，在我國主要應用于如下地區：地域遼闊、居住分散、游牧性強的牧民所居住的草原牧區，以及邊防哨所、氣象站、電視傳送站等。目前國內的風/光互補電站的控制器具有以下共同點：控制電路基本上都是由模擬分離元件構成，通過模擬電壓比較電路，采集蓄電池電壓跟各控制點電壓（控制點電壓通過調節可調電阻來設定）進行比較，來決定光伏支路或風力發電機是否對蓄電池進行充電，在控制柜運輸、搬運、安裝過程中，有可能因為顛簸而造成控制點電壓值的改變；因為市場和應用條件不同，國內在設計不同用途，不同安裝地點，不同容量的光伏、風電，或風/光互補系統時，需要單獨設計控制器，未能形成系列化產品；在蓄電池的充、放電控制中，僅僅考慮了蓄電池的端電壓因素，而實際上，蓄電池的充、放電過程較復雜，還與溫度高低、充放電電流大小等因素密切相關；由于采用模擬分離元件設計控制器，很難實現運行數據的統計、顯示功能，從而不能分析電站的運行狀況和性能。1.3課題研究意義及主要工作在我國，由于電網還不夠普及，邊遠地區還有眾多人口無電、缺電，還需要通過建立一系列的風/光互補電站來滿足這部分無電人口的用電需要。隨著電力系統規模擴大、電站數目不斷增加、運行要求不斷提高，工作量的增大與人力相對不足的矛盾日益突出。同時，為減少人錯誤對安全生產的影響，自動化將是一個不可逆轉的趨勢。電站監控系統的改進和進一步完善是十分必要的，特別是充分發揮計算機的潛力和特點，替代變電站值班人員易發生錯誤或難以持久進行的某些工作，如某些單調、重復的檢測、對低概率事件的長期監視等，其需求尤為迫切。因此，電站監控系統的深入研究意義深遠電站監測系統有助于風/光互補電站穩定高效的運行，提供更加可靠的電能。本文所介紹的風/光互補電站的監測系統采用了集成數據采集卡作為采集核心模塊，并用VB在計算機上編寫簡單、實用可視化界面。優點表現在：參數采集簡單，易于實現；不但可以使用與風/光互補電站，也可以兼容地運用于單純的光伏、風力電站，能同時監測3個光伏陣列和3臺風力發電機，系統監測容量擴充簡單；監測參數實時更新，最短刷新間隔為0.1秒，大大提高了監測的實時性與電站運行的穩定性；監測系統具備運行數據計算和顯示功能，為評價系統性能、分析電站的運行狀態，以及后續的互補控制提供了依據；本監測系統還將各類參數以實時波形的形式顯示在監控界面，更加直觀簡單的表現出電站的運行情況。論文的主要工作包括：按照風/光互補電站的運行特點，提出合理的監測策略；根據既定的監測策略，選取采集模塊，進行軟、硬件設計，實現監測功能；實現監測系統運行數據計算和顯示功能；按3臺風力發電機與3個光伏陣列進行模擬監測。

第二章獨立運行風、光及其互補電站為了了解獨立運行風/光互補電站控制監測系統的工作原理，本章主要介紹了獨立運行的風、光電站的三種典型應用:獨立運行光伏電站、獨立運行風力發電站、獨立運行風/光互補電站。最后，提出論文所介紹的獨立運行風/光互補電站監測系統的監測策略。2.1獨立運行的光伏電站2.1.1系統組成太陽能光伏發電是一種將太陽光輻射能直接轉換成電能的新型發電技術。太陽光輻射能經光伏器件轉換成電能，再經過能量儲存、控制和保護、能量變換等環節，成為可按人們需要向負載提供的直流或交流電能。太陽電池陣列太陽電池陣列太陽電池陣列……太陽電池陣列控制器逆變器交流負載蓄電池直流負載圖2.1獨立運行光伏原理圖獨立運行光伏電站原理圖如圖2.1所示，主要由以下幾部分組成：太陽電池陣列、蓄電池、充放電控制器、逆變器和用戶負載。目前，雖然光伏發電的成本仍然較高，但由于其可靠性高，維護費用低，以及太陽能的分布廣泛，光伏發電技術在邊遠無電地區以及人口分散地區得到了廣泛的應用，在這些地區所使用的光伏電站都屬于獨立運行系統。2.1.2光伏電站的主要部件介紹太陽能電池太陽電池的原理將太陽光輻射能直接轉換成電能的關鍵器件稱為太陽電池，它主要是由半導體材料制成。人們很早就發現，在太陽光照射下，一些特定的半導體內可以產生自由電荷，這些自由電荷的定向移動和積累可在其兩端產生一定的電動勢并向外電路提供電流。這種現象被稱為光生伏特效應或光伏效應，它是制造太陽電池的物理基礎。用適當波長的光照射到太陽電池由P型和N型兩種不同導電類型的同質半導體材料構成的PN結上時，在一定條件下，光能被半導體吸收后，在導帶和價帶中產生非平衡載流子—電子和空穴。由于PN結勢壘區存在較強的內建靜電場，因而產生在勢壘區中的非平衡電子和空穴，或者產生在勢壘區外但擴散進勢壘區的非平衡電子和空穴，在內建靜電場的作用下，各向相反方向作漂移運動，結果使P區電勢升高，N區電勢降低，PN結兩端產生光生電動勢，這就是PN結的光生伏特效應。由于光照產生的非平衡載流子各向相反方向漂移，從而在內部構成自N區流向P區的光生電流。在PN結短路情況下構成短路電流密度Jsc。在開路情況下，PN結兩端建立起電勢差Voc，也即開路電壓。如將PN結與外電路接通，只要光照不停止，就會不斷的有電流流過電路。太陽電池的特性和主要參數太陽電池的輸出特性主要由I-V曲線體現，光照下太陽電池的特性曲線如圖2.2所示。即當太陽電池短路時V=0輸出電流為短路電流值（I=Isc）；當太陽電池開路時I=0，輸出電壓為開路電壓Voc。圖2.2太陽電池I-V曲線在恒定光照下，一個處于工作狀態中的太陽電池，其光電流IL不隨工作狀態而變化，在等效電路中可把它看作恒流源。光電流的一部分流經負載RL，在負載兩端建立起端電壓Vo反過來它又正向偏置于PN結，引起與光電流方向相反的暗電流IF，暗電流的數值同PN結上的正向偏置電壓Vj有關，它抵消了一部分光電流，流經負載的輸出電流為I=IL-IF（Vj）。一個理想的PN結太陽電池的等效電路如圖2.3（a）所示。圖2.3單晶硅等效電路不考慮串并聯電阻考慮串并聯電阻由于前表面和背表面的電極接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區和頂層都不可避免地要引入附加電阻。