POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 74 Electrical Engineering 2013 Jarosław M. SZYMAŃDA* Jacek REZMER* TELEMETRIA PARAMETRÓW BADAWCZEGO SYSTEMU FOTOWOLTAICZNEGO W POLITECHNICE WROCŁAWSKIEJ W artykule przedstawiono możliwości telemetrii wybranych parametrów Badawczego Systemu Fotowoltaicznego zaprojektowanego oraz uruchomionego dla celów naukowodydaktycznych Politechniki Wrocławskiej. Obiecujące perspektywy gwałtownego rozwoju solarnych systemów konwersji energii zachęcają do działań badawczych wiążących bezpieczną, stabilną i skuteczną integrację energii PV z systemem elektroenergetycznym. Możliwości badawcze obejmują obszary pomiaru i diagnostyki, przechowywania oraz analizy danych. W zakresie analizy danych, działania skoncentrowane są przede wszystkim na zagadnieniach jakości energii, sprawności i oceny technologii PV, a także szeroko rozumianych rozwiązań tzw. liczników inteligentnych. 1. WPROWADZENIE W dobie intensywnie rozwijających się technologii pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych (energia słoneczna, elektrownie wodne i wiatrowe, źródła geotermalne) istotnego znaczenia nabierają zagadnienia związane z oceną jakości wytwarzanej i dystrybuowanej energii. W artykule przedstawiono wybrane komponenty instalacji Badawczego Systemu Fotowoltaicznego zlokalizowanego w Międzyinstytutowym Laboratorium Energii Odnawialnej Wydziału Elektrycznego Politechniki Wrocławskiej. Do ważniejszych elementów każdej instalacji energetycznej zaliczamy prawidłowo zaprojektowane i działające systemy sterowania oraz monitorowania urządzeń. Właściwa synchronizacja tych systemów stanowi istotę elementów automatyki zabezpieczeń oraz optymalizacji warunków współpracy lokalnych instalacji z systemami zewnętrznymi. Instalacje laboratoryjno-badawcze, takie jak prezentowany system fotowoltaiczny, umożliwiają weryfikację wielu parametrów eksploatacyjnych i technologicznych, z odniesieniem do danych katalogowych producentów włącznie. W odróżnieniu od instalacji produkcyjnych, system badawczy nie narusza określonego w umowie warunków eksploatacji zapewnienia ciągłości pracy i umożliwia wykonywanie * Politechnika Wrocławska.
246 Jarosław M. Szymańda, Jacek Rezmer analiz w znacznie większym spektrum zaplanowanych eksperymentów, w tym związanych z oceną jakości wytwarzanej energii. Autorzy przedstawiają nowoczesne rynkowe oraz własne opracowania implementacji telemetrycznych wykorzystywanych w badaniach z zakresu oceny jakości energii odnawialnej. 2.1. Budowa systemu 2. BADAWCZY SYSTEM FOTOWOLTAICZNY Badawczy System Fotowoltaiczny zbudowany na Wydziale Elektrycznym Politechniki Wrocławskiej umożliwia prowadzenie prac badawczych dotyczących wytwarzania energii elektrycznej z energii słonecznej. System o mocy zainstalowanej 15 kw, połączony jest bezpośrednio z siecią niskiego napięcia. Głównym celem są badania oddziaływania systemów energii odnawialnej na sieć elektroenergetyczną, ze szczególnym uwzględnieniem zagadnień jakości energii. Instalację badawczą wyposażono w moduły fotowoltaiczne różnych typów: monokrystaliczne, polikrystaliczne i cienkowarstwowe. Każdy z typów modułów jest włączony do sieci elektrycznej poprzez osobny inwerter. Instalacja posiada trzy niezależne systemy monitorowania: monitoring producenta, system akwizycji próbek sygnałów i danych środowiskowych, inteligentny pomiar licznikowy. Rys. 1. Schemat Badawczego Systemu Fotowoltaicznego
Telemetria parametrów badawczego systemu fotowoltaicznego 247 2.2. Systemy monitorowania i oprogramowanie producenckie System monitorowania producenta inwerterów umożliwia rejestrację z 30 sekundowym czasem uśredniania: nasłonecznienia, temperatury paneli, temperatury otoczenia oraz prędkości wiatru, a także elektrycznej mocy wyjściowej, napięć i prądów po stronie stało i zmiennoprądowej. Rejestrowane dane są automatycznie przesyłane do bazy danych i na serwer ftp. Wizualizacja w postaci zestawień tabelarycznych oraz wykresów jest prezentowana na specjalistycznej stronie internetowej [3]. Monitorowanie uzupełniające oparte na oprogramowaniu LabVIEW wykorzystuje dodatkowo do