CN101995862A - 基于物联网的光伏阵列定位跟踪监测系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于物联网的光伏阵列定位跟踪监测系统及工作方法，多个无线测控器分别采集具有1-N个子区域的光伏阵列数据，经短程无线通信链路与相邻的无线测控器交互数据，包括对光伏阵列自主定位数据，交互数据传送至无线网关；通过中程无线通信链路上传至无线收发器并转发至本地主控中心，本地主控中心通过Internet网络或卫星通信系统将数据远程发送至异地主控中心；对数据进行校验、分析，并依据分析结果对无线测控器远程控制。无线测控器对光伏阵列自主定位的方法包括发射半径确定方法、初步定位算法、边界问题处理方法和Y值冲突处理方法。无需扩展定位设备实现光伏组件的精确定位，降低安装复杂度和错误率，增强系统鲁棒性。

Description

基于物联网的光伏阵列定位跟踪监测系统及工作方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域和太阳能光伏电站技术领域，特别涉及一种基于物联网的光伏阵列自主定位与跟踪监测技术。

背景技术

近年来，光伏产业发展迅猛，预防光伏电站运行中可能出现的各种故障是建设光伏电站的关键问题之一。在光伏电站运行过程中对光伏阵列进行有效的数据采集，有利于改进系统运行性能，优化系统的结构。而光伏发电站多布于室外空旷地带或建筑物外围，如何降低检测数据传输的成本，实现检测数据有效通信，成为制造厂商面临的主要问题之一。

专利号为200920047997.0，名称为“太阳能发电监测报警装置”公开一种基于RS232/RS485通信的太阳能发电监测报警装置，采用的是总线方式，传输距离短，布线复杂，成本较高，另外应用范围受线路限制，检测维护不方便。

专利PCT/US/2009/002684、“Network topology for monitoring and controlling a solar panel array”，公开一种基于无线通信与电力线通信的网络拓扑结构，无线网络与有线网络并存，提高监测系统可靠性，但并未给出无线网络中光伏阵列单点如何定位，也未涉及低功耗下无线通信定位与信息传输优化。

申请号为200910153384.X、名称为“基于无线网络的自动跟踪式光伏发电站监控系统”公开了一种基于ZigBee/GPRS的无线监测网络，利用无线网络实现分布式光伏发电站的集中管理，仅提出概念性的传输方式，尚未涉及单个光伏组件精确定位与管理。

发明内容

本发明的目的之一针对现有技术的不足，提出一种基于物联网的光伏阵列自主定位与跟踪监测系统，布线简单，成本较低，对光伏阵列的生存环境、状态信息实现远程实时监测。

本发明的另一目的是提供一种上述自主定位与跟踪监测系统的工作方法，使系统能够在低功耗下进行无线通信，实现系统的自主精确定位，优化信息传输。

本发明系统采用的技术方案是：包括多个无线测控器、至少一无线网关、一无线收发器、一本地主控中心、一异地主控中心及一卫星通信系统，多个无线测控器分别采集具有1-N个子区域的光伏阵列数据，一无线测控器以短程无线通信链路与相邻的另一无线测控器通信，多个无线测控器通过短程无线通信链路与至少一无线网关通信，至少一无线网关置于每个所述子区域中心，无线网关通过中程无线通信链路与子区域外的一无线收发器通信，无线收发器通过接口与一本地主控中心通信，本地主控中心通过Internet网络或经卫星通信系统连接一异地主控中心。

本发明系统的工作方法包括如下步骤：

1)无线测控器上电初始化完成后对自身坐标值确定，并对相邻无线测控器坐标值及无线网关所广播的坐标值进行保存，完成网络拓扑构建；

2)无线测控器先采集光伏阵列的数据，经短程无线通信链路的短程无线通信方式与相邻的无线测控器交互数据，包括对光伏阵列的自主定位数据，将交互数据传送至无线网关；然后通过中程无线通信链路的中程无线通信方式上传至无线收发器并转发至本地主控中心，最后本地主控中心通过Internet网络或卫星通信系统将数据远程发送至异地主控中心；

