CN102148864A - 一种光伏发电与大型公共建筑一体化的无线监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏发电与大型公共建筑一体化的无线远程网络化监控系统，该系统在各组光伏阵列输出端及各组逆变器的输入、输出端安装智能无线监控装置，各个智能无线监控装置与ZigBee中心节点构成电量数据无线采集网络。将采集到的数据汇集到ZigBee中心节点，该节点通过RS485/RS232转换器与ZigBee/GPRS无线网关连接并与之相互通讯，实现了基于GPRS/Internet网络的电量数据无线远程实时传输。从而实现了在监控中心远程监控各光伏阵列所输出的电能信息及逆变器与公共电网并网工作时输出的电量信息；建立光伏发电系统的电量信息数据库，为可再生能源的科学利用打下了良好的信息化基础。

Description

一种光伏发电与大型公共建筑一体化的无线监控系统
技术领域
本发明属于可再生能源应用领域的一种智能无线监控系统，具体涉及一种太阳能光伏发电与大型公共建筑一体化的智能无线监控系统，该系统将无线监控技术和自动控制技术相结合，为大型公共建筑与新能源一体化应用提供无线监控解决方案。
背景技术
大型公共建筑一般是指单体建筑面积在2万m2以上、采用中央空调的办公、商业、旅游、科教文卫、通信以及交通枢纽等公共建筑。随着我国城市建设的飞速发展和经济水平提高，大型公共建筑在城镇建筑中的比例迅速增加，据文献资料表明，它占城镇建筑面积的比例不到4％，但耗能却占到建筑能耗的20％以上。因此，高耗能的大型公共建筑已成为我国建筑节能的关键问题，大型公共建筑的能耗监控及节能管理的研究也显得尤为迫切。结合目前全球化石能源的短缺严峻形势，如何增加能源供应、促进经济和社会的可持续发展，是世界各国面临的一项重大战略课题。为了突破常规能源的经济、环境双重桎梏，可再生能源便应运而生。
已知的光伏发电系统包括各光伏阵列（太阳能电池阵列）、逆变器以及连接器组成，它和公共电网通过逆变器连接组成光伏并网系统。光伏发电并网系统结构图如图2所示。太阳能光伏发电系统的性能以及太阳能光伏发电系统的电能质量是决定太阳能光伏发电系统能否规模化应用的关键因素。随着《中华人民共和国可再生能源法》的施行，国家已将太阳能、风能的开发纳入新能源，大大地推动了我国光伏发电系统与建筑相结合的发展趋势。在光伏发电与大型公共建筑一体化系统中对光伏发电系统的实时监控已成为工作重点。
发明内容
针对光伏发电与大型公共建筑一体化系统中电量数据具有分布式特点、采集节点之间布线困难、缺乏实时有效的监控手段，造成电量数据难以准确计量，无法评估其利用效率及整体节能效果的实际问题，本发明的目的在于，提供一种光伏发电与大型公共建筑一体化系统的无线远程实时监控系统，该系统基于光伏发电并网系统，内部集成ZigBee无线模块，对系统各部分线路中的电流、电压等电量参数进行采集。并与ZigBee中心节点组成ZigBee网状（MESH）网络，通过ZigBee/GPRS网关实现了基于GPRS/Internet网络的无线远程实时监控。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种光伏发电与大型公共建筑一体化的智能无线监控系统，包括传统的光伏并网系统的并网逆变器、连接器和太阳能电池阵列，其特征在于：
在传统的光伏并网系统的各太阳能电池阵列输出端安装直流型智能无线监控装置；
在各组并网逆变器的输入端安装直流型智能无线监控装置，并网逆变器的输出端安装交流型智能无线监控装置；
上述直流型/和或交流型智能无线监控装置内部集成有ZigBee无线模块；
所述的直流型/和或交流型智能无线监控装置将采集到的数据发送至ZigBee中心节点，ZigBee中心节点通过RS485/RS232转换器与ZigBee/GPRS无线网关连接，ZigBee/GPRS无线网关将数据信息通过GPRS无线网络和Internet网络上传至监控中心。