在等效電路中，可將它們的總效果用一個串聯電阻Rs來表示。由于電池邊沿的漏電，以及制作金屬電極時在電池的微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應通過負載的電流短路，這種作用的大小可用一歌并聯電阻Rsh來等效。這樣，一個簡單而又比較接近實際的等效電路如圖2.3（b）所示。根據太陽電池的等效電路，我們可以得到其輸出電流和輸出電壓之間的關系為QUOTE（式2.1）太陽電池的主要參數包括開路電壓、短路電流、峰值功率、填充因子和轉換效率。其中，開路電壓指太陽電池組件在外電路開路情況下的端電壓，用符號Voc表示；短路電流指太陽電池通過外電路直接短路時，流經外電路的電流，用符號Isc表示；峰值功率，為表征太陽電池輸出能力和容量的一個很重要的參數，指在標準測試條件下，即在輻射強度為1000W/m2，大氣質量為1.5（AM1.5）太陽電池的結溫為25oC的環境下測得的太陽電池的最大輸出功率，用符號Wp表示；太陽電池輸出特性的填充因子定義為QUOTE（式2.2）它表示輸出最大功率占以Voc和Isc為邊長的矩形面積的百分比；光電能量轉換效率QUOTE是衡量太陽電池質量和技術水平的重要參數，其定義為QUOTE（式2.3）獨立運行、光伏發電系統中太陽電池的運行狀態單塊太陽電池的端電壓和輸出電流都較小。對于集中型的光伏電站來說，為了減少輸電線路上的功率損耗，通常需要提高光伏電站的輸出電壓，如在10kW以下的獨立運行光伏電站中，系統電壓通常選擇為48V，而在10kW以上的光伏電站中，系統電壓需要提高到110V或者220V。系統電壓的提高，需要采用多塊太陽電池串聯的工作方式，而為了增大輸出電流，是通過把多條串聯支路并聯起來，構成光伏串并聯支路來實現的。獨立運行光伏電站的控制，主要是基于對光伏串并聯支路的控制。當太陽電池輸出功率較小、或者基本沒有輸出時（比如陽光較弱，或者夜晚的時候），為了防止蓄電池對太陽電池反向供電，在光伏支路中串聯了只能單向導通的防反二極管，保證了電流的流經方向只能是由光伏支路到蓄電池。蓄電池地面可獲得的太陽光輻射量是不斷變化的，一天中從早到晚都在不斷的變化之中，而且一年四季中不同月份的太陽光輻射量也是不同的，天氣的變化更是對它有直接影響。太陽光輻射量強度的變化必然引起直流發電系統輸出電能的變化，而且這種變化同負載的用電需要沒有必然聯系，使得光伏電站的發電和用電無法匹配。并網光伏電站，可以利用電網作為儲能系統，而獨立運行的光伏電站主要是依靠蓄電池來儲存多余的電能。鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池是目前光伏發電系統中最常用的兩種儲能單元。蓄電池常用安時數(Ah)來表示其額定容量，它表明在規定的時間內蓄電池一次放出的最大電能。蓄電池的使用壽命由循環次數決定或者由正極板的腐蝕情況確定。當蓄電池的容量下降到額定容量的某一個百分比（80%），可以認為該蓄電池已經基本接近其使用壽命。蓄電池容量逐漸下降的最常見原因是充放電過程及蓄電池極板隔柵腐蝕所引起的活性物質的逐漸丟失。從蓄電池運行角度看，以下這些因素都對蓄電池的壽命有著很大影響：經常性深度放電，這容易造成正極板活性物質的脫落；溫度過高會加速極板的腐蝕；經常性過度充電也會加速極板的腐蝕；經常性充電不足（欠充）會導致硫化和電解液分層現象，從而使容量下降。作為儲能蓄電池重要參數之一的蓄電池電壓取決于電池種類、充電狀態、放電速率、溫度和電解液溶度等因素的影響。在獨立運行光伏電站中，考慮到太陽電池和蓄電池的內阻，光伏支路對蓄電池的充電電流為：QUOTE（式2.4）式中，QUOTE為光伏支路的端電壓，E為蓄電池電動勢，Rpv為該光伏支路的等效內阻，Rc為蓄電池內阻。由上式可知，只有在QUOTE＞E時，才會有充電電流流入蓄電池。充放電控制器充放電控制器是直流控制系統中最主要的部分，也是光伏電站中不可缺少的部分。它的主要功能和作用是讓蓄電池在允許的限制范圍內按照系統設計者規定的模式工作，特別是要防止過度充電和深度放電。此外，國外在很多場合使用的光伏電站控制器帶有最大功率點跟蹤功能（MPPT），能夠提高太陽電池的輸出功率以及提高太陽電池對蓄電池的充放電效率。逆變器太陽光伏陣列只能產生直流電，在負載為直流負載時可以直接應用。在獨立運行電站有交流負載的情況下，逆變器成為系統中不可缺少的重要部分。逆變器將太陽能電池的直流輸出電能或者蓄電池的直流放電電能轉變成交流電能。在帶有蓄電池的光伏發電系統中，逆變器的輸入為蓄電池的放電輸出，可以認為輸入電壓具有恒壓源的特性，故光伏電站中逆變器主要為電壓型逆變器。在光伏電站中所使用的逆變器主要要求具有較高的效率，特別是輕載時的效率要高，這是因為光伏發電系統經常運行在輕載狀態。另外，由于輸入的蓄電池電壓隨充、放電狀態改變而變動較大，這就要求逆變器能在較大的直流電壓變化范圍內正常工作，而且要保證輸出電壓的穩定。目前，獨立運行的光伏電站主要用于邊遠地區，運行維護及維修條件都比較差，高可靠性是光伏電站中的逆變器一個特別重要的要求。2.2獨立運行風力發電站2.2.1系統組成我們把風的動能轉變成機械能，再把機械能轉化為電能，這就是風力發電。可再生能源包括太陽能、風能、海洋能、地熱能和生物質能等，目前在發電方面形成規模產業的就是風能。風力發電近年來發展較快的原因有如下幾點：風力發電是一種綠色能源。風力發電技術成熟。發電成本低。在可再生能源中，它的發電成本最低。隨著風力發電機單機容量的不斷提高，技術的不斷完善，風力發電成本將可與常規能源相競爭。獨立運行風電系統主要采用以下3種運行方式網：負荷控制，風/柴系統交替運行；長期儲能，風電—蓄電池—逆變器運行方式；使用飛輪儲能和液壓儲能來實現的短期儲能運行方式。