3)本地主控中心及异地主控中心对所上传的数据进行校验、分析，并依据分析结果对无线测控器远程控制。

本发明具有如下优点：

1、本发明在有限资源下，实现按需路由、自主精确定位，并综合利用短程无线通信、中程无线通信、Internet网络或卫星通信；通信从无线到有线，信息从分散到聚集，无需扩展定位设备即可利用现有资源实现光伏组件的精确定位，降低安装复杂度和错误率。

2、本发明采用功率控制，对无线测控器发射半径进行一定程度的限制，减小网络冲突域，降低网络平均竞争强度，基于平面直角坐标系及阵列特性，对应光伏组件行列，设置XY轴上所有无线测控器整点坐标值，剩余无线测控器经信息传递与判定得出自身整点坐标值，实现自主精确定位。

3、本发明的无线网关设计采用功率限制与功率放大电路并存，仅当无线网关广播信息时采用功率放大电路，覆盖子区域全局，减少网络开销，增强系统鲁棒性。无线网关置于子区域中心，降低无线网络深度，减少无线网络系统扫描时间。

附图说明

图1为系统总体结构示意图；

图2为图1中无线测控器101及无线网关102的控制结构示意图；

图3为图1中无线网关102的硬件结构加载示意图；

图4为图1中无线收发器104的硬件结构示意图；

图5为图1中无线测控器101的自主定位原理示意图；

图6为图1中无线测控器101的数据传递规则示意图；

图中：101.无线测控器；102.无线网关；103.短程无线通信链路；104.无线收发器；105.中程无线通信链路；106.本地主控中心；107.Internet网络；108.异地主控中心；109.电子器件；110.内部局域网；111.主控服务器；112.卫星通信系统；201.嵌入式微控制器；202.供电单元；203.电源控制电路；204.电源管理模块；205.备用电池；206.控制单元；207.光伏组件转动装置控制电路；208.光伏组件清洗系统控制电路；209.固定单元；210.时钟芯片；211.预留接口；212.存储器；213.短程无线通信模块；214.功率控制模块；215.检测单元；216.光伏组件电流检测电路；217.光伏组件电压检测电路；218.光伏组件旁路二极管检测电路；219.光伏组件温度传感器；301.太阳光角度检测电路；302.太阳光强度检测电路；303.环境温度传感器；304.风速传感器；305.湿度传感器；306.中程无线通信模块；401.嵌入式微控制器；402.供电单元；403.固定单元；404.电源控制电路；405电源管理模块；406备用电池；407.存储器；408.USB/RS232/RS485接口；409.预留接口；501.覆盖范围；502.三个不同X值无线测控器；503.一组X值相邻、Y值相同的无线测控器。

具体实施方式

参阅图1，光伏组件排列呈阵列状，对光伏阵列进行区域性划分，将光伏阵列分为N个区，即图1中的1区至N区，形成一个以子区域为单元的分布式网络结构，这样有利于本发明系统取得最大化监测覆盖面积。本发明整个系统包括：多个无线测控器101、至少一无线网关102、一无线收发器104、一本地主控中心106、一异地主控中心108、以及一卫星通信系统112，其中：

无线测控器101用于光伏阵列生存环境、状态信息的数据采集，自主控制光伏组件进行维护与故障预测。一无线测控器101以短程无线通信链路103与相邻的另一无线测控器101实现通信，多个无线测控器101通过短程无线通信链路103与至少一无线网关102实现通信，无线测控器101经过短程无线通信链路103与相邻的无线测控器101交互数据，最终将交互的数据经过短程无线通信链路103传送至无线网关102。

至少一无线网关102置于每个子区域中心，可减少子区域内无线网络系统扫描时间。至少一无线网关102通过中程无线通信链路105与子区域外的一无线收发器104通信，无线网关102将本子区域内的所有无线测控器101采集所得的数据经中程无线通信链路105发送至子区域外的无线收发器104。无线网关102在广播信息时，采用功率放大电路，发射范围覆盖子区域全局。

