LabVIEW开发住宅系统数据采集和监测系统

由于不断需要平衡电力生产和消费，电力市场是最复杂的市场。在整合大量可变可再生能源（如风能和太阳能）时，这尤其是一个挑战。储能似乎是一种理想的解决方案，但是电能难以有效存储，大规模储能系统仍然昂贵或地理限制。

在消费方面，消费者一直是配电网络的被动参与者，因为他们与任何电力市场分离，可以不受任何限制地利用他们的消费。由于可再生能源在电力系统中的高渗透率，电力生产变得越来越随机和不稳定。因此，每时每刻都要平衡生产和消费具有挑战性，分销网络需要成为平衡这种可变发电的灵活性来源。因此，活跃的消费者应该能够参与住宅需求响应计划，并通过在需求高峰期减少或转移消费来帮助维持权力平衡。理想情况下，这些活跃的消费者应该拥有自己的分布式资源、电池或恒温可控设备。与行业消费者相反，家庭的电力容量较低。然而，由于它们的数量巨大，智能电网技术的发展说服了电力市场中的不同实体，为其客户提供需求响应计划。另一方面，需求响应计划通过降低整体电力成本使住宅消费者受益。住宅需求响应仍在开发中，在许多国家尚未大规模存在，因为商业和工业消费者通常是需求响应计划的早期焦点。

住宅需求响应计划的另一个障碍是缺乏合适的通信基础设施，其基础是任何成功的住宅需求响应计划的先决条件。根据需求响应管理的类型，需要不同的技术手段，尤其是通信手段。因此，每个消费者都需要配备智能计量系统，才能获取主要家用电器的用电量数据，这是家庭需求响应方案的核心。抗网络攻击、简单性、成本效益和速度是选择适当通信技术的最关键特征。

家庭还不知道他们的能源消耗模式在平衡电力系统方面可以发挥多大的关键作用。因此，具有观察能源消耗的智能信息技术在改变消费者行为方面发挥着关键作用，并将其纳入需求响应管理计划。研究表明，使用网站或应用程序来监控自己的电力消耗将有助于了解和减少他们的消耗。如果他们知道某些电器比其他电器消耗更多的电力，他们会更关心使用。消费者可能会尝试寻找不同的解决方案，例如购买耗电较少的电器作为替代品，或在可能的情况下尝试限制某些电器的使用。通过智能能源测量和监控，单个电器的实际负荷消耗和整体住宅消耗，可以分析获取的数据以进行能源消耗的减少或延迟，从而实现更准确和精确的预测。

介绍了在需求响应计划的参与者站点中实施的能源信息系统，该系统将显示通常隐藏的消耗能源的信息和洞察力。压缩空气泄漏、控制配置错误、过滤器脏污、设备损坏等琐碎问题的可能原因经常被忽视。拟议的架构将激励最终用户消费者积极参与需求响应，并帮助公用事业公司高效、经济地保持负载平衡。该程序的特点是简单，模块化和成本效益。从通信技术和智能设备的角度来看，该计划是可互操作的，这是灾难恢复基础设施最重要的运营目标之一。

通信设备将用于设置家用电器和中央监控系统之间的通信。因此，它对于计算机模拟环境和显示家庭界面至关重要。测量设备是指计量、监督和控制装置。实验室包括的家用电器包括：电热水器，带冰柜的冰箱，洗衣机，滚筒式烘干机，洗碗机，电磁炉，抽油烟机，电烤箱，微波炉，，咖啡机，咖啡研磨机，地暖，电热水器，空调和连接到独立电源插座的设备，例如电视。

