CN103116337A

CN103116337A - 一种具有发电量预测功能的双模式光伏监控仪

Info

Publication number: CN103116337A
Application number: CN2013100145256A
Authority: CN
Inventors: 徐洋; 杨洁; 董晓伟; 孙以泽; 陈玉洁
Original assignee: SHANGHAI MENGJIN PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd; Donghua University
Current assignee: SHANGHAI MENGJIN PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd; Donghua University
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-05-22

Abstract

本发明涉及一种具有发电量预测功能的双模式光伏发电监控仪。本发明的硬件系统包括信号采集及调理模块、电源模块、主控芯片模块、通讯接口模块、数据存储模块及液晶显示模块。本发明可根据前期监测数据预测后期发电量，为监控光伏发电系统的运行状态及安排电量调度提供依据。本发明具有两种工作模式：独立模式和通讯模式。工作于独立模式时，可以通过扩展SD卡读取相关监测历史数据，该模式适用于户用型或者实验用小型光伏发电系统；工作于通讯模式时，本发明成为监测系统的下端网络，该模式适用于大型光伏发电系统对监控要求较高的场合。本发明具有结构简单、应用灵活、适用性强、扩展性强、低成本的特点。

Description

一种具有发电量预测功能的双模式光伏监控仪

技术领域

本发明涉及一种光伏发电系统的监控仪，属于光伏发电监控技术领域。

背景技术

随着全球性能源危机及环境污染问题愈演愈烈，太阳能以其清洁无污染、取之不尽用之不竭的优势成为了可再生能源的“宠儿”。太阳能光伏发电站系统通常包括太阳能电池阵列、光伏逆变器、功率调节装置、储能装置(并网运行的光伏发电系统有时可以略去)及监控系统。监控系统是连接用户与光伏发电系统的桥梁，是用户监视光伏电站工作状态和对光伏电站进行操作的平台。

目前，光伏发电站的监控系统一般都包括下端网络和上端网络两部分。下端网络一般包括光伏阵列、环境检测单元、下位机控制器及储能单元等。上端网络主要包括上位监控机、远程控制机、Internet及网络用户等。但是就国内的发展状况来看，现今国内的大型光伏发电系统数量较少，大多数都是户用型或是高校等研究机构建立的实验用小型光伏发电系统，对于这样的小型光伏发电系统，花费大量的人力、物力、财力兴建大型的监控系统显然会造成资源浪费。对于这样的小型系统而言需要的是结构简单、成本较低的光伏监控仪。

但是，现有的一些小型光伏发电系统的监控系统只关注对光伏电池板所处的环境状态的监测，获得的大量的监测数据一般是存贮在监控系统的数据存储模块中，后续对这些数据的处理及使用比较缺乏，对这些监测数据进行处理之后可以实现就整个光伏发电系统的发电量的预测，这样光伏发电监测系统不仅仅具有监测功能同时也具有对光伏发电系统的管理功能，使得监控系统的功能更加完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确性更高、实用性更强、成本更低的具有发电量预测功能的双模式光伏监控仪。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种具有发电量预测功能的双模式光伏监控仪，其特征在于，至少包括：

信号采集及调理模块，至少用于采集环境温度、组件温度、风速、太阳辐照量、光伏阵列的输出电流、光伏整列的输出电压；

主控芯片模块及与其相连的通讯接口模块、数据存储模块、液晶显示模块，主控芯片模块用于接收并处理通过信号采集及调理模块采集到的数据，并控制整个监控仪在独立模式和通讯模式之间切换；当监控仪工作于独立模式时，主控芯片主要完成以下工作：接收信号采集及调理模块采集到的监控数据并将数据存入数据存储模块，计算当日发电量并将数据存入数据存储模块，根据监测得到的历史数据及计算得到的历史发电量数据对后期发电量进行预测。此外，控制液晶显示模块实现发电量实测数据及发电量预测数据的显示；当监控仪工作于通讯模式时，通过扩展通讯接口模块后，主控芯片模块可以控制实现整个监控仪与上位机监控中心的通讯，并在上位机中接收下端网络传输的监测历史数据实现对光伏发电系统后期发电量的预测；电源模块，为信号采集及调理模块、主控芯片模块、液晶显示模块、数据存储模块及通讯接口模块提供电源。

优选地，所述信号采集及调理模块至少包括环境温度传感器、组件温度传感器、风速传感器、太阳辐照量传感器、电流检测及调理电路、电压检测及调理电路，环境温度传感器与组件温度传感器连接各自的调理电路后与A/D转换模块相连，A/D转换模块连接所述主控芯片模块，风速传感器与辐照量传感器连接各自的调理电路后直接与所述主控芯片模块相连，电流检测及调理电路与电压检测及调理电路直接对光伏阵列的输出电流与输出电压进行采样并调理后送至所述主控芯片模块。

