Система мониторинга рабочих параметров осветительного комплекса с параллельным питанием от двух источников

Решение задач индикации, измерения и записи постоянно изменяющихся параметров в электрических цепях различного рода требует применения систем мониторинга и сбора данных. Широкое распространение получили системы измерения и мониторинга, параметров цепей переменного тока [1, 2]. В первую очередь это связано с преимущественным применением переменного тока в системах электрификации объектов промышленного и бытового назначения. Вместе с тем, развитие полупроводниковых преобразователей приводит к расширению доли оборудования, работающего на постоянном токе. Тем не менее, питание данное оборудование традиционно получает от сетей переменного тока.

Рост генерирующих и потребляющих установок, работающих на постоянном токе [3,4,5], приводит к необходимости объединения их в работу в отдельной собственной микросети постоянного тока. При этом устраняется лишнее преобразование энергии, повышается надежность и снижаются потери электроэнергии. Развитие таких сетей приводит к созданию смешанных сетей, где основная сеть является переменной, а рядом с ней появляется микросеть на постоянном токе со своей нагрузкой и генераторами [6]

Поскольку параметры режимов работы в таких микросетях постоянно меняются в связи с изменением потоков генерируемой, аккумулируемой и потребляемой энергии, необходимым становится осуществление непрерывного мониторинга в них.

Материалы и методы

Задача мониторинга и сбора данных возникла и в ходе разработки осветительного комплекса с параллельным питанием от двух источников, одним из которых являются фотоэлектрические модули (ФЭМ) [7].

Такой комплекс представляет собой микросеть на постоянном токе, но с дополнительным питанием от электросети переменного тока. Схема силовой сети такого комплекса представлена на рисунке 1. Питание светодиодного источника осуществляется от ФЭМ, когда это позволяет падающей поток солнечной энергии. В ситуациях, когда приход солнечного излучения (СИ) снижается и выработка ФЭМ падает, недостаток фотоэлектрической энергии будет компенсироваться с помощью сетевого блока, включающего в себя электрическую сеть общего назначения, преобразователь переменного тока в постоянный АС/DC.

Рисунок 1 – Схема электрическая принципиальная силовой части осветительного комплекса с электропитанием от ФЭМ и электрической сети.

Осветительный комплекс можно применять для освещения сельскохозяйственных, промышленных и других объектов, где существует необходимость в электрическом освещении в дневное время суток, поскольку, в целях удешевления, в состав комплекса не включены аккумуляторные батареи. В сельском хозяйстве имеются хорошие перспективы для внедрения комплекса на складах и птицефабриках.

Результаты и обсуждение

Разработанная система мониторинга позволяет получать основную информацию о работе осветительного комплекса в динамике по параметрам тока, напряжения и прихода солнечной радиации. Её принципиальная электрическая схема представлена на рисунке 2. Для измерения параметров сети в схеме предусмотрены датчики тока (ДТ) и датчики напряжения (ДН). Датчики ДТ1, ДН1 обеспечивают измерение рабочих параметров ФЭМ после DC-DC преобразователя, ДТ2, ДН2 – после сетевого блока питания АС-DC, а ДТ3, ДН3 -светодиодной нагрузки. Для измерения поступления солнечного излучения используется пиранометр Пеленг СФ-06.

ФЭП

Рисунок 2 – Схема принципиальная электрическая системы мониторинга рабочих параметров осветительного комплекса с электропитанием от ФЭМ и электрической сети.

Информация от ДТ и пиранометра Пеленг СФ-06 имеет аналоговый унифицированный выходной сигнал в виде постоянного напряжения в диапазоне -50…+50 мВ и поступает на модули ввода 1, 3, 4, 5 МВ-110-8А фирмы «ОВЕН» (на рисунке обозначены как 1, 3, 4, 5). Информация от ДН имеет аналоговый унифицированный выходной сигнал постоянного напряжения в диапазоне 0…+10 В и подключается к модулю ввода WP3084ADAM фирмы «WELLPRO Electrical Technology» (на рисунке обозначен как 2). В модулях ввода аналоговый сигнал преобразуется в цифровой и через интерфейс RS485 передается в преобразователь интерфейсов АС4-М, а затем в персональный компьютер (ПК). Через Master OPC Universal Modbus Server информация поступает в программное обеспечение, созданное на базе MasterSCADA 4D.

Разработка программного обеспечения осуществлялась в SCADA системе в среде MasterSCADA 4D. На базе этой системы будет создаваться система диспетчеризации объектов, куда будут входить различные источники энергии и потребители, в том числе разработанный осветительный комплекс. Данное программное обеспечение представляет собой объектно-ориентированную среду на основе стандартизированных графических языков программирования по стандартам МЭК 61131-3 [8, 9] с визуализацией информации в виде мнемосхем. Такой подход упрощает программирование и не требует привлечения опытных программистов.

Одно из преимуществ среды заключается в унификации компонентов, т.е. в возможности подключения устройств, работающих на разнообразных платформах и с использованием разных каналов связи. Эта функция реализована с помощью Master OPC Universal Modbus Server. Благодаря поддержке работы среды с аналогичными продуктами (OPC Server) появляется возможность функционирования с серверами других производителей. Кроме того, MasterSCADA 4D – программная среда, отвечающая технологии Industry 4.0 [10].

Интерфейс страницы основного меню разработанной программы представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Основное меню программы

Для отображения данных по пиранометру необходимо перейти к вкладке «Метеоданные». При нажатии на вкладку открывается новое окно с фиксируемыми параметрами системы, среди которых и показатель интенсивности СИ, отражающий данные пиранометра. (см. рисунок 4).

При нажатии на вкладку «Параметры электрической сети»

раскрывается соответствующее окно, (рисунок 5). Информация от различных источников и потребителя структурирована по горизонтальным рядам. Первый ряд отражает параметры источника питания фотоэлектрического модуля, второй ряд показывает параметры от сетевого блока питания АС/DС, а третий ряд отражает параметры светодиодной нагрузки. Параметры напряжения и тока отражают данные установленных датчиков (ДТ, ДН), параметры мощности и энергии определяются расчетным путем. Также расчетным путем определяется эффективность преобразования на стабилизаторе тока (стаб I).

Рисунок 4 – Информационное окно метеорологических показателей

Рисунок 5 – Параметры электрической сети исследуемой установки

В случае необходимости программное обеспечение дополняется и расширяется, к примеру, можно внести индикацию и измерения дополнительного параметра. Программа позволяет не только визуально наблюдать за потоками энергии от различных источников энергии, но и обеспечивает сохранение в памяти всех текущих значений измеряемых параметров с заданной периодичностью с указанием времени и даты регистрации и построение графиков за различные интервалы времени.

Заключение

Разработанная система мониторинга позволяет производить мониторинг и сбор данных в электросетях на постоянном токе, ее структура представлена на примере осветительного комплекса с двумя источниками питания. Систему можно адаптировать под аналогичные системы на основе ВИЭ и потребителей, связанных сетями на постоянном токе. Программное обеспечение, реализованное в среде MasterSCADA 4D позволяет создать гибкую и информативную систему диспетчеризации с применением разработанной системы мониторинга.