CC BY
16УДК 628.95-97/.98-047.36:621.311.6:621.3.031.8
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ОСВЕТИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ПИТАНИЕМ ОТ ДВУХ ИСТОЧНИКОВ
Тихонов П. В.1., Харченко В.В.1, Комиссаров Н.С.1, Моренко К.С.1,
Сычев А.О.1
1ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
Аннотация. В настоящее время наблюдается рост количества генерирующих устройств, относящихся к возобновляемым источникам энергии, значительная часть которых работает на постоянном токе. Рост числа генерирующих и потребляющих установок, работающих на постоянном токе, приводит к необходимости объединения их для работы в отдельных микросетях постоянного тока. 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.
В микросетях с генерацией энергии от фотоэлектрических установок, в том числе используемых в системах освещения, мониторинг осуществляется по току, напряжению и солнечной радиации. Для этого предусмотрены датчики тока (ДТ) и датчики напряжения (ДН), а также пиранометр Пеленг СФ-06. Информация от ДТ, ДН и пиранометра Пеленг СФ-06 поступает через модули ввода в персональный компьютер, где обрабатывается и выводится оператору через программное обеспечение, разработанное в среде Мси1вг8СЛВЛ 4Б. Такое решение позволяет разработать многофункциональную систему мониторинга, на базе которой будет создаваться система диспетчеризации объектов, включающая, в том числе, и осветительные комплексы. Разработан осветительный комплекс с параллельным питанием от двух источников, одним из которых является фотоэлектрический модуль. Данный комплекс можно применять как для сельскохозяйственных, так и для промышленных объектов.
Предлагаемая система мониторинга апробирована и использована в ходе исследований данного осветительного комплекса. Исследование показало, что она позволяет получать основную информацию о работе осветительного комплекса в динамике по параметрам тока, напряжения и прихода солнечной радиации.
Ключевые слова: Осветительный комплекс, солнечное излучение, фотоэлектрический модуль, микросеть, постоянный ток, мониторинг, Master SCADA 4D.
Введение
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/ОС.
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 БС-БС преобразователя, ДТ2, ДН2 - после сетевого блока питания АС-БС, а ДТ3, ДН3 -светодиодной нагрузки. Для измерения поступления солнечного излучения используется пиранометр Пеленг СФ-06.
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 RS-485 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.
j) Light_PVM_2.8 - □ X
Метеоданные
Параметры гелиоустановок:
Параметры электрической сети
Температурные показатели
Отчетные параметры
Период записи данных, с 01
Начало отчета 16-10-2019 00:00
Конец отчета 16-10-2019 12:00
Сформ. отчет
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/ОС, 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).
Объект 1 + X
Интенсивность СИ, Вт/м'
-О- Интенсивность СИ 0.000 Вт/мЛ2
1300-1-1-1
Влажность, % 10СН
О Влажность 0,000 %
2 56 02 57 02 58 02 59
Скорость ветра, м/с
-О- Скорость ветра 0,000 м/с
тература окр. ср,.
"О" Температура 0.000 "С
02:55 02 56 02 57 02 58 02 59 03:00 02 55 02 56 02 57 02 58 02 59 03:00
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 4Б позволяет создать гибкую и информативную систему диспетчеризации с применением разработанной системы мониторинга.
Список использованных источников:
1. Танич ВО., Шутов М.С., Лымарь А.Б., Проскурин Я.В. Разработка и исследование работы устройства мониторинга трехфазной нагрузки // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. - 2015. - Т. 2. - С. 105-108.
2. Доронин И.А., Савченко С.С., Макашева С.И. Мониторинг качества напряжения на шинах тяговых подстанций переменного тока с применением устройств компенсации реактивной мощности // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке - 2014. - Т. 1. - С. 59-61.
3. Global Market Outlook For Solar Power 2019 - 2023 / Aurelie Beauvais, Naomi Chevillard, Mariano Guillen Paredes, Mate Heisz, Raffaele Rossi, Michael Schmela. - Belgium, Brussels: SolarPower Europe, 2019. - 91 р. - ISBN 9789082714326 - URL: https://www.solarpowereurope.org.
4. Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien / Christoph Kost, SHIVENES SHAMMUGAM Shivenes Shammugam. Verena Jülch, Huyen-Tran Nguyen, Thomas Schlegl - Deutschland, Freiburg: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, 2018. - 41 р. - URL: https://www.ise.fraunhofer.de
5. Renewables 2018 global status report / Hannah E. Murdock, Rana Adib [et al.] - France, Paris: REN21, 2018. - 324 p. - ISBN 978-39818911-3-3 -URL: http://www.ren21 .net/wp-content/uploads/2018/06/GSR 2018 Highlights final.pdf.