优选地，所述主控芯片模块选用ST公司的型号为STR711FR2的ARM32位微处理器，与所述辐照量传感器相连的调理电路、所述电流检测及调理电路与所述电压检测及调理电路的输出端连接该微处理器的ADC输入端，与所述风速传感器相连的调理电路的输出端连接该微处理器的外部时钟输入端，所述A/D转换模块的输出端连接该微处理器的SPI端口，该微处理器至少可以扩展SD卡设备和/或总线接口。

优选地，所述微处理器通过外扩的所述SD卡设备读取监控仪监测的历史数据。

优选地，所述通讯接口模块选用通讯控制芯片及采用RS485通讯方式。

优选地，所述电源模块至少包括各工作芯片电源单元、外部电源接口及调理单元、电源管理芯片单元，外部电源通过外部电源接口及调理单元输入并调理，由电源管理芯片单元将调理后的电源转换为不同的工作电源电压，不同的工作电源电压输出后为液晶显示屏及其他芯片提供电源。

本发明具有如下优点：较完整地实现了对光伏系统所处环境相关参数的监测，这些环境相关参数包括：环境温度、风速及太阳辐照量等，本发明还可以对组件温度、光伏阵列输出电压、电流进行监测。本发明可以利用监测数据对光伏发电系统的后期发电量进行预测。此外，本发明具有独立模式和通讯模式两种工作模式，独立模式适用于户用型或实验用小型光伏发电系统，通讯模式适用于大型光伏发电系统中对监控系统要求较高的下端网络中。

综上所述，本发明具有结构简单、应用灵活、适用性强、扩展性强、低成本的特点。

附图说明

图1是本发明的硬件系统结构框图；

图2A是本发明的软件控制程序总体框图；

图2B是本发明的独立模式子程序框图；

图2C是本发明的通讯模式子程序框图；

图3是发电量神经网络预测模型拓扑结构；

图4是本发明的发电量预测子程序的程序框图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。应该说明以下的实施范例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳范例对本发明进行了详细说明，本领域的普遍技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

图1是本发明提供的一种具有发电量预测功能的双模式光伏监控仪的硬件系统结构框图，包括信号采集及调理模块、电源模块、主控芯片模块、通讯接口模块、数据存储模块及液晶显示模块。

信号采集及调理模块包括环境温度传感器、组件温度传感器、风速传感器、太阳辐照量传感器、电流检测及调理电路、电压检测及调理电路。在本实施例中，环境温度传感器与组件温度传感器均采用的是PT100，PT100由A/D转换芯片为其提供恒流源。PT100两端输出电压经过各自的调理电路调理后接入A/D转换芯片进行A/D转换之后再接入主控芯片模块的SPI0引脚输入端。辐照量传感器采用的是一块标准的太阳能电池板作为基准，太阳电池板两端的短路电流经过采样电阻进行采样，再经过滤波及集成双运放放大之后与主控芯片模块的AD0通道模拟量输入端口连接，在主控芯片模块内根据短路电流与太阳辐照量之间成正比的关系，编写程序采用分段控制的方法即可计算出太阳辐照量。风速传感器采用的是风速仪，风速仪在风的作用下产生感生电流，感生电流经过滤波后再经过施密特触发器变成标准的方波后接入主控芯片模块的外部时钟输入端，在主控芯片模块内根据风速与感生电流频率之间成正比的关系，编写程序则可以完成风速的测量。光伏阵列输出电流的检测首先是将输出电流经过霍尔电流传感器，再通过采样电阻将电流信号转换为电压信号，然后再将电压信号通过电压跟随器完成隔离滤波，最后经过限流电阻后接入到主控芯片模块的AD1通道进行模数转换；光伏阵列输出电压的检测为了兼顾成本和精度问题，本实施例中不使用传感器，直接将输出电压经过光电耦合隔离器之后再接入与电流调理电路相似的调理电路之后接入到主控芯片模块的AD2通道完成模数转换。

电源模块包括3部分：各工作芯片电源部分、外部12V电源接口电路及调理部分、电源管理芯片部分。外部12V电源接口电路及调理部分包括EMI滤波器、瞬态二极管及普通二极管。本实施例子中的监控仪采用外接12V电源向系统供电，首先通过调理电路进行滤波、保护等操作。滤波采用的是EMI滤波器，作用是滤除共模、差分模干扰；瞬态抑制二极管的作用是保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击；二极管主要是起隔离的作用。使用两块电源管理芯片，将12V的外接电源电压分别转换为5V和3.3V分别给液晶显示屏和其他芯片供电。