无线收发器104通过接口与一本地主控中心106通信，将所接收的各子区域的无线网关102的数据信息转发至本地主控中心106。

本地主控中心106，记录和处理整个光伏阵列的实时监测信息，检查所有记录数据的一致性和间隙，识别出明显的异常，直观、清晰的表示每个光伏组件的状态信息。本地主控中心106通过Internet网络107或经卫星通信系统112连接一异地主控中心108，通过Internet网络107或者卫星通信系统112将数据发送至异地主控中心108。异地主控中心108包括主控服务器111、具备联网功能的电子器件109和内部局域网110。当本地有Internet网络107时，本地主控中心106通过Internet网络107将数据发送至异地主控中心108的主控服务器111；当本地无Internet网络107时，本地主控中心106的数据经卫星通信系统112发送至异地主控中心108的主控服务器111，实现数据的远程传输。

异地主控中心108通过监视软件和数据库处理与备份全国范围内光伏阵列运行情况，跟踪调查分析单个光伏组件或整体光伏阵列性能。个人计算机、智能手机、PDA等具备联网功能的电子器件109在经过系统允许后通过内部局域网110访问主控服务器111，进行数据查询和命令控制。

参阅图2，无线测控器101和无线网关102包括一嵌入式微控制器201，以及分别外接该嵌入式微控制器201的一供电单元202，一控制单元206，一固定单元209和一检测单元215，其中：

嵌入式微控制器201，在已知参数的合理范围内针对检测单元215实时采样的数据进行检验，依据数据性质对供电单元202、控制单元206、固定单元209进行相应操作。

供电单元202提供电源支持，由电源控制电路203、电源管理模块204和备用电池205组成，电源控制电路203的输出分别连接电源管理模块204和备用电池205。电源控制电路203采用双电源切换控制，意外故障造成电源管理模块204断电事故时能及时切换到备用电池205供电。

控制单元206，包含一光伏组件转动装置控制电路207和一光伏组件清洗系统控制电路208，用于控制光伏组件角度调整和清洗维护，功能模块可扩展，但所扩展功能模块必须有配套数据采集模块提供全方位的数据支持。

固定单元209，包括时钟芯片210、预留接口211、存储器212、短程无线通信模块213和功率控制模块214。时钟芯片210用于系统时钟同步。预留接口211用于系统功能扩展和无线网关102硬件模块加载。存储器212用于数据存储。短程无线通信模块213实现与邻近的无线测控器101或无线网关102的数据交互。功率控制模块214对发射功率进行硬件限制，其仅在无线网关102中含功率放大电路。

检测单元215，至少包括一光伏组件电流检测电路216、一光伏组件电压检测电路217、一光伏组件旁路二极管检测电路218和一光伏组件温度传感器219，可扩展添加各类所需传感器或数据采集电路组成一个数据采集协同系统，实现信息的多元采集。

参阅图3，无线网关102硬件结构加载包括：一太阳光角度检测电路301、一太阳光强度检测电路302、一环境温度传感器303、一风速传感器304一湿度传感器305及中程无线通信模块306，对于子区域内所有无线测控器101提供数据支持；中程无线通信模块306用于无线网关102与无线收发器104之间的数据无线收发。

参阅图4，无线收发器104包括另一个嵌入式微控制器401，以及分别连接该嵌入式微控制器401的另一供电单元402和一固定单元403，其中：

嵌入式微控制器401，用于无线收发器104的数据收发控制。

供电单元402，提供电源支持，由另一电源控制电路404、另一电源管理模块405和另一备用电池406组成，另一电源控制电路404的输出分别连接另一电源管理模块405和另一备用电池406。另一电源控制电路404采用双电源切换控制，意外故障造成另一电源管理模块405断电事故时能及时切换到备另一用电池406供电。

固定单元403，包括存储器407、USB/RS232/RS485接口408、预留接口409和中程无线通信模块306。存储器407用于数据存储，USB/RS232/RS485接口408用于无线收发器104与本地主控中心106通信，预留接口409用于外设扩展，中程无线通信模块306，用于无线网关102与无线收发器104之间的数据无线收发。

本发明系统的工作步骤为：：

第一步：无线网络初始化。无线测控器101上电初始化完成后，对自身坐标值进行确定，并对相邻无线测控器101的坐标值及无线网关102所广播的坐标值进行保存，完成网络拓扑构建。