本節所介紹的為采用長期儲能運行方式的獨立運行風力發電站，主要由風力發電機組、蓄電池、控制器、逆變器、耗能負載和用戶負載等組成。電站原理圖如圖2.4所示。風力發電機風力發電機耗能負載整流器風力發電機整流器耗能負載控制器逆變器負載蓄電池……圖2.4獨立運行風力發電站原理圖2.2.2風力發電站主要部件1.風力發電機組簡介從能量轉換的角度來看，風力發電機組包含了兩部分：其一是風力機，它的功能是將風能轉換成機械能；其二是發電機，它的功能是將機械能轉換成電能。風力機的種類和式樣很多，但由于風力機將風能轉變成機械能的主要部件是受風力作用而旋轉的風輪，因此，風力機依風輪的結構及其在氣流中的位置大體上可分成兩大類：一類為水平軸風力機，風輪圍繞一個水平軸旋轉；另外一類為垂直軸風力機，風輪的旋轉圍繞一個垂直軸而旋轉。風力發電機的式樣很多，其原理和結構總的說來大同小異。以水平軸風力發電機為例，它主要由以下幾部分組成：風輪、傳動機構（增速箱）、發電機、機座、塔架、調速器或限速器、調向器、停車制動器等。對于一臺實際的風力機，其機械輸出功率Pm可以用下式表示：QUOTE（式2.5）式中，Pw為通過風輪掃掠面積的風的功率；D是風輪直徑；Cp為風能利用系數，它不是一個常數，隨著風速、風力機轉速以及風力機葉片參數（如攻角、槳距角）而變化；QUOTE是風輪遠前方風速。風力發電系統中，發電機及其控制系統承擔了機械能到電能的能量轉換過程，發電機不僅直接影響了這個轉換過程的性能、效率和供電質量，而且還影響風能到機械能轉換過程的運行方式、效率和裝置結構。因此，選擇適合于風電轉換用的運行可靠、效率高、控制和供電性能良好的發電機系統，是風力發電工作的一個重要組成部分。2.整流器整流器的主要功能是對風力發電機組輸出的三相交流電進行整流，使其轉換為能對蓄電池進行充電的直流電能。下面以三相橋式整流電路，說明整流器的工作原理。圖2.5所示為三相橋式整流電路原理圖。圖2.5三相橋式整流電路原理圖二極管D1，D3，D5組成共陰極，二極管D2，D4，D6組成共陽極，導通原則為：對于共陰極的二極管，哪一個陽極電壓最高，該二極管導通，其它兩個二極管受反向電壓而截止；對于共陽極的二極管，哪一個陰極電壓最低，該二極管導通，其它兩個二極管截止。圖2.6所示為三相橋式整流電路輸入交流電壓和整流輸出電壓的波形圖，其工作特點為：一個周期內，每一元件導通角度為120o；每隔60o有一元件換流：兩元件換流瞬間恰在兩個線電壓大小相等方向相反，而另一個線電壓為0時；輸出的整流電壓在一個周期內有6次脈動。輸出電壓的平均值如下式所計算：QUOTE（式2.6）式中，QUOTE為線電壓有效值。圖2.6交流輸出線電壓與整流輸出的波形圖三相整流器除了把輸入的三相交流電能整流為可對蓄電池充電的直流電能之外，另外一個重要的功能是在外界風速過小或者基本沒風的時候，風力發電機的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導通方向只能是由風力發電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風力發電機的反向供電。3.耗能負載由于所安裝的小型獨立運行風力發電站主要是解決當地居民生活用電問題，負載的用電時間主要為夜晚。在蓄電池充滿電的時候，為了防止風力發電機組繼續對蓄電池充電，通過繼電器接入耗能負載，用它來消耗風力發電機所發出的電能。在正常風速的情況下，耗能負載投入后，降低了整流橋的交流輸入電壓，無法滿足整流橋的整流二極管的導通條件，所以，也就停止了風力發電機組對蓄電池的充電過程。4.蓄電池蓄電池作為風電系統的儲能裝置。在獨立運行風力發電站中，風力發電機對蓄電池的充電電流為：QUOTE（式2.7）式中，QUOTE為發電機整流后輸出電壓的平均值，E為蓄電池電動勢，QUOTE為發電機的等效內阻，QUOTE為蓄電池的內阻。由上式可知，只有在QUOTE＞E時，才會有充電電流流入蓄電池。隨著蓄電池端電壓和內阻的變化，在同一QUOTE下的充電電流是不會相同的。5.逆變器逆變器的功能是將蓄電池所存儲的直流電能轉換為負載所需要的交流電能。詳細介紹見光伏電站中逆變器部分。2.3獨立運行風/光互補電站風能、太陽能都是取之不盡、用之不竭的清潔能源，但它們又都是不穩定、不連續的能源，單獨用于無電網的地區獨立運行時，需要配備相當大的儲能設備，或者采用多能互補的辦法，以保證基本穩定的供電。風/光聯合發電即是一種多能互補的發電方式，特別是我國屬于季風氣候區，一般冬季風大，太陽輻射強度小；夏季風小，太陽輻射強度大，正好可以相互補充利用。風/光聯合發電比起單獨的風電或光電來，有以下優點：利用風能、太陽能的互補特性，可以獲得比較穩定的總輸出，系統有較高的供電穩定性和可靠性。在保證同樣供電情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量。對混合發電系統進行合理的設計和匹配后，可以基本上由風光系統供電，不需要啟用柴油發電機等備用電源，并可獲得較好的經濟效益。風電的單位發電成本低于光伏發電，風/光互補能降低系統的總成本。獨立運行風/光互補電站主要由光伏陣列、風力發電機組、耗能負載、整流器、控制器、蓄電池、逆變器、用戶負載組成。風/光互補電站原理圖如圖2.7所示。光伏陣列光伏陣列光伏陣列風力發電機耗能負載整流器風力發電機整流器耗能負載控制器逆變器負載蓄電池……圖2.7獨立運行風/光互補電站原理圖2.4獨立運行風/光互補電站監測策略本論文所介紹的控制監測系統所控制的風/光互補電站采用的是長期儲能（光伏支路、風力發電機組—蓄電池—逆變器）的運行方式。在我國，風能和太陽能具有互補的特性，風/光互補電站采用了多能互補的運行方式，可以獲得比較穩定的總輸出，基本上不需要啟動柴油發電機等備用電源。在風/光互補電站的某些應用場所，如微波中繼站、電視信號差轉臺等，對供電穩定性要求比較高，需要長期配備柴油發電機作為備用電源。