太陽能暨風力發電監測系統研製

亞 東 學 報 第 2 9 期 2009 年 6 月 頁 119~124 亞 東 技 術 學 院

太陽能暨風力發電監測系統研製

王惠玲

*

_許文昌

*

摘要

本文主要是以研製一套可透過網路遙測太陽能 暨風力發電系統為目標，硬體主要是利用筆記型電 腦或桌上型電腦、NI PCI-6071E 資料擷取卡(Data acquisition board) 、 訊 號 處 理 介 面 (Signal conditioning)、電流鉤式測棒(Clamp on probe)及主動 式電壓差動探棒(Active differential probe)為架構， 而軟體是以 LabVIEW 圖控軟體及 My SQL 資料庫 軟體為主，來完成太陽能暨風力發電監測系統主體 的研製，另外再透過現有的 TCP/IP 網路及 IE 瀏覽 器來達到遠端遙測。此系統完成後，除了能夠取代 太陽能暨風力發電系統的傳統量測儀表外，並能夠 透過有線或無線網路進行遠端遙測，且可進行長時 間系統監測及資料的記錄分析，讓我們在實際量測 分析上更加經濟方便，而且還能當成綠色能源或圖 控語言教學上的範例。 關鍵詞：NI PCI-6071E 資料擷取卡、電流鉤式測棒、 主動式電壓差動探棒、LabVIEW 圖控軟 體、My SQL 資料庫軟體

壹、前言

由於石油價格飆漲及環境污染，綠色能源的開 發就顯得格外重要，因此本系購入太陽能及風力發 電系統以進行研究，但其使用儀表都是傳統儀表， 無法精確且長期記錄量測資料，以供研究分析使 用，因此本系統的開發，可以取代傳統量測儀表， 並能夠透過有線或無線網路進行遠端遙測，且可進 行長時間系統監測及資料的記錄分析。 本文擬分三部份說明，第一部份之目的在整合 電腦、資料擷取卡及訊號處理介面等硬體，使用 LabVIEW 圖控軟體來撰寫程式以完成太陽能暨風 力發電監測系統，並利用現有系統上的傳統儀表及 波形記錄器來校正比對。第二部份的目的是網路的 架設與軟體的開發，此部分將以 LabVIEW 所提供 的網路功能及配合資料庫來完成，要能夠遠端監控 系統，並將演算後的資料傳回儲存並進行分析。第 三部份之目的是將前兩個階段的成果做系統整合， 並實際監測太陽能暨風力發電系統，將收集到的資 料分析、存檔並存入資料庫。另外在開發過程中， 一併將教學的方便性與實用性列入考慮，使其能夠 成為綠色能源或圖控語言教學上的範例。 本文要達到的目標為： 1. 完成太陽能暨風力發電監測系統的資料擷取及分 析，可以長期監測記錄風力發電、太陽能發電、 蓄電池及負載端的電壓波形及電流波形，並計算 實功率、虛功率、視在功率、頻率、電流的直流 成份和諧波成分等電源穩態參數，並且利用系統 現有的溫度計及照度計透過 RS-485 及 MODBUS 協定傳輸到電腦中。 2. 當系統發生不正常時，本監測系統能夠發出警訊 以通知使用者。 3. 完成網路的架設與軟體的開發，能夠遠端監測太 陽能暨風力發電監測系統，且把演算後的資料回 傳並儲存到 SQL 的資料庫中，以方便太陽能暨風 力發電系統進行長期的評估與分析。 * 作者為亞東技術學院電機工程系講師。

亞東學報 第 29 期 4. 達成教學的目標，能夠讓學生透過太陽能暨風力 發電監測系統這個範例，瞭解系統的硬體架構與 程式開發流程。

貳、學理基礎

量測參數的演算學理基礎如下: 一、電壓參數量測： 我們在量測前，必須先設定資料擷取卡的取樣 頻率及緩衝暫存器的大小，然後啟動量測，此時資 料擷取卡便會依我們所設的取樣頻率將待測電壓經 主動式差動探棒降壓後的類比訊號轉換成數位訊 號，然後再利用 LabVIEW 所提供的函數，計算出 各相電壓有效值、最大值、最小值、相位差，並進 行諧波分析，其使用的公式如下：





T rms

v

dt

T

V

0 2

1

---(1)

)

,...

,

,

max(

_{1 2 3} max

V

V

V

V

n

V



---(2)

)

,...

,

,

min(

_{1 2 3} min

V

V

V

V

n

V



---(3) 2 2

.

.

r

Vh

q

Vh

V

_harm





---(4)

]

.