akwizycji sygnałów kontroler czasu rzeczywistego oraz serwer OPC [1, 2]. Aplikacja utworzona w środowisku LabVIEW oraz kontroler włączony do sieci teleinformatycznej tworzą wydajny zdalny system pomiarowy czasu rzeczywistego. Program umożliwia ciągły zapis do bazy wszystkich danych udostępnianych przez serwer OPC. Są to warunki pogodowe oraz elektryczne parametry pracy inwerterów. Rys. 2. System prezentacji danych monitorowania parametrów systemu fotowoltaicznego (SUNNY PORTAL) Kontroler wyposażony jest w karty szybkich wejść analogowych. Cały zestaw pozwala na zdalną analizę przebiegów napięć i prądów oraz rejestrację przebiegów oscyloskopowych według zadanych progów wyzwoleń. Możliwe jest synchroniczne śledzenie przebiegów napięć i prądów w 16 kanałach z szybkością próbkowania 20kHz oraz rozdzielczością 24 bity. Pozwala to na szybkie określenie stanu pracy systemu, identyfikację awarii oraz wygodne definiowanie progów wyzwoleń pomiarów rejestrowanych w bazie danych. Wyzwalanie
248 Jarosław M. Szymańda, Jacek Rezmer pomiarów odbywa się na podstawie zdefiniowanych progów wyzwoleń dla prądów i napięć. Zapis próbek sygnałów następuje po przekroczeniu zdefiniowanego zakresu wartości analizowanych napięć i prądów zarówno po stronie DC jak i AC. Opcja pozwala także na wyzwalanie zapisu czasem poprzez określenie kalendarza rejestracji. Inteligentny pomiar licznikowy wykorzystuje elektroniczne liczniki dwukierunkowe w technologii transmisji danych PLC oraz radiowej. Liczniki rejestrują nie tylko ilość wytworzonej energii, ale także wartości napięć, prądów, częstotliwości, mocy czynnej i biernej oraz współczynnika mocy. Dane z systemu liczników są automatycznie transmitowane poprzez sieć teleinformatyczną i zapisywane w bazie danych. System licznikowy ze względu na wykorzystaną technikę zdalnego odczytu jest elementem badań związanych z zagadnieniami inteligentnych sieci elektrycznych. Rys. 3. Wizualizacja monitorowania parametrów systemu w czasie rzeczywistym (LabVIEW) 2.3. Telemetria dedykowana (użytkownika) Prawidłowa diagnostyka systemu, wnikliwa analiza zdarzeń oraz właściwy dobór narzędzi badawczych bardzo często wymaga bezpośredniego dostępu do zarejestrowanych i przechowywanych danych oraz w szczególności ich przetwarzania w programach użytkownika [4]. Niestety, nie zawsze jednak dystrybuowane przez producentów systemy monitorowania oraz akwizycji danych umożliwiają wprost na takie realizacje. W przedstawianym systemie podjęto
Telemetria parametrów badawczego systemu fotowoltaicznego 249 próbę opracowania pakietu informatycznego, mającego stanowić interfejs pomiędzy elementami oprogramowania oraz bazami danych producenta a dedykowanymi lokalnymi rozwiązaniami. W założeniach projektowych przyjęto możliwość dostępu do danych w dwóch kategoriach: przetwarzania bezpośredniego oraz prezentacji. W obu kategoriach dopuszczono programowanie interfejsów zarówno w językach kompilowalnych (C, C++, VB, Java, Delphi) jak i skryptowych (PHP, Javascript, HTML, VBA). Z uwagi na ograniczenia redakcyjne, prezentujemy jeden z interfejsów realizujący dostęp do danych rejestrowanych przez urządzenie SUNNY WEBBOX firmy SMA Solar Technology AG [2] bezpośrednio z pakietu Microsoft Excel 2010. W tym przypadku interfejs komunikacyjny został opracowany w języku programowania Visual Basic for Application (VBA), rysunek 5. Również w tym języku zostały opracowane i zintegrowane z pakietem wszystkie procedury przetwarzające dane według zadanych algorytmów diagnostycznych, miedzy innymi możliwości oceny wydajności paneli fotowoltaicznych podług dobowego nasłonecznienia (irradiancji słonecznej) z uwzględnieniem wartości irradiancji teoretycznej dla strefy geograficznej lokalizacji Badawczego Systemu Fotowoltaicznego PWr we Wrocławiu [51.10º N, 17.10 º E], rysunek 6. Rys. 4. Inteligentny pomiar licznikowy