柴油發電機除了在連續無風無光、風/光互補電站無法滿足負載用電需求的情況下對用戶負載供電之外，還對蓄電池補充充電。柴油發電機與逆變器對負載供電的切換通過交流配電柜的多路開關來實現。此外，一些在新能源利用方面技術比較成熟的國家，在對光伏電站的某些控制場合下，采用了最大功率點跟蹤（MPPT）技術，通過在光伏支路與蓄電池之間增加DC—DC轉換器，調節光伏支路的端電壓為最大功率點電壓來實現。最大功率點跟蹤技術能夠提高光伏支路對蓄電池的充電效率和增加光伏支路的輸出能量，此外，還能實現對蓄電池的恒壓充電。MPPT控制將是光伏系統的發展方向。無論采用何種控制方式，實時、精確的監測都是控制的重要依據。監測系統的地位無可替代。風/光互補電站主要部件中的太陽電池和逆變器的使用壽命較長，一般都能達到10-15年，而風力發電機和作為儲能裝置的蓄電池的使用壽命較短。因此，對風/互補電站運行狀態的實時掌握，是保證電站長久經濟運行的重要前提。實時準確的了解運行參數是本課題所研究的監測系統的主要任務。本論文所介紹的控制監測系統，其控制功能主要包括以下兩部分內容：1.電站運行參數的采集需要采集的參數包括：風機輸出電壓、風機輸出電流、風速、風機轉矩，光伏輸出電壓、光伏輸出電流。這些參數是反應電站運行狀態的直接依據。實時準確的參數采集是對電站控制監測的必要前提。風速、光照的變化，各個參數都會隨之變化，而風速與光照都是時刻變化著的，所以，各參數的采集必須具有實時性。2.顯示采集數據，實時監測為了對電站進行實時監控，采集到的參數必須實時的反映出來。直觀簡單的顯示出參數，作為實施控制的依據。

第三章硬件電路設計3.1方案選擇工業控制中，廣泛使用的三種控制器分別為單片機、可編程控制器（PLC），工業控制機。下面比較一下它們的優缺點：可編程控制器（PLC）PLC的優點表現在:系統通用性好，靈活性高，功能強，運算速度快，數據采集和控制功能可以通過擴展模塊（如模擬/數字輸入模塊、數字輸出模塊）來實現，抗干擾能力強，輸出驅動能力大，適合在高溫、濕度大、氣候條件差的野外場合下以及強電磁干擾下工作，尤其適用于順序控制、開關量輸入和輸出場合。缺點在于系統成本過高，PLC的CPU及其擴展模塊的價格都非常貴。本論文所介紹的監測系統需要直觀的顯示出多種參數。從成本方面考慮，不適用于本課題。單片機優點在于指令豐富，軟件編程靈活，精確度及實時性好，控制系統體積小，功耗低，數據采集及控制功能的實現，很容易通過外圍電路的擴展來實現。相比工業控制機和PLC，性價比最高。其缺點在于單片機自身抗干擾能力差，需要在電路設計時采取抗干擾措施。本課題的監控需要同時輸出電壓、電流、功率、轉矩、風速等參數，以及輸出波形，單片機不具備所有功能，不滿足要求。工業控制機本質上就是PC機。優點在于:編程方便，能夠使用如Basic，Fortran，C，C++，VB，VC等高級語言進行編程，軟件編程較容易實現;數據采集、控制功能比較容易通過擴展插卡來實現；運行數據可以由工控機自帶的CTR(顯示器)顯示。強大的處理功能，實用性很強，擁有足夠大的顯示界面，可以直觀反映出系統運行狀況。基于以上三種控制器的優缺點，以及本次課題的要求與目的，選擇PC對電站實時監測最為理想。基于需要可視化界面，這里選擇制作界面簡單的VB來實現。本課題作如下考慮，選用了山東力創科技公司的EDA9033A三相電參數采集模塊采集數據：功能齊全EDA9033A模塊是一款高性價比的智能電參數變送器，他能替代過去的電流、電壓、功率、功率因數、電量等一系列變送器及測量。這些變送器標準輸出信號的模入模塊，可大大降低系統成本,方便現場布線，提高系統的可靠性。內部集成A/D轉換器16位A/D轉換，6通道，每通道均以4KHz速率同步交流采樣，真有效值測量。數據更新模塊實時數據的更新周期可設置（40mS～1000mS，每步為10mS）；更新周期默認為250ms。過載能力1.4倍量程輸入可正確測量；瞬間（<10周波）電流5倍，電壓3倍量程不損壞。輸出數據三相相電壓Ua、Ub、Uc；三相電流Ia、Ib、Ic；有功功率P、無功功率Q、功率因數PF、各相有功功率Pa、Pb、Pc；正反向有功電度等電參數。通訊簡單輸出為RS-485或RS-232接口的數字信號，支持的通訊規約有3種：ASCII碼協議、十六進制LC-01協議、MODBUS-RTU協議，3種協議可同時識別使用，無需配置。其可與其他廠家的控制模塊掛在同一RS485總線上，且便于計算機編程，使你輕松地構建自己的測控系統。綜上所述，選用EDA9033A三相電參數采集模塊進行電參數采集。另需要一風速計測量風速變化。3.2硬件電路結構圖硬件電路如圖3.1所示包括兩部分：數據采集部分EDA9033A采集風機輸出電壓、電流采集，與風速計測量風速。EDA9033A能實現數據采集，通過外置電壓互感器與電流互感器測出電壓、電流。再用自帶的16位A/D轉換，6通道，直接將輸入的模擬信號（電壓、電流）轉換成二進制數。RS485數據傳輸部分RS-485串行接口總線，RS-485支持半雙工通信，分時使用一對雙絞信號線進行發送或接收，可以滿足高速遠距離傳送。RS485接口采用差分方式傳輸信號，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統只需檢測兩線之間的電位差即可。將EDA9033A采集的數據傳輸到PC。EDAEDA9033ARS485PC風速計輸入模擬信號電壓、電流圖3.1數據采集部分結構圖3.3EDA9033A三相電參數數據采集模塊3.3.1EDA9033A三相電參數采集模塊簡介EDA9033A模塊是一智能型三相電參數數據綜合采集模塊；三表法準確測量三相三線制或三相四線制交流電路中的三相電流、三相電壓（真有效值）、有功功率、無功功率、功率因數、有功功率等電參數。