第二步：数据采集及上传。由于无线网关102含短程无线通信模块213与中程无线通信模块306，因此，能用于子区域内部无线测控器101与无线收发器104之间数据中继。无线测控器101采用短程无线通信方式，监测光伏组件的工作状态，通过短程无线通信链路103和无线网关102实现子区域内部数据交互，交互的数据包括无线测控器101对光伏阵列的自主定位数据，无线网关102对无线测控器101所监测的光伏组件定期进行数据采集，然后通过中程无线通信链路105的中程无线通信方式上传至子区域外部的无线收发器104。无线收发器104采用中程无线通信方式，负责将各子区域内部数据通过USB、RS232等通信方式传递至本地主控中心106，有助于扩大监测区域。数据传递经无线网关102、无线收发器104、本地主控中心106，直至异地主控中心108；

第三步：数据分析及命令下发。本地主控中心106及异地主控中心108对所上传的数据进行校验、分析，并依据分析结果对无线测控器101远程控制或对人员进行调配。

无线测控器101在监测光伏组件的工作状态时，具有对光伏阵列自主定位功能，自主定位的方法包括发射半径确定方法、初步定位算法、边界问题处理方法、Y值冲突处理方法，参阅图5，其中，图5(a)为发射半径确定方法原理示意图；图5(b)为初步定位算法、图5(c)为边界问题处理方法原理示意图、图5(d)为Y值冲突处理方法原理示意图。图5中多个无线测控器101呈行列排列，以A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、L、M分别表示多个无线测控器101中的某单个无线测控器。

如图5(a)所示，光伏组件在实际应用现场虽呈阵列式排列，在无遮蔽情况下光伏组件排列尽可能紧凑，位于子区域内的两个无线测控器101在不同方向上的间距会存在差异性，采用功率控制模块214将无线测控器101的发射功率进行限制，控制其覆盖范围501。发射半径为

其中L为无线测控器101间距较大值，W为无线测控器101间距较小值，保证其邻居无线测控器101数量大于等于8，确保其具备较高的网络连通性。发射半径R＜2L，减小网络的冲突域，降低网络的平均竞争强度，有助于减少网络整体能量消耗，提升网络容量。

见图5(b)所示，依据实际现场子区域内光伏组件所处行列，在子区域内建立直角坐标系，X轴(对应行)为无线测控器101间距相对较大的一侧子区域边沿，Y轴(对应列)为相邻一侧子区域边沿，顶点坐标为(1，1)，XY轴上单个无线测控器A坐标点事先设定。所有无线测控器101置于接收状态，无线测控器101的覆盖范围501内已确定坐标点存入邻居表中，其余则存入临时数据表中用作数据处理，待确认坐标点后丢弃临时数据表。依据图5(a)中无线测控器101发射半径

覆盖范围501内存在三个不同X值无线测控器502(暂不考虑边界问题)，可以唯一确定无线测控器101所处X值。如果据邻居表和临时数据表可以确定X值，因数据传播遍历方向，则初步判定Y值为邻居表和临时数据表中一坐标点(X，Y_max)Y_max值加1。待初步判定坐标点后，无线测控器101置发送状态并发送含坐标点的临时信息，后转入接收状态。

图5(c)是无线测控器101定位算法初步中的边界问题处理。当无线测控器101位于边界(即无线测控器B不存在或暂不可知)，图5(b)示X值确认方法已不可行，无线测控器101置于接收状态，覆盖范围501内存在X值相邻、Y值相同的单个无线测控器C、D至少两组，单个无线测控器C仅存在一侧相邻的单个无线测控器D，单个无线测控器D存在左右相邻的另两单个无线测控器C、E，唯一确定无线测控器101所处X值。据此，已最终确定坐标点的无线测控器所发送消息中必须包含其邻居表中是否存在左右相邻无线测控器的说明信息。如果可以确定X值，因数据传播遍历方向，则初步判定Y值为邻居表中一坐标点(X，Y_max)Y_max值加1。待初步判定坐标点后，无线测控器101置发送状态并发送含坐标点的临时信息，后转入接收状态。

