风光互补发电数据采集监测系统的设计

摘　要：针对风光互补发电系统随环境影响大、系统稳定性差、不便于维护等特点，设计了风光互补发电数据采集监测系统。介绍了监测系统的结构和工作原理，分析了数据采集硬件设计、数据的发送与保存以及上位机监测软件的具体实现方法。该系统可以将风光互补发电系统相关的环境参数和电参数通过三种方式进行保存和发送，并且通过上位机直观的显示出来。经测试，该系统能够稳定的对风光互补发电系统进行监测。

关键词：风光互补；监测系统；数据采集；C#
　　1.引言
　　风光互补发电技术是世界新能源利用的趋势，随着风力发电技术和太阳能发电技术日臻完善、成本日趋下降，风光互补发电技术将有很广阔的市场前景。但是光照强度、风速、温度等环境因素随地理位置、时间、天气等的变化有很大差异，对风光互补发电系统有很大影响。而系统的运行是否达到预期目标，仅从运行效果来看是无法客观、准确的显示出来，因此需要有一套数据采集监测系统来测得实时数据以指导操作人员进行安装方案的选择和系统运行状态的分析。
　　2.系统构成和功能设计
　　本系统主要由数据采集，数据处理，数据存储和发送三部分组成。数据采集由ATmega16单片机和各种传感器构成。数据处理是由电脑上位机构成，显示采集到的环境参数和电参数。数据存储和发送是由RS232串口通信、SD卡数据存储模块、GPRS无线数据传输模块构成。
　　2.1数据采集
　　为了全面监测风光互补发电系统的运行状态，必须将所有相关参数测量和记录。这些参数包括发电机的电压、电流和功率，太阳能电池板的电压、电流和功率。以及光照强度、风速、温度等环境参数。通过各种相关的传感器，将这些数据采集到单片机中，单片机根据从时钟芯片所获得的时间信息，确定数据保存和发送的时刻。本系统由三种数据保存发送方式，以供不同应用场合使用。
　　2.2硬件设计
　　2.2.1霍尔电压、电流传感器
　　霍尔电压、电流传感器是根据霍尔原理制成的线性元件。它有直测式和磁平衡式两种工作方式。此平衡式闭环霍尔电压传感器工作原理：霍尔磁补偿原理—被测电流In从原边通过导体会产生磁场，通过霍尔元件在副边输出原边控制信号的补偿电流Im，Im流过次级线圈产生一个与原边反向的磁场，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流Im即可精确反映原边电压值。闭环霍尔电流传感器工作原理与闭环霍尔电压传感器工作原理类似，也是以磁平衡方式工作，它是用补偿电流直接反应原边的输入电流。
　　实际应用中电压传感器采用CHV-系列霍尔电压传感器。它可以用于测量直流、交流、脉冲电压，实现原边被测电压与副边输出电流(电压)电气隔离。
　　电流传感器采用CHB-系列霍尔电流传感器。可用于测量直流、交流、脉冲电流，原边被测电流与副边输出电流电气隔离。
　　2.2.2风速传感器
　　风速传感器采用TF-V1系列风向仪。测量风速范围0—30m/s，额定工作电压12V DC，输出信号0-5V直流电压。风向仪由三个互成的半圆形空杯组成三杯式旋转感应仪，感应仪安装在和它垂直的旋转轴承上，配合内部顺滑的轴承系统，确保了信息采集的精确性。
　　2.2.3光照传感器
　　传感器采用KTR-TBQ型总辐射测量仪。传感器由感应件、玻璃罩和配件组成。感应件由感应面和热电堆组成。其工作原理基于热电效应。热电堆为快速响应的线绕电镀式热电堆，感应面涂3M无光黑漆。当涂黑的感应面接收辐射增热时，使以热接点紧贴在下部的热电堆产生与接收到的辐照度成正比的温差电动势输出信号。?
　　2.2.4温度传感器DS18B20
　　该温度传感器通过单总线方式与单片机进行通讯，能够方便的测量环境的温度。它采用单根信号线完成数据的双向传输，并同时通过该信号线为单总线器件提供电源，具有节省I/O引脚资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。
　　2.2.5时钟芯片DS1302
　　该时钟芯片通过SPI总线方式给系统提供实时时钟，能够准时的控制数据传输的起止时刻，并且将时间数据作为协议的一部分，可以使系统准确的记录数据的时刻。
　　2.2.6 ATmega16
　　系统主控芯片ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16有丰富的片上资源，集成了8路单通道ADC、PWM、SPI总线、IIC总线等，可以减少大量的外围电路缩短产品的开发周期。ATmega16的低成本与高性能使其有广泛的应用。
　　3.系统软件设计
　　本监测系统上位机使用C#和ACCESS数据库开发，界面主要有三部分：串口参数设置；文本文件导入；实时参数与历史曲线显示。根据不同的应用场合数据将通过以下三种方式获得，同时在右侧的坐标中做出数据曲线，直观的将数据显示出来，使操作人员清晰的观测在本次数据采集中数据的变化过程与趋势。
　　3.1 现场数据监测
　　在风光互补发电系统的安装现场，可以使用本监测系统，通过RS232串口线和安装本上位机的计算机的串口连接。将上位机的串口号设置成串口线实际对应的串口号，点击“打开串口”按钮，如果按钮左侧的指示灯变亮，则标志通信正常。连接成功后，上位机中相应的参数显示文本框中将显示实时数据，右侧的坐标横轴是数据采集编号，按数据的到来顺序自增，纵轴分别是风速、光照强度、
风机功率、太阳能电池板功率。同时将数据记录到ACCESS数据库。
　　3.2  GPRS远程数据监测
　　软件使用方法同现场数据监测，不同之处是用GPRS模块来代替RS232数据线，本系统使用KL-W7000系列 GPRS 数据采集模块。使用时将本系统的硬件部分用串口线连接到该GPRS数据采集模块的DB-9接口，插入已充值的SIM卡。使用该模块配套的虚拟串口上位机软件可以完全透明的与扩展设备进行通讯传输数据，从而实现智能设备数据的无线透明传输。
　　3.3  SD卡数据存储模块
　　数据存储使用SD卡数据存储模块。该数据采集模块将数据存放于SD卡，便于数据收集并利用计算机分析。电路每次上电，模块将在SD卡中自动创建一个文件夹，然后在文件夹中创建一个数据文件，用户要存储的数据就存在这个文件中。使用串口线将模块和单片机连接，单片机通过发送的ACSII字符都将保存到模块上电以后自动创建的TXT格式的文本文件中。将该TXT文件放到本系统上位机的安装目录中。点击软件左侧导入文件按钮，文件中的数据将自动导入上位机，并且同将各种数据显示到相应的保存到ACCESS数 据库中。
　　4. 结束语
　　该监测系统通过三种数据存储和发送方式对风光互补发电系统相关参数进行监测，上位机软件界面友好，数据库功能强大以及历史曲线显示，所得数据对进行风光互补发电系统调试的操作人员很好的指导意义。而且其低成本和维护方便的优点使本系统具有很好的实用与推广价值。
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