其輸入為三相電壓（0～500V）、三相電流（0～1000A）；輸出為RS-485或RS-232接口的數字信號，支持的通訊規約有3種：ASCII碼協議、十六進制LC-01協議、MODBUS-RTU協議，3種協議可同時識別使用，無需配置。EDA9033A模塊可廣泛應用于各種工業控制與測量系統及各種集散式/分布式電力監控系統。EDA9033A模塊是一款高性價比的智能電參數變送器，他能替代過去的電流、電壓、功率、功率因數、電量等一系列變送器及測量這些變送器標準輸出信號的模入模塊，可大大降低系統成本,方便現場布線，提高系統的可靠性。其可與其他廠家的控制模塊掛在同一RS485總線上，且便于計算機編程，使你輕松地構建自己的測控系統。采用電磁隔離和光電隔離技術，電壓輸入、電流輸入及輸出三方完全隔離。其主要的功能與技術指標如下：輸入信號三相交流50/60Hz電壓、電流。輸入頻率：45～75Hz。電壓量程（相電壓）：60V、100V、250V、300V、400V、500V可選。電流量程：1A、2A、5A、20A、（50A、100A、200A、500A、1000A）等可選。信號處理：16位A/D轉換，6通道，每通道均以4KHz速率同步交流采樣，真有效值測量；數據更新：模塊實時數據的更新周期可設置（40mS～1000mS，每步為10mS）；此功能可通過“E系列產品測試軟件”MODBUS-RTU協議中的配置界面進行配置；更新周期默認為250ms。過載能力：1.4倍量程輸入可正確測量；瞬間（<10周波）電流5倍，電壓3倍量程不損壞。通訊輸出輸出數據：三相相電壓Ua、Ub、Uc；三相電流Ia、Ib、Ic；有功功率P、無功功率Q、功率因數PF、各相有功功率Pa、Pb、Pc；正反向有功功率等電參數。輸出接口：RS-485二線制±15KVESD保護、或RS-232三線制±2KVESD保護。通訊速率（Bps）：1200、2400、4800、9600、19.2K；通訊協議：ASCII碼格式協議、十六進制LC-01協議、MODBUS-RTU協議，3種協議可同時識別使用，無需配置。測量精度電流、電壓：0.2級；其它電量：0.5級；參數設定模塊地址、通訊速率可通過通訊接口設定；有功電量底數可通過通訊接口清0。模塊供電電源+5V±5%、+8～30V、AC220（100）V可選其一功耗：小于0.5W+5V供電，消耗電流小于70mA，輸入紋波應小于100mV，輸入電壓5V±5%。+8～30V供電，消耗電流小于70mA，最高輸入電壓不得超過+32V。交流供電（50HZ），輸入電壓為AC85～265V。隔離電壓輸入-輸出：1000VDC。電流輸入、電壓輸入、AC電源輸入、通訊接口輸出之間均相互隔離。工作環境工作溫度：-20℃～70℃存儲溫度：-40℃～85℃相對濕度：5%～95%EDA9033A端子定義如表3.1所示：表3.1EDA9033A端子定義端子號名稱定義1NC未連接，保留2NC未連接，保留3TXDRS-232接口數據輸出4RXDRS-232接口數據輸入5GND地，與10腳電源地通6INIT*(SLT)未連接，保留7DATA+RS-485接口信號正極8DATA-RS-485接口信號負極9VCC+510～30V電源正，或5V電源正10GND電源負，地11UGND三相電壓測量信號輸入地12NC未連接13UAA相電壓輸入14NC未連接15UBB相電壓輸入16NC未連接17UCC相電壓輸入18NC未連接19AC1交流供電電源輸入N20AC2交流供電電源輸入L3.3.2EDA9033A模塊接線圖EDA9033A模塊可應用于三相三線制或三相四線制電路。在三相三線制電路中，UGND端可不連接或接地；在三相四線制電路中，UGND端接零線。EDA9033A輸出電壓Ua、Ub、Uc都是相電壓（每相對UGND端的電壓）。LED指示燈：模塊正常運行狀態下，指示燈按模塊的數據更新速率閃爍。圖3.2三相三線直接電壓電流回路圖3.3三相四線直接電壓電流回路圖3.4三相三線直接電壓回路圖3.5三相四線直接電壓回路圖3.6三相三線3CT、2PT圖3.7三相三線2CT、2PT圖3.8三相四線3CT、3PT電流輸入的方向如圖示：每相的電流與電壓應如圖示相對應接入，否則將導致錯誤的功率與累計電量。本文所研究的監測系統選用三相三線的3CT、2PT連接方式。3.3.3EDA9033A-ASCII碼指令集及參數計算說明寫配置：配置EDA9033A模塊的通訊地址、波特率命令：%(ADDR)(NEWADDR)(00)(波特率)(01)<CR>響應：!(ADDR)<CR>（NEWADDR）：新地址01～FFH（若不改變地址則使新地址等于原地址2字節(波特率):03～07，表示1200BPS～19200BPS，2字節例：命令：$0102000601<CR>響應：！02〈CR〉該例為將1號模塊地址改為2號，波特率為9600BPS，回答表示改地址成功。讀數據:讀出EDA9033A模塊實時數據,輸出順序為Ua、Ia、Ub、Ib、Uc、Ic、P、Q、COSQUOTE。命令：#（Addr）A<CR>響應：>（DataUa）（DataIa）（DataUb）（DataIb）（DataUc）（DataIc）（DataP）（DataQ）（DataCOSQUOTE）<CR>Data：9個參數，每個參數為7字節ASCII碼值，格式為一位符號位＋或－，5位十進制數據位和一個小數點。其數值為標稱滿量程的百分數（COSQUOTE為實際測量值）。各個參數的含義及計算如下：（UA）：A相電壓值。實際值＝（UA）×（U0）×（UBB）V（UB）：B相電壓值。實際值＝（UB）×（U0）×（UBB）V（UC）：C相電壓值。實際值＝（UC）×（U0）×（UBB）V（IA）：A相電流值。實際值＝（IA）×（I0）×（IBB）A（IB）：B相電流值。