图5(d)是无线测控器101定位算法初步中的Y值冲突处理。依图5(b)、图5(c)示Y值初步判定方法，当

一组X值相邻、Y值相同的无线测控器503可以初步判定无线测控器F、G具有相同的XY值，即无线测控器F、G的Y值冲突。无线测控器F、G的实际Y值是不同的，即其覆盖范围和邻居表是有差别的。因数据传播遍历方向，两者邻居表中X-1坐标点最先在Y值上表现出差异性。为防边界影响，无线测控器F、G初步判定后所发送的临时信息中应含邻居表中两个单个无线测控器H的坐标点(X-1，Y_max)，单个无线测控器I的坐标点(X-1，Y_min)。因数据传播遍历方向和下边界影响，首先比较Y_max，当其Y_max大于所接收到的Y_max时，其Y值加1，小于则Y值不变，如相等则跳转进入Y_min比较，其操作与Y_max比较雷同。如两次比较均相等，则延时等待接收新信息后再次发送临时信息进行比较。如Y值变化，无线测控器F置发送状态并发送临时信息，后转入接收状态。如Y值无变化，则等待规定时间，如在规定时间内其Y值没有冲突，则确定其坐标值并置发送状态发送确定信息。

参阅图6，无线测控器101数据传递规则含：无线网关102位置确定，数据传递主路径确定及发生故障后数据传递路径优选。因无线测控器101本身能耗低且能量充足，网络建立后，无线网关102广播其坐标值，以经过无线网关102并且与X轴平行的直线和与Y轴平行的直线作为数据传递主路径。无线测控器101以无线网关102为最终目的地址发现数据传递路径。数据传递过程中每一跳的目的地址都由这一跳的源地址决定。比较源地址和最终目的地址，从邻居表的中选取靠近最终目的地址一侧且坐标XY值均变化最大的坐标点作为此跳的目的地址，直至最终目的地址。若邻居表中尚未出现最终目的地址，但存在坐标点X值或Y值与最终目的地址X值或Y值一致，则选取靠近最终目的地址一侧且坐标X值或Y值与最终目的地址X值或Y值一致并变化最大的无线测控器J作为这一跳的目的地址，直至最终目的地址。

无线测控器101地址经定位算法确定后固定，单个无线测控器故障不会造成网络拓扑的大规模改变，仅改变经过此无线测控器101的数据传递路径。数据传递采用按需路由，基于目的地址逐跳计算临时路由。如图6，当遇故障点K时仅需单个无线测控器101重新计算路由。当无线测控器101在规定时间内没有收到回复帧，记录故障点K，选择与故障点K坐标X值相同且Y值邻近的无线测控器L作为第一优选目的地址。如第一优选目的地址同样发生故障，则选取邻居表中任一靠近无线网关102的无线测控器M作为目的地址。

Claims (5)

1.一种基于物联网的光伏阵列定位跟踪监测系统，包括多个无线测控器(101)、至少一无线网关(102)、一无线收发器(104)、一本地主控中心(106)、一异地主控中心(108)及一卫星通信系统(112)，多个无线测控器(101)分别采集具有1-N个子区域的光伏阵列数据，其特征是：一无线测控器(101)以短程无线通信链路(103)与相邻的另一无线测控器(101)通信，多个无线测控器(101)通过短程无线通信链路(103)与至少一无线网关(102)通信，至少一无线网关(102)置于每个所述子区域中心，无线网关(102)通过中程无线通信链路(105)与子区域外的一无线收发器(104)通信，无线收发器(104)通过接口与一本地主控中心(106)通信，本地主控中心(106)通过Internet网络(107)或经卫星通信系统(112)连接一异地主控中心(108)。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的光伏阵列定位跟踪监测系统，其特征是：所述无线测控器(101)和无线网关(102)包括一嵌入式微控制器(201)及分别与之外接的一供电单元(202)，一控制单元(206)，一固定单元(209)和一检测单元(215)；所述供电单元(202)由电源控制电路(203)、电源管理模块(204)和备用电池(205)组成，电源控制电路(203)的输出分别连接电源管理模块(204)和备用电池(205)；控制单元(206)包含一光伏组件转动装置控制电路(207)和一光伏组件清洗系统控制电路(208)；固定单元(209)包括时钟芯片(210)、预留接口(211)、存储器(212)、短程无线通信模块(213)和功率控制模块(214)；检测单元(215)至少包括一光伏组件电流检测电路(216)、一光伏组件电压检测电路(217)、一光伏组件旁路二极管检测电路(218)和一光伏组件温度传感器(219)；无线网关(102)硬件结构加载包括一太阳光角度检测电路(301)、一太阳光强度检测电路(302)、一环境温度传感器(303)、一风速传感器(304)、一湿度传感器(305)及中程无线通信模块(306)；所述无线收发器(104)包括另一嵌入式微控制器(401)及与之外接的另一供电单元(402)和一固定单元(403)，另一供电单元(402)由另一电源控制电路(404)、另一电源管理模块(405)和另一备用电池(406)组成；另一电源控制电路(404)的输出分别连接另一电源管理模块(405)和另一备用电池(406)；固定单元(403)包括存储器(407)、USB/RS232/RS485接口(408)、预留接口(409)和中程无线通信模块(306)。