本发明的光伏发电与大型公共建筑一体化的智能无线监控系统，使用无线数据传输技术将数据上传至监控中心，实现了基于GPRS/Internet网络的无线远程实时监控。达到了对光伏发电系统电量的准确计量、信息化、科学化管理，使国家制订的有关可再生能源科学合理使用制度落到实处。具体技术效果体现在：
1.电量数据实时检测
采用智能无线监控装置分别检测不同线路中的电压和电流数据。并将所采集的电压电流信号转化为脉冲信号，由MCU对脉冲信号进行计数，从而实现发电量数据的实时采集与存储，并可通过通信接口进行数据传输。
2.电量数据无线采集网络
本装置内部集成ZigBee无线模块，分布式的智能无线监控装置与ZigBee中心节点构成电量数据无线采集网络，将采集到的数据汇集到ZigBee中心节点，并通过RS485/RS232转换器与ZigBee/GPRS无线网关连接。
3.无线远程传输技术
本装置采用ZigBee/GPRS无线网关，在数据传输过程中将GPRS协议与其它协议进行转换。当能耗数据被采集完成后，数据经过Zigbee协议与GPRS协议的转换并通过GPRS基站，再经过GPRS协议与TCP/IP协议的转换就可实现ZigBee/GPRS网关基于GPRS/Internet网络的无线远程实时传输。服务支持节点（SGSN）和网关支持节点（GGSN）之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN可以把GPRS分组数据包进行协议转换，从而将这些分组数据包传送到远端的TCP/IP。
4.可扩展、低功耗技术
本发明采用ZigBee网状（MESH）网络，由于ZigBee技术具有自组网、自愈合、低功耗的特点,与传统的有线网络或其他拓扑型无线网络相比，提高了网络可扩展性，延长了节点在网络中的使用时间，能够充分满足未来光伏发电系统的无线监控新需要。
附图说明
图1光伏发电与大型公共建筑一体化结构示意图；
图2并网光伏发电系统结构图；
图3系统的网络通信结构图；
图4 无线数据采集网络与GPRS/Internet传输网络联网结构图；
图5智能无线监控装置结构图；
图6直流型无线监控装置电路设计图；
图7交流型无线监控装置电路设计图；
以下结合附图和发明人给出的实例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明的光伏发电与大型公共建筑一体化的智能无线监控系统，基于光伏并网系统，用于对系统中并网逆变器和太阳能光伏阵列进行精确可靠地实时监控。
在传统的光伏并网系统的各太阳能电池阵列输出端安装直流型智能无线监控装置；在各组并网逆变器的输入端安装直流型智能无线监控装置，并网逆变器的输出端安装交流型智能无线监控装置；
智能无线监控装置将采集到的数据发送至ZigBee中心节点，ZigBee中心节点通过RS485/RS232转换器与ZigBee/GPRS无线网关连接，ZigBee/GPRS无线网关将数据信息通过GPRS无线网络和Internet网络上传至监控中心。实时监控太阳能光伏阵列产生的电量数据以及并网逆变器输入、输出端的电量数据。
光伏发电与大型公共建筑一体化系统如图1所示，系统的网络通信结构图如图3所示。
在本发明中，上述智能无线监控装置结构如图5中所示。分为交流型和直流型两种，由电量检测电路（1）、ADC转换芯片（2、3）、微处理器MCU（4）、时钟芯片（5）、FLASH存储芯片（6）以及ZigBee无线模块（7）组成。
通过电量检测电路（1）（含电流检测电路和电压检测电路）检测其所在线路中的电压和电流数据（交流或直流）。ADC芯片（2、3）将通道一、通道二所采集的电压电流信号转化为脉冲信号。由微处理器MCU（4）对脉冲信号进行计数，从而实现电量信息的采集。
智能无线监控装置（直流型）内部电量检测电路如图6中所示，主要包括直流电流检测电路、直流电压检测电路、MAX144芯片、S3C2410芯片、AT49BV1614A芯片、CC2430芯片。其工作原理是：通过直流型的电量检测电路（含电压检测电路及电流检测电路）采集太阳能光伏阵列和并网逆变器的直流输入端等直流电路中的电量信号，并将采集到的电量信号输入ADC芯片MAX144，通过MAX144芯片将电量信号由模拟信号转换为数字信号，并将转换后的数字信号输入MCU芯片S3C2410，S3C2410作为处理单元将输入的数据进行计算、处理。AT49BV1614A作为FLASH存储芯片为MCU芯片S3C2410提供数据处理，发送过程中所必须的数据存储空间。