250 Jarosław M. Szymańda, Jacek Rezmer Rys. 5. Aplikacja z interfejsem VBA MS EXCEL 2010 - SUNNY WEBBOX Rys. 6. Przykładowa prezentacja dobowej irradiancji słonecznej dla każdego z zainstalowanych modułów fotowoltaicznych 2.4. Możliwości badawcze Badawczy System Fotowoltaiczny pozwala na rozszerzenie zakresu prac badawczych dla energetyki i ekologii. Oferta badawcza dotyczy zakłóceń jakości energii elektrycznej i współpracy odnawialnych źródeł energii z systemem elektroenergetycznym. Niebagatelne staje się także zdobywanie doświadczenia i wiedzy pozwalającej modelować oraz prowadzić symulacje nieliniowych i zmiennych w czasie źródeł energii. Budowa systemu transmisji i przetwarzania
Telemetria parametrów badawczego systemu fotowoltaicznego 251 danych, sieci integrującej rozproszone systemy generacji są krokiem do opracowań inteligentnych pomiarów i elektroenergetycznych sieci wirtualnych. Do najważniejszych możliwości badawczych stanowiska należą: Analiza wzajemnego oddziaływania systemów (fotowoltaicznego i systemu elektroenergetycznego), ze szczególnym uwzględnieniem zagadnień jakości energii. Badanie jakości energii w systemach z energetyką rozproszoną. Projektowanie systemów transmisji, przetwarzania i wizualizacji danych na potrzeby inteligentnych pomiarów w systemach OZE. Badania porównawcze dla paneli różnych typów. Ocena długofalowa doświadczeń eksploatacyjnych w obecności dużych narażeń środowiskowych (zapylenie, zakłócenia, itp.). 2.5. Przykład badań Przykładem prowadzonych badań jest rejestracja wpływu systemu fotowoltaicznego na system elektroenergetyczny podczas awarii jednego z inwerterów. Na rysunku 5 przedstawiono przebiegi napięć i prądów wszystkich faz podczas pracy awaryjnej. Wyniki badań pokazują znaczne pogorszenie parametrów jakościowych energii elektrycznej. Należy zauważyć, że żadne standardowe zabezpieczenie zarówno inwerterów jak i sieci nie wyeliminowało zakłócenia. Przykład pokazuje, jak ważne jest badanie tego typu systemów zarówno pod względem eksploatacyjnym jak i monitorowania pracy. Masowa produkcja źródeł i instalacja w systemie rozproszonym powinna zapewniać prawidłową i bezpieczną pracę całego systemu. Rys. 5. Rejestracja napięć i prądów, system fotowoltaiczny z uszkodzonym inwerterem
252 Jarosław M. Szymańda, Jacek Rezmer 3. PODSUMOWANIE W zwięzłej formie przedstawiono wybrane aktualnie wykorzystywane technologie teletransmisji parametrów Badawczego Systemu Fotowoltaicznego zlokalizowanego w Międzyinstytutowym Laboratorium Energii Odnawialnej Wydziału Elektrycznego Politechniki Wrocławskiej: interfejsu internetowego (przeglądarki internetowej), standardowej aplikacji komercyjnej LabVIEW, interfejsów dedykowanych użytkownika (MS EXCEL). Zdalna komunikacja i teletransmisja danych są jednym z ważniejszych elementów diagnostyki, w szczególności w kontekście konieczności nadzorowania pracy wielu rozproszonych średnich i małych systemów energii odnawialnej. Na podstawie wykonanych obserwacji i analiz, każde z przedstawionych rozwiązań należy ocenić pozytywnie, aczkolwiek wymagane są dalsze badania weryfikacyjne. Badania pierwszego etapu z zakresu niezawodności systemów telemetrycznych będą także prowadzone w kolejnych fazach projektu. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/B/ST8/02515 LITERATURA [1] Dokumentacja powykonawcza -Badawczy System Fotowoltaiczny Skorut Sp.z.o.o., 2012. [2] Dokumentacja techniczna SMA Solar Technology AG, 2012. [3] Strona internetowa Badawczego Systemu Fotowoltaicznego: http://www.sunnyportal.com/templates/publicpageoverview.aspx?plant=068a0a21-2c2d-496a-af68-4a1f4074c975. [4] Szymańda J.M.: The automatic data acquisition in distributed systems teletransmission: Logistyka 6/2010, CD Rom, Poland, 2010, 6, ADE, str.: 3587-3599: ISSN: 1231-5478. TELEMETRY OF PHOTOVOLTAIC SYSTEM AT THE WROCŁAW UNIVERSITY OF TECHNOLOGY This paper presents a photovoltaic system which has been built at the Wroclaw University of Technology for scientific research purposes. A promising perspective of explosive growth of solar energy conversion systems encourages research activities on secure, stable and effective integration of PV generation with the electric power system. The research possibilities cover the areas of measurement, storage and analysis of data. The analysis is focused on power quality issues, PV technologies benchmarking and smart metering.