實際值＝（IB）×（I0）×（IBB）A（IC）：C相電流值。實際值＝（IC）×（I0）×（IBB）A（P）：總有功功率值。實際值＝（P）×3×（U0）×（I0）×（UBB）×（IBB）W（Q）：總無功功率值。實際值＝（Q）×3×（U0）×（I0）×（UBB）×（IBB）Var（COSQUOTE）：總功率因數值。實際值＝（COSQUOTE）PF本課題的數據傳輸選用MODBUS-RTU協議。MODBUS-RTU協議目前是工業領域全球最流行的協議，支持傳統的具有RS232、RS422、RS458和以太網接口的設備。3.4RS485通訊連接3.4.1RS485介紹由于RS232接口標準出現較早，難免有不足之處，主要有以下四點：（1）接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接。（2）傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps；因此在“南方的老樹51CPLD開發板”中，綜合程序波特率只能采用19200，也是這個原因。（3）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。（4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在50米左右。針對RS232接口的不足，于是就不斷出現了一些新的接口標準，RS-485就是其中之一，它具有以下特點：（1）RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2-6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為（2-6）V表示。接口信號電平比RS-232降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。（2）RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps。（3）RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。（4）RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米，另外RS-232接口在總線上只允許連接1個收發器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡。因為RS485接口組成的半雙工網絡，一般只需二根連線（我們一般叫AB線），所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。3.4.2RS485通訊電路計算機一般不帶485接口，只有232接口。因此計算機與485接口的設備通信，需要一個轉換器，把232接口的設備的232信號轉換成485信號，然后再與485接口的設備通信，如圖3.9這個轉換器就RS232/RS485轉換電路。以上的RS232/RS485轉換電路上采用從計算機串口偷電技術，市場上稱之為“無源RS232/RS485轉換電路”。在轉換電路兩端分別接上232與485接口即可實現利用485與計算機的通訊。圖3.9RS232/RS485轉換電路

第四章軟件設計4.1編程環境介紹VB6.0全稱為VisualBasic6.0，是微軟公司于1998年推出的可視化編程工具MSDN之一，是目前世界上使用最廣泛的程序開發工具之一。VB的中心思想就是要便于程序員使用，無論是新手或者專家。VB使用了可以簡單建立應用程序的GUI系統，但是又可以開發相當復雜的程序。VB的程序是一種基于窗體的可視化組件安排的聯合，并且增加代碼來指定組建的屬性和方法。因為默認的屬性和方法已經有一部分定義在了組件內，所以程序員不用寫多少代碼就可以完成一個簡單的程序。過去的版本里面VB程序的性能問題一直被放在了桌面上，但是隨著計算機速度的飛速增加，關于性能的爭論已經越來越少。窗體控件的增加和改變可以用拖放技術實現。一個排列滿控件的工具箱用來顯示可用控件（比如文本框或者按鈕）。每個控件都有自己的屬性和事件。默認的屬性值會在控件創建的時候提供，但是程序員也可以進行更改。很多的屬性值可以在運行時候隨著用戶的動作和修改進行改動，這樣就形成了一個動態的程序。舉個例子來說：窗體的大小改變事件中加入了可以改變控件位置的代碼，在運行時候每當用戶更改窗口大小，控件也會隨之改變位置。在文本框中的文字改變事件中加入相應的代碼，程序就能夠在文字輸入的時候自動翻譯或者阻止某些字符的輸入。VB的程序可以包含一個或多個窗體，或者是一個主窗體和多個子窗體，類似于操作系統的樣子。有很少功能的對話框窗口（比如沒有最大化和最小化按鈕的窗體）可以用來提供彈出功能。VB的組件既可以擁有用戶界面，也可以沒有。這樣一來服務器端程序就可以處理增加的模塊。VB使用引用計數的方法來進行垃圾收集，這個方法中包含有大量的對象，提供基本的面向對象支持。因為越來越多組建的出現，程序員可以選用自己需要的擴展庫。和有些語言不一樣，VB對大小寫不敏感，但是能自動轉換關鍵詞到標準的大小寫狀態，以及強制使得符號表入口的實體的變量名稱遵循書寫規則。默認情況下字符串的比較是對大小寫敏感的，但是可以關閉這個功能。VB使得大量的外界控件有了自己的生存空間。大量的第三方控件針對VB提供。VB也提供了建立、使用和重用這些控件的方法，但是由于語言問題，從一個應用程序創建另外一個并不簡單。4.2主要控件介紹4.2.1MSComm控件基本介紹MSComm作為一個串行通訊控件為程序員串口通訊編程節省了很多時間。MSComm通信控件提供了一系列標準通信命令的接口，它允許建立串口連接，可以連接到其他通信設備（如Modem）．