智能无线监控装置（交流型）内部的电量检测电路如图7中所示，主要包括交流电压、电流信号采集电路，电压，电流信号整流电路，MAX144芯片、S3C2410芯片、T49BV1614A芯片、CC2430芯片。其工作原理与直流型电量检测单元类似，区别之处在于：由于交流型电量检测单元分布在逆变器的交流输出端，为检测交流电路中的电量信息信号，为其设计了交流型的电量检测电路和整流电路。由交流型检测电路检测三相交流电路中的电压，电流信号，并由多路转换电路将电压，电流各三相的交流电路转换为电压，电流各一相的直流电路，再通过整流电路对电压，电流信号处理后输入至ADC芯片MAX144中。之后的工作原理及执行过程与直流型智能电量检测单元相同。
依据本发明的技术要求，将智能无线监控装置安装在各组太阳能光伏阵列的输出端及各组并网逆变器的输入、输出端。将采集到的各组太阳能光伏阵列产生的电能电量数据最终上传至监控中心，以达到远程监控各光伏阵列实时运行状况的目的并用于能耗数据分析管理。在并网逆变器的输入端安装直流型智能无线监控装置，输出端安装交流型智能无线监控装置，可检测逆变器的输入输出电量数据，并传送至监控中心，用于实时监控逆变器的工作状况，并记录数据（逆变器转换效率）用于分析管理。
1.无线的数据采集与传输技术
本发明以ZigBee网络为基础构建了无线数据采集网络，并在系统中引入ZigBee/GPRS无线网关，实现了光伏发电与大型公共建筑一体化系统中电量数据的无线采集与数据的无线远程传输。在实际运行中，分布式的各智能无线监控装置与ZigBee中心节点共同组成了具有自组织，自愈合等特点的无线数据采集网络，将采集到的数据汇集到ZigBee中心节点。ZigBee中心节点通过RS485/RS232转换器与ZigBee/GPRS无线网关连接。ZigBee/GPRS无线网关具备网络协议（Ethernet）转换功能（ZigBee无线网络与GPRS无线网络之间），可将无线数据采集网络与GPRS无线网络连接起来，实现了基于GPRS/Internet网络的无线远程数据传输。
2.基于超低功耗的硬件设计
依据本发明对超低功耗，自组织网络的设计需要，选用了ZigBee无线传输技术。
ZigBee无线模块（7）采用CC2430射频芯片，它是一颗真正的系统芯片（SOC）CMOS解决方案。它包括了一个高性能的2.4GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430具有休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。该芯片体积小功率低，提供丰富的I/O，并具有超低功耗特性，非常适合本发明。
ADC芯片（2、3）使用了MAX144芯片，它是美国MAXIM公司生产的新型双通道12位串行模数转换器，它具有自动关断和快速唤醒功能，且内部集成采样／保持电路；同时具有转换速率高、功耗低等优点，特别适合于由电池供电且对体积和精度有较高要求的智能仪器仪表产品。其超低功耗的电气特性非常适合本发明。
MCU（4）选用S3C2410x微处理器，它是一款由Samsung公司设计的低功耗、高集成度的基于ARM920T内核的微处理器。ARM920T内核由ARM920TDMI、存储器管理单元（MMU）和高速缓存三部分组成。MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB地址和16KB数据高速Cache组成。ARM920T有两个内部协处理器：CP14和CP15。CP14用于调试控制，CP15用于存储器系统控制以及测试控制。它采用处理器通用的片上外设，大大减少了系统中处理器以外的元器件设备，从而使系统的成本大大降低，同时具有强大灵活的开发工具和启动引导功能，给程序的升级和维护提供了极大的方便，非常适合本发明。