6. Justo J.J., Mwasilu F., Lee J., Jung J.W. AC-microgrids versus DC-microgrids with distributed energy resources: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2013. - 24 - Pp. 387-405. -DOI: 10.1016/j.rser.2013.03.067.
7. Pavel V. Tikhonov, Vladimir A. Mayorov, Konstantin S. Morenko. Energy-Saving Systems Using Photovoltaic Modules // Handbook of Research on Smart Computing for Renewable Energy and Agro-Engineering/ ed. By V. Kharchenko, P. Vasant. - USA, PA Hershey: IGI Global, 2019. - Pp. 464-485. - DOI: 10.4018/978-1-7998-1216-6.ch018
8. Варламов И.Г. SCADA нового поколения. Эволюция технологий - революция системостроения // Автоматизированные информационно-управляющие системы в энергетике. - 2016. - 2(79). -С. 2-6.
9. Варламов И.Г. Новые технологии в мире программируемых контроллеров // Автоматизация в промышленности. - 2017. - 6. - С. 44-46.
10. Николоян Л.Р. MasterSCADA 4d как технология Industry 4.0 // Автоматизация в промышленности. - 2018. - 7. - С. 12-14.
Тихонов П.В. к.т.н., ст. науч. сотр. Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: ptikhonov@jnbox.ru
Харченко В.В. д.т.н., гл. консультант. Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: kharval@mail. ru
Комиссаров Н.С. магистрант, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: nikita.komissarov.97@bk.ru.
Моренко К.С. к.т.н., ст. науч., сотр. Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail:vim@,konstsantin-morenko.ru
Сычев А.О. аспирант., мл. науч. сотр. Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: arsenikus@yandex. ru
SYSTEM FOR MONITORING THE OPERATING PARAMETERS OF THE LIGHTING COMPLEX WITH PARALLEL POWER FROM TWO SOURCES
Tikhonov P.V.1, Kharchenko V.V.1, Komissarov N.S.1, Morenko
K.S.1, Sychev A.O.1 1Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russia.
Abstract. Currently, there is an increase in the number of generating devices related to renewable energy sources, a large part of which operates on direct current. The growing number of generating and consuming units operating on direct current leads to the need to combine them to work in separate DC micro-networks. As parameters of operation modes in such micro-networks are constantly changing due to changes in flows of generated, accumulated and consumed energy, it becomes necessary to perform continuous monitoring in them.
In micro-networks with generation of energy from photovoltaic installations, including those used in lighting systems, monitoring is performed by current, voltage and solar radiation. For this purpose, current sensors (DT) and voltage sensors (DN), as well as Peleng SF-06 piranometer are provided. Information from DT, DN and Peleng SF-06 piranometer is received through the input modules in a personal computer, where it is processed and displayed to the operator via software developed in the MasterSCADA 4D environment. This solution allows to develop a
multifunctional monitoring system, on the basis of which the object dispatching system will be created, including lighting complexes. The lighting complex was developed with parallel power supply from two sources, one of which is a photovoltaic module. This complex can be used both for agricultural and industrial objects.
The proposed monitoring system has been tested and used in the research of this lighting complex. The study has shown that it provides basic information on the operation of the lighting complex in the dynamics of the current, voltage and arrival of solar radiation.
Key words: Lighting complex, solar radiation, photovoltaic module, microgrid, direct current, monitoring, Master SCADA 4D.
Tikhonov P.V. candidate of technical sciences ., Art. scientific. sotr. Russia, Moscow, FGBNU "Federal Scientific Agroengineering Center VIM", 109428, Moscow, 1st Institutskiy proezd, 5, e-mail: ptikhonov@inbox. ru
:Kharchenko V.V. Doctor of Technical Sciences, Ch. consultant. Russia, Moscow, FGBNU "Federal Scientific Agroengineering Center VIM", 109428, Moscow, 1st Institutskiy proezd, 5, e-mail: kharval@mail. ru Komissarov. N.S. undergraduate, Russia, Moscow, Fed eral
scientific Agroengineering center VIM, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: nikita. komissarov. 97@bk. ru.
Morenko K.S. candidate of technical sciences ., Art. scientific. sotr. Russia, Moscow, FGBNU "Federal Scientific Agroengineering Center VIM", 109428, Moscow, 1st Institutskiy proezd, 5, e-mail: vim@konstsantin-morenko. ru
Sychev A.O. graduate student, jr.scientific. Sotr. Russia, Moscow, FGBNU "Federal Scientific Agroengineering Center VIM", 109428, Moscow, 1st Institutskiy proezd, 5, e-mail: arsenikus@yandex.ru