监控和计量能源消耗所需的硬件是参与需求响应的主要限制因素。通过公用事业和消费者之间的通信实现高效的负载管理。

Modbus是一种应用程序级协议，它实现了一组用于主（客户端）和从属（服务器）设备之间的请求-响应交互的功能。主站负责发起任何通信，即它负责发送从站必须响应的请求。主机通常是人机界面（HMI）或监控和数据采集（SCADA），而从设备可以是可编程逻辑控制器（PLC），网关或传感器。Modbus是工业生产环境中最常用的网络协议，因为它具有开放性，简单性，低成本开发和最低要求的硬件基础设施。Modbus消息由协议数据单元（PDU）组成，其格式定义为函数代码，后跟关联的数据集。线圈、离散输入、保持寄存器和输入寄存器是预定义功能代码使用的4种主要数据类型。以下机制可用于访问不同类型的数据：只读、读/写和只写。从属设备可以直接访问本地放置在设备上的数据。相反，主站必须通过各种功能代码获取对此数据的访问。除了PDU中定义的Modbus协议功能外，还可以使用其他网络协议。最常见的是串行和传输控制协议/互联网协议（TCP/IP）和单元数据协议（UDP）。为了跨层传输数据，Modbus包括一个适用于每个网络协议的应用程序数据单元（ADU）。ModbusTCPADU由7字节标头（MBAP）和N字节数据单元（PDU）组成。MBAP标头包括单元ID，用于使用单个IP地址通过路由器和网关等设备进行通信，以支持多个独立的Modbus端点。MBAP还包含事务ID、ProtocolID和Length。

基于Modbus协议的PowerTagLinkHD通信系统允许配电盘通过TCP/IP通过监控系统或PLC实时公开所有Modbus计量和监控数据的寄存器。这些注册提供可读取的信息，例如电气措施和监控信息。

LabVIEW在许多科学领域和技术工程中得到了应用，因此在这项工作中，我们提出了一个LabVIEW平台，用于DR实验室的数据采集和监控。该应用程序基于称为生产者/消费者的设计模式。生产者/消费者设计旨在改善以不同速度运行的多个回路之间的数据交换。它用于分离循环;一个循环“生成”数据，而另一个循环以不同的速率“消耗”数据。换句话说，并行循环分为两类，接收数据的和使用获得的数据进行进一步处理的循环。生产者循环的任务是收集测量值，检查时间并将收集的测量值转发到消费者循环。使用者循环的目的是将数据存储在数据库中，并将其用于可视化。生产者/消费者格式最适合这种类型的应用。通过这种方式，以消费者循环的速率启用同步数据处理，并将其他数据添加到队列中，并具有生产者循环的计时。如果上述应用程序而不是生产者/消费者处于同一循环中，则收集数据的速度将减慢以匹配数据处理速度，反之亦然，以较慢的操作为准。队列是LabVIEW中用于将数据与生产者/消费者窗体同步的函数。这些函数具有缓冲区，因此避免了数据丢失或覆盖。

前面板分别显示所有电器的有功功率和总有功功率的图标和采集数据。有两个图表显示过去一小时的总有功功率和过去24小时内的总有功功率，这使得实时了解消耗行为非常有用。此外一个单击每个设备可提供单个设备的相应测量值的可视化。在LabVIEW中显示实时测量量是使用指示器实现的。实时显示测量量的最大优势是能够在DR实验室中获取当前状况。通过实时监控测量，可以轻松确定系统是否正常工作或是否存在缺陷部件。此外，该系统模型的集成提供了将历史数据与监测数据实时比较的机会，允许开发新的预测模型，以改善住宅需求响应，并优化系统输出以实现更高的成本效益。

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还可以使用LabVIEW Web服务器在Web上发布VI的前面板或独立应用程序的图像。默认情况下，启用Web服务器的正常功能后，应用程序对所有Web浏览器可见。这种发布用于研究需求的开发应用程序的方式非常简单，并且避免了显示当前测量量和随附应用程序内容所需的单独页面和图形指示器的额外Web编程（PHP编程，Java编程语言）。要使研究人员能够进行远程监控，需要HTML文档。Web发布工具用于Web访问以监控能源使用情况。

以这种方式开发的应用程序能够使用迄今为止收集的数据来分析和预测住宅系统的消耗。这些预测可以作为在指定或类似地点进行成本效益分析的基础。由于数据库已创建并且存在一个记录测量的数量，研究人员可以访问广泛的数据选择，这些数据将在收集一年的数据后公开发布给研究人员。

可以通过扩展测量数量的操作，图形显示大量数据的可能性以及可能连接到其他位置的另一个类似系统来升级这项工作。在短时间间隔内进行大量测量确保了数据处理及其在其他应用中使用的各种可能性。由于数据收集最近才开始，目前只能进行有限的分析。为了获得更清晰的见解，需要更长的时间才能更好地比较和评估测量的数量和数据存储。

这是LabVIEW的一个应用，更多的开发案例，欢迎登录北京瀚文网星官网，了解更多信息。有需要LabVIEW项目合作开发，请与我们联系。