.

[

tan

deg

1

r

Vh

q

Vh

V

harm 



---(5) ref thd

V

V

V

V

V

...

2 4 2 3 2 2









---(6) 其中： rms

V

為電壓之有效值 max

V

為電壓之最大值 min

V

為電壓之最小值 1

V

為電壓之基本波 n

V

V

V

V

₂

,

₃

,

₄

...,

為電壓之各次諧波 harm

V

為電壓之諧波成份

r

Vh.

為電壓各次諧波之實數部份

q

Vh.

為電壓各次諧波之虛數部份

deg

harm

V

為電壓諧波成份之相位角 thd

V

為電壓諧波之失真 ref

V

為參考電壓，通常為基本波 二、 電流參數量測：





T rms

i

dt

T

I

0 2

1

---(7)

)

,...

,

,

max(

_{1 2 3} max

i

i

i

i

n

I



---(8)

)

,...

,

,

min(

_{1 2 3} min

i

i

i

i

n

I



---(9) 2 2

.

.

r

Ih

q

Ih

I

_harm





---(10)

]

.

.

[

tan

deg

1

r

Ih

q

Ih

I

harm 



---(11) ref thd

I

I

I

I

I

...

2 4 2 3 2 2









---(12) 其中： rms

I

為電流有效值 max

I

為電流最大值 min

I

為電流最小值 1

i

為電流之基本波 n

i

i

i

i

₂

,

₃

,

₄

...,

為電流之各次諧波 harm

I

為電流之諧波成份

r

Ih.

為電流各次諧波之實數部份

q

Ih

.

為電流各次諧波之虛數部份

deg

harm

I

為電流諧波成份之相位角 thd

I

為電流諧波之失真 ref

I

為參考電流，通常為基本波 三、功率參數量測： 利用電壓及電流數位訊號，我們可以計算出實 功率、視在功率、虛功率、功率因數，其使用的公 式如下：

dt

i

v

T

W





Ti i 0

1

---(13)

]

*

[

V

_rms

I

_rms

VA



---(14) 2 2

)

(

VA

W

VAR





---(15)

]

*

[

rms rms

I

V

W

PF



---(16) 其中：

太陽能暨風力發電監測系統研製

W

為實功率

VA

為視在功率

VAR

為虛功率

PF

為功率因數

參、系統架構

太陽能暨風力發電監測系統架構主要分為硬體 與軟體兩部份來討論: 一、 硬體架構部份： 太陽能暨風力發電資料擷取硬體架構圖如圖一 所示，使用 LabVIEW 圖控軟體開發程式，透過資 料擷取卡、訊號處理及差動式電壓探棒去擷取電壓 訊號，且利用交直流兩用的電流鉤表去擷取電流訊 號，訊號擷取速度與解析度，主要決定於資料擷取 卡的取樣頻率與類比數位轉換器的位元數，我們使 用 NI 公司的資料擷取卡，它可提供 32 個差動模式 的 A/D 通道，最大取樣速率(Max sampling rate)為 1.25 MS/s，解析度為 12 bits，採用這塊卡可滿足我 們的要求。而太陽能暨風力發電系統待測點規劃圖 如圖二。 圖 1 太陽能暨風力發電資料擷取硬體架構圖 另外網路架設與資料庫軟體的架構如圖三，遠 端監控部份主要是利用 LabVIEW 所提供的網路技 術來完成，我們可在客戶端利用 LabVIEW VI 或 Internet Explorer 來監測太陽能暨風力發電系統。另 外在 SQL 資料庫部份，主要是將資料擷取卡擷取到 的 資 料 經 過 演 算 後 ， 將 所 得 結 果 寫 入 MySQL Server，然後我們可在 Client 端利用 SQL Reader 程 式將資料讀出以供研究分析。 圖 2 太陽能暨風力發電系統待測點規劃圖 圖 3 網路方塊圖 二、軟體架構部份： 軟體部分主要是以 LabVIEW 為主，將資料擷 取卡收集到的動態資料經由程式處理，得到電壓波 形、電流波形、直流電壓值、有效電流值、實功率、 虛功率、視在功率、頻率、安培小時、直流到 50 次的電流諧波大小及電流總諧波因素等參數並監測 系統是否發生異常。其程式流程圖如圖四及圖五。