时钟芯片（5）向MCU和其他各功能芯片发送时钟信号，使这些芯片在时钟信号的控制下协调工作。采用DS1302芯片，DS1302芯片是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、周、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
FLASH存储芯片（6）选用ATMEL公司推出的AT49BV1614A芯片。
3．光伏发电与大型公建一体化无线远程监控系统
太阳能光伏发电系统由于系统各组件分布散乱，缺乏对其进行实时监控的有效手段，不利于集中监控，为解决这些问题，依据本发明的设计思想，所有传送至监控中心的光伏发电系统运行信息将全部在组态软件中实时显示，以达到远程实时监控的目的。另外，通过检测到的光伏阵列发电量数据，可在监控中心计算出光电转换效率数据，用于光伏发电系统电量数据统计工作。对并网逆变器输入，输出端检测的电量数据可以直接反应并网逆变器的能耗转换效率，这些转换效率的数据对于系统的能耗数据统计工作有着极其重要的作用。逆变器的输出电量数据还将用来与公网电量数据对比，以满足国家标准中对并网光伏发电系统的要求。
在实际运行中，监控中心将通过本发明装置所监控的数据及时控制供电系统的工作模式，需要时可切换为公网供电，停止太阳能光伏阵列的运行，以保护光伏发电系统的使用寿命。另外，本装置解决了以往太阳能光伏发电系统中电量数据统计不明确的弊端，实现了光伏发电系统中电量信息的高精度无线监控，有着重要的经济价值。
综上所述，本发明实现了对整个光伏发电并网系统的实时监控与数据统计功能，对光伏发电与大型公共建筑一体化趋势的发展有着极其重大的推广示范意义。

Claims (6)

1.一种光伏发电与大型公共建筑一体化的智能无线监控系统，包括传统的光伏并网系统的并网逆变器、连接器和太阳能电池阵列，其特征在于：
在传统的光伏并网系统的各太阳能电池阵列输出端安装直流型智能无线监控装置；
在各组并网逆变器的输入端安装直流型智能无线监控装置，并网逆变器的输出端安装交流型智能无线监控装置；
上述直流型/和或交流型智能无线监控装置内部集成有ZigBee无线模块；
所述的直流型/和或交流型智能无线监控装置将采集到的数据发送至ZigBee中心节点，ZigBee中心节点通过RS485/RS232转换器与ZigBee/GPRS无线网关连接，ZigBee/GPRS无线网关将数据信息通过GPRS无线网络和Internet网络上传至监控中心。
2.如权利要求1所述的光伏发电与大型公共建筑一体化的智能无线监控系统，其特征在于，所述的直流型/和或交流型智能无线监控装置主要由电量检测电路（1）、两个ADC转换芯片（2、3），微处理器MCU（4）、时钟芯片（5）、FLASH存储芯片（6）以及ZigBee无线模块（7）组成。
3.如权利要求2所述的光伏发电与大型公共建筑一体化的无线监测系统，其特征在于，所述的直流型智能无线监控装置主要包括直流电流检测电路、直流电压检测电路、MAX144芯片、S3C2410芯片、AT49BV1614A芯片、CC2430芯片；
所述的交流型智能无线监控装置主要包括交流电压、电流信号采集电路，电压、电流信号整流电路，MAX144芯片、S3C2410芯片、T49BV1614A芯片、CC2430芯片。
4.如权利要求2所述的光伏发电与大型公共建筑一体化的智能无线监控系统，其特征在于，所述的时钟芯片（5）选择DS1302芯片。
5.如权利要求2所述的光伏发电与大型公共建筑一体化的智能无线监控系统，其特征在于，所述的FLASH存储芯片（6）选用AT49BV1614A芯片。
6.如权利要求1或2所述的光伏发电与大型公共建筑一体化的智能无线监控系统，其特征在于，所述的ZigBee射频模块采用CC2430射频芯片。
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