3.一种基于物联网的光伏阵列定位跟踪监测系统的工作方法，其特征是包括如下步骤：

1)无线测控器(101)上电初始化完成后对自身坐标值确定，并对相邻无线测控器(101)坐标值及无线网关(102)所广播的坐标值进行保存，完成网络拓扑构建；

2)无线测控器(101)先采集光伏阵列的数据，经短程无线通信链路(103)的短程无线通信方式与相邻的无线测控器(101)交互数据，包括对光伏阵列的自主定位数据，将交互数据传送至无线网关(102)；然后通过中程无线通信链路(105)的中程无线通信方式上传至无线收发器(104)并转发至本地主控中心(106)，最后本地主控中心(106)通过Internet网络(107)或卫星通信系统(112)将数据远程发送至异地主控中心(108)； 

3)本地主控中心(106)及异地主控中心(108)对所上传的数据进行校验、分析，并依据分析结果对无线测控器(101)远程控制。

4.根据权利要求3所述的工作方法，其特征是：步骤2)无线测控器(101)对光伏阵列自主定位的方法包括发射半径确定方法、初步定位算法、边界问题处理方法、Y值冲突处理方法；

发射半径确定方法为：无线测控器(101)的覆盖范围(501)通过其功率控制模块(214)限制发射半径为

相邻的另外无线测控器(101)数量大于等于8，L为无线测控器(101)间距较大值，W为其1间距较小值，发射半径R＜2L；

初步定位算法为：在子区域内建立XY直角坐标系，覆盖范围(501)内确定坐标点存入邻居表中，其余存入临时数据表中，待确认坐标点后丢弃临时数据表，覆盖范围501内存在三个不同X值无线测控器(502)，先确定所处X值，再初步判定Y值为邻居表和临时数据表中一坐标点(X，Y_max)Y_max值加1，无线测控器101置发送状态并发送含坐标点的临时信息；

边界问题处理方法为：覆盖范围(501)内存在X值相邻、Y值相同的单个无线测控器C、D至少两组，单个无线测控器C存在一侧相邻的一单个无线测控器D，单个无线测控器D存在左右相邻的另两单个无线测控器C、E，先确定所处X值，再初步判定Y值为邻居表中一坐标点(X，Y_max)Y_max值加1，无线测控器101置发送状态并发送含坐标点的临时信息；

Y值冲突处理方法为：由一组X值相邻、Y值相同的无线测控器(503)初步判定单个无线测控器F、G具有相同的XY值，所发送的临时信息中含邻居表中单个无线测控器H坐标点(X-1，Y_max)及单个无线测控器I坐标点(X-1，Y_min)，当Y_max大于所接收到的Y_max时，Y值加1，小于则Y值不变，相等则跳转进入Y_min比较，如两次比较均相等，则延时等待接收新信息后再次发送临时信息进行比较，如Y值变化，单个无线测控器F置发送状态并发送临时信息，后转入接收状态；如Y值无变化，则等待规定时间，如在规定时间内其Y值没有冲突，则确定其坐标值并置发送状态发送确定信息；

5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征是：以经过无线网关(102)且与X和Y轴平行的直线作为数据传递主路径，比较源地址和最终目的地址，从邻居表的中选取靠近最终目的地址一侧且坐标XY值均变化最大的坐标点作为此跳的目的地址；若邻居表中未出现最终目的地址，存在坐标点X值或Y值与最终目的地址X值或Y值一致，则选取靠近最终目的地址一侧且坐标X或Y值与最终目的地址X或Y值一致并变化最大的无线测控器作为这一跳的目的地址。

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