亞東學報 第 29 期 圖 4 系統流程圖 圖 5 資料擷取流程圖

肆、軟硬體實作

太陽能暨風力發電監測系統實作主要分為硬體 部份、LabVIEW 軟體部份與網路架設及資料庫軟體 三部份來討論： 一、硬體實作部份： 配電盤配置及接線圖與連接器硬體內部接線圖 如圖六及圖七。 圖 6 配電盤配置及接線圖 圖 7 連接器硬體內部接線圖 二、 軟體實作部份： 軟體部份包括監控主畫面、讀取各通道測量畫 面、LabVIEW 讀取 My SQL 參數檔畫面。 1. 監控主畫面：如圖八所示，包括可選擇量測各通 道的電壓波形或電流波形、電壓值、有效電流值、 實功率、虛功率、視在功率、頻率、功率因數、 安培小時、諧波大小、電池電量監測、照度與溫 度(透過 RS-485 及 MODBUS 協定)、監測是否發

太陽能暨風力發電監測系統研製 生異常及設定量測時間。 圖 8 太陽能暨風力發電系統監控主畫面 2. 讀 取 各 通 道 測 量 ： 畫 面 如 圖 九 所 示 ， 儲 存 的 LabVIEW 量測檔案，可利此畫面來讀取你要的時 間量測值或直接整個通道播放。 圖 9 太陽能暨風力發電系統各通道測量畫面 3. LabVIEW 讀取 My SQL 參數檔：畫面如圖十所 示，可從資料庫讀取所選擇參數的測量值。 4. 讀取 my SQL 參數：畫面如圖十一所示，可從資 料庫讀取量測資料。 圖 10 Labview 讀取 my SQL 參數檔 圖 11 讀取 my SQL 參數

伍、結論與未來發展方向

一、本系統主要成果如下： 1. 利用電腦、資料擷取卡、訊號處理介面、電壓 探棒和電流鉤表完成太陽能暨風力發電擷取系 統。利用擷取系統所擷取的資料演算出我們所 要的參數，參數包括風力發電、太陽能發電、 蓄電池及負載端的電壓波形及電流波形，這些 波形和 8826 波形紀錄器所量測的波形相互比 較，誤差並不大，並利用這些波形取樣數值計 算電壓值、有效電流值、實功率、虛功率、視 在功率、頻率、直流成份、諧波成份，蓄電池 殘留電量、照度與溫度等參數，並監測系統，

亞東學報 第 29 期 若系統發生故障，能及時發出警訊。 2. 利用網路及 MySQL 資料庫技術架設伺服器，能 夠將量測值存入資料庫中，並能利用 LabVIEW 或 MySQL 將資料讀出，並進行分析。 3. 客戶端可利用 IE(Internet Explorer)來監控太陽 能暨風力發電系統。 4. 客戶端可利用 SQL Reader 程式透過 SQL Server 來讀取太陽能暨風力發電系統的量測資料，量 測到的資料可以提供未來研究分析用。 二、未來發展方向： 1. 開發的太陽能暨風力發電監測系統，可以取代 的傳統儀表，並能增加非常多的功能。 2. 可以長期記錄資料，並且依照客戶需求更改程 式，可塑性很高。 3. 可經網路做系統的監測，增加監測的便利性與 安全性。 4. 收集的資料可當下一階段有關太陽能、風力發 電和蓄電池的研究分析用。 5. 未來配合 UMPC(手持式個人電腦)及霍爾元件， 將能取代系統上的所有儀表，這樣可以讓成本降 低且功能增加。

參考文獻

書籍： 1. 惠汝生，LabVIEW7.1 Express 圖控程式應用， ，全華科技圖書股份有限公司，民國 94 年。 2. 許永和，介面設計與實習使用 LabVIEW，全華 科技圖書股份有限公司，民國 93 年。 3. 蕭子健、儲昭偉、王智昱，LabVIEW 進階篇， 高立圖書有限公司，89 年 5 月。

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5. PM3000A, Power Analyzers User Manual, Voltech Instruments Ltd., U.K., 2002. 論文： 1. 何文隆，電動車輛變動負載之電池殘電量研 究，九十三學年度大葉大學車輛工程學系碩士 論文，93 年 2 月。 2. 辜志承，電力諧波起因、影響與對策，1999電力 諧波研討會論文集，第51-59頁，台北，1999年。 3. 陳志達，鎳氫電池殘電量預估及分析研究，九 十三學年度大葉大學車輛工程學系碩士論文， 94 年 7 月。 4. 賴世榮，智慧型鋰離子電池殘存電量估測之研 究，九十三學年度中山大學電機工程學系碩士 論文，93 年 10 月。 5. 張永昌，鉛酸電池殘量預測及壽命分析之研 究，九十一學年度彰化師範大學電機工程學系 碩士論文，92 年 6 月。