還可以發送命令、進行數據交換以及監視和響應在通信過程中可能發生的各種錯誤和事件，從而可以用它創建全雙工、事件驅動的、高效實用的通信程序。在基于對話框的應用中加入一個MSComm控件非常簡單。只需進行以下操作即可：打開“Project->AddToProject->ComponentsandControls->RegisteredActivexControls”（工程/部件/控件），然后選擇控件：MicrosoftCommunicationControl,version6.0（MicrosoftCommControl6.0）插入到當前的工程中。這樣就將CMSComm的相關文件mscomm.cpp和mscomm.h一并加入到了工程中。編程時只需將控件對話中的MSComm控件拖至你的應用對話框中就可以了。MSComm的重要屬性介紹CommPort屬性：設置并返回通訊端口號。語法：object.CommPort[value]（value—整型值，說明端口號。）說明：在設計時，value可以設置成從1到16的任何數（缺省值為1）。但是如果用PortOpen屬性打開一個并不存在的端口時，MSComm控件會產生錯誤68（設備無效）。RThreshold屬性：在MSComm控件設置CommEvent屬性為comEReceive并產生OnComm之前，設置并返回的要接收的字符數。語法：object.Rthreshold[=value]（value整型表達式，說明在產生OnComm事件之前要接收的字符數）。說明：當接收字符后，若Rthreshold屬性設置為0（缺省值）則不產生OnComm事件。例如，設置Rthreshold為1，接收緩沖區收到每一個字符都會使MSComm控件產生OnComm事件。CTSHolding屬性：確定是否可通過查詢ClearToSend（CTS）線的狀態發送數據。ClearToSend是調制解調器發送到相聯計算機的信號，指示傳輸可以進行。該屬性在設計時無效，在運行時為只讀。語法：object.CTSHolding（Boolean）說明：如果ClearToSend線為低電平（CTSHolding=False）并且超時，MSComm控件設置CommEvent屬性為comEventCTSTO（ClearToSendTimeout）并產生OnComm事件。ClearToSend線用于RTS/CTS（RequestToSend/ClearToSend）硬件握手。如果需要確定ClearToSend線的狀態，CTSHolding屬性給出一種手工查詢的方法。SThreshold屬性：在MSComm控件設置CommEvent屬性為comEvSend并產生OnComm事件之前，設置并返回傳輸緩沖區中允許的最小字符數。語法：object.SThreshold[=value]value整形表達式，代表在OnComm事件產生之前在傳輸緩沖區中的最小字符數。說明：若設置Sthreshold屬性為0（缺省值），數據傳輸事件不會產生OnComm事件。若設置Sthreshold屬性為1，當傳輸緩沖區完全空時，MSComm控件產生OnComm事件。如果在傳輸緩沖區中的字符數小于value，CommEvent屬性設置為comEvSend，并產生OnComm事件。comEvSend事件僅當字符數與Sthreshold交叉時被激活一次。例如，如果Sthreshold等于5，僅當在輸出隊列中字符數從5降到4時，comEvSend才發生。如果在輸出隊列中從沒有比Sthreshold多的字符，comEvSend事件將絕不會發生。通訊方式MSComm控件提供下列兩種處理通訊的方式：查詢方式和事件驅動方式。查詢通訊通過檢查InBuferCount屬性值來判定輸入緩沖區中是否接收到相應數目的字符或字節。若已接收到相應數目的字符或字節，就可以用Input屬性來接收這些字符或字節；否則繼續查詢InBuferCount屬性值，直到滿足條件。事件驅動通訊是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法。在許多情況下，當輸入緩沖區中收到字符或是輸出緩沖區空時，需要通知程序以便處理，在這些情況下，可以利用MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理這些通訊事件。需要注意的是，用查詢方式進行通訊程序設計時，要對輸入緩沖區中的數據及時處理，保證數據的正確接收。例如，在輸出傳送命令后，程序就立即查詢調制解調器的回送結果碼；而向數據采集器發出查詢命令后，程序就立即查詢接收上報的數據。如果在數據量大，功能比較復雜的通訊程序中，就應該采用事件驅動的通訊方法，保證通訊的可靠性。4.2.2坐標系統在VisualBasic中，每個對象定位與存放它的容器內，對象定位都要使用容器的坐標系，對象Left、Top屬性指示了該對象在容器內的位置。例如，窗體出于屏幕內，屏幕是窗體的容器。在窗體內繪制控件，窗體就是控件的容器。如果在圖形框繪制圖形，該圖形框就容器。對象只能在容器界定的范圍內變動。當移動容器時，容器內的對象也隨著一起移動，而且與容器的相對位置保持不變。每個容器都有一個坐標系。構成一個坐標系，需要三個要素：坐標原點、坐標度量單位、坐標軸的長度與方向。屬性ScaleTop、ScaleLeft用于控制容器對象左邊和頂端的坐標，根據這兩個屬性值可以形成坐標原點。所有對象的ScaleTop、ScaleLeft0屬性的默認值均為0，坐標原點在對象的左上角。屬性ScaleHeight和ScaleWidth確定對象內部水平方向和垂直方向的單元數。屬性ScaleMode決定對象坐標的度量單位，共有8種單位形式。ScaleMode屬性默認時為twip。每英寸1440個，20個twip為1磅（point）。這個度量單位規定的是對象打印時的大小，屏幕上的實際物理距離可因顯示器的尺寸而異，普通14英寸VGA顯示器在800×600模式下，最大窗體尺寸約為12000×8700twip。度量單位轉換可使用ScaleX和ScaleY方法，其語法格式為：對象.ScaleX（轉換值，原坐標單位，轉換坐標單位）對象.ScaleY（轉換值，原坐標單位，轉換坐標單位）改變容器對象的ScaleMode屬性值，不會改變容器的大小或它在屏幕上的位置。當設置ScaleMode屬性值后，它只是改變容器對象的度量單位，VisualBasic會重新定義對象坐標度量屬性ScaleHeight和ScaleWidth，以便使它們與新刻度保持一致。無論采用哪一種坐標單位。默認的坐標原點為對象的左上角，橫向向右為X軸的正向，縱向向下為Y軸的正方向。需要注意的是窗體的Height屬性值包括了標題欄和水平邊框寬度，同樣Width屬性值包括了垂直邊框寬度。實際可用高度和寬度由ScaleHeight和ScaleWidth屬性確定。4.2.3時鐘控件該控件在模擬仿真時使用，用于代替MSComm的實時數據接收。一個時鐘（Timer）控件能有規律地以一定時間間隔激發計時器事件（Timer）而執行相應的程序代碼。重要屬性時鐘控件有一個非常重要的屬性Interval，表示兩個記事起事件之間的時間間隔，其值以ms（0.001s）為單位，介于0～64767之間，所以最大的時間間隔大約為1min。在程序運行期間，時鐘控件并不顯示在屏幕上，通常用戶一個標簽來顯示時間。在Interval屬性值為0是表示屏蔽計時器。如果希望沒0.5s產生一個計時器事件，那么Interval屬性值應設為500這樣，每隔500ms引發計時器事件，從而執行相應的Timer事件過程。事件時鐘控件只有一個Timer事件。4.3程序結構本文介紹監測系統的程序由主程序和通訊程序兩部風組成。通訊程序采用查詢方式驅動通訊，及時處理輸入緩沖區數據，保證數據的正確接收。向數據采集器發出查詢命令后，程序就立即查詢接收上報的數據。只要InBuferCount屬性滿足條件，就用Input屬性來接收這些字符或字節。如此循環查詢接收，保證監測的實時性。主程序包括：初始化程序，建立P-T、U-T、I-T坐標系，接收數據，電壓、電流、功率的折算輸出與轉矩的計算輸出，輸出風電與光伏的P-T、U-T、I-T波形。主程序流程圖如圖4.1所示。開始開始程序初始化建立坐標系接收數據數據計算處理坐標初始化輸出波形結束數據個數統計個數是否已滿NY圖4.1主程序流程圖整個程序周期里，只有坐標初始化多次執行，其余初始化程序只在主程序啟動后執行一次，包括以下三方面內容：對變量與緩存數組賦初值，坐標初始化，MSComm控件的初始化。初始化之后，主程序才用循環掃描的運行方式。每執行一次主程序，就接收并處理顯示51組數據，輸出顯示電壓、電流、功率等電參數以及轉矩和風速51次，但只輸出一次波形。若下達停止命令，程序將不停刷新輸出數據與波形，這就達到了實時監測的目的。4.3程序設計4.3.1MSComm通訊程序程序啟動之后，先對MSComm控件進行初始化，設置屬性，然后讀取數據，并將數據緩存在數組中，數組存滿，停止，等待下一次執行。MSComm的初始化包括：設置端口號commport屬性，設置波特率settings屬性值，傳輸數據位數，有無校對，端口緩沖清零，讀取數據Input，查詢InBufferCount的屬性值為1時，將Input中的數據賦給緩存數組。設置一個標志量，判定接收數據的個數，數據滿時停止，執行下一操作。主程序執行時，MSComm的初始化只執行一次。4.3.2波形顯示程序首先定義坐標系，坐標系初始化，連線成波形。每次波形顯示前都要輸出化坐標系。波形顯示是本次設計中最為復雜的部分。定義坐標系，即設定一個坐標范圍。一般使用scale法，scale法是建立用戶坐標系最方便的方法。用Scale方法可以方便建立用戶坐標系，語法格式為：[窗體].Scale[(xLeft,yTop)-(xRight,yBottom)]其中(xLeft,yTop)表示窗體左上角的坐標值,(xRight,yBottom)表示窗體右下角的坐標值,則窗體的下述屬性值為：ScaleLeft=xLeftScaleTop=yTopScaleWidth=xRight-xLeftScaleHeight=yBottom-yTop坐標系初始化包括：畫X軸、Y軸，標記坐標原點，在X軸上標記刻度，在Y軸上標記刻度。坐標系的初始化設計復雜的坐標分配、刻度計算以及刻度的標記。在程序的運行過程中坐標系的初始化將會多次進行。連線輸出波形包括：緩沖數組中的數后移，連接相鄰坐標，設置輸出波形的顏色。緩沖數組中的數后移，數組中的數就不斷被新的數替換，這是為了保證輸波形的實時性。連接相鄰坐標即是將對應的參數數據作為Y坐標，以時間（單位s）為X坐標的兩個相鄰的坐標點用直線連接起來。輸出波形的顏色有三種：紅綠藍，分別對應函數RGB(240,0,0)，RGB(0,240,0)，RGB(0,0,240)。4.3.3模擬仿真監測系統的仿真是利用VB的時鐘控件Timer加上隨機數值函數Int(Rnd*范圍+起始值)模擬MSComm控件的實時數據更新。選取3臺風機、3個光伏陣列進行模擬仿真。仿真系統包括8個窗體：窗體1-歡迎界面，窗體2-選擇界面，窗體3-1號風機，窗體4-2號風機，窗體5-3號風機，窗體6-1號光伏陣列，窗體7-2號光伏陣列，窗體8-3號光伏陣列。各窗口仿真結果分別如下圖所示：圖4.2歡迎界面圖4.3選擇界面圖4.41號風機圖4.52號風機圖4.63號風機圖4.71號光伏陣列圖4.82號光伏陣列圖4.93號光伏陣列

第五章總結能源是國民經濟發展和人民生活所必需的重要物質基礎，雖然石油與天然氣等一次能源的開發和利用使世界的經濟得到了快速發展，但是，在利用這些一次能源的同時，也給我們