主控芯片模块采用的是ST公司的型号为STR711FR2的ARM32位微处理器，在本发明的软件设计时预留了该微处理器的部分资源，便于在本监控仪上添加SD卡设备及总线接口等。在通讯通道的选择上使用了SPI0、SPI1及UART0。其中，SPI0通道与A/D转换芯片进行通讯，SPI1通道与存储芯片进行通讯，UART0与通讯控制芯片连接进行通讯。在本监控仪上扩展SD卡设备之后通过SD卡可以将监测数据读入到电脑中。

通讯接口模块采用RS485通讯方式，这种通讯方式的通用性强，便于对通讯接口进行扩展。可以选用芯片作为通讯控制芯片，通讯控制芯片与微处理器的通用异步接收端UART0进行通讯。

数据存储模块采用EEPROM存储芯片完成系统的储存功能，存储芯片与微处理器的SPI1接口连接实现数据通讯。

液晶显示模块是采用通用的液晶显示屏，用以显示发电量的实测数据及预测数据。

本发明具有两种工作模式：独立模式和通讯模式。工作于独立模式时，可以通过扩展SD卡读取相关监测历史数据，液晶显示器显示发电量实测数据及预测数据，该模式适用于户用型或者实验用小型光伏发电系统；工作于通讯模式时，本发明成为监测系统的下端网络，通过通讯接口模块扩展可以实现下端网络与上位机监控中心的通讯，该模式适用于大型光伏发电系统对监控要求较高的场合。两种模式之间的切换是通过本发明中设计的切换按钮及由主控芯片通过软件控制实现的。

图2A是本发明中的软件控制程序框图。系统初始化后，首先判断新的一天是否开始，新的一天开始之后检测此时用户选择的运行模式。根据检测的用户运行模式选择结果，执行相应运行模式的子程序。当判断得到一天结束时，主控芯片模块调用植入到微处理器中具有发电量预测功能的BP神经网络模型，用监测的环境参数历史数据及实测发电量历史数据对拓扑结构模型进行训练，然后对第二天的发电量进行预测，得到的第二天24个时刻的发电量数据首先存储在数据存储芯片中以备后用，然后送往液晶显示屏与从数据存储模块中读出的当日发电量实测数据一起进行显示。

图2B是独立模式子程序，其运行过程如下：启动定时器，定时时间为n，即是间隔n时间对相关参数进行一次采集。达到定时n时间之后，开始执行组件温度、环境温度、太阳辐照量、风速、光伏阵列输出电流及电压等监测参数相对应的采集及处理子程序，参数采集完成之后计算发电量计算及进行数据储存，需要存储的数据包括组件温度、环境温度、太阳辐照量、风速及发电功率。数据存储完成之后开始下一个参数采集间隔时间的定时，达到定时时间n之后又开始执行相关的参数采集及处理子程序，如此循环，直到主程序判断一天结束之时为止。

图2C是通讯模式子程序，其运行过程如下：进入通讯模式之后首先设置串行口中断为高优先级，当上位机监控中心发出中断请求信号，优先响应串行口中断，根据上位机监控中心发出的信号，判断信号的类型，如果是请求数据发送，则将相应存储单元数据发给上位机监控中心；如果信号是指令，则按照指令要求执行相应的子程序，随后转回断点继续执行独立模式子程序。

其中，本发明采用的是BP神经网络模型对发电量进行预测，该BP神经网络模型采用96个输入变量，其中24个输入为前一天24个时刻的光伏发电量历史数据，余下72个分别是当日24个时刻的太阳辐照量、环境温度和风速。本模型的输出节点有24个，即是第二日24个时刻的光伏发电量。将具有这种拓扑结构的BP神经网络发电量预测模型植入到主控芯片模块中。

其中，BP神经网络模型的训练流程如图4所示。基本流程如下：1)从监测到的数据中取出24个时刻的数据，接着进行数据归一化处理，归一化处理之后将数据输入到网络中；2)由网络分别计算各层节点的输出；3)计算网络的实际输出和期望输出的误差。4)从输出层反向计算到第一隐层，根据一定原则向减小误差方向调整网络的各个连接权值。5)对训练样例集中的每一个样例重复以上步骤，直到对整个训练样集的误差达到要求为止。

Claims

1.一种具有发电量预测功能的双模式光伏监控仪，其特征在于，至少包括：

信号采集及调理模块，至少用于采集及调理环境温度、、风速、组件温度、光伏阵列的输出电流、光伏整列的输出电压等信号；

主控芯片模块及与其相连的通讯接口模块、数据存储模块、液晶显示模块，主控芯片模块用于接收并处理通过信号采集及调理模块采集到的数据，并控制监控仪在独立模式和通讯模式之间切换；当监控仪工作于独立模式时，由主控芯片模块实现接收信号采集及调理模块采集到的监控数据并将数据存入数据存储模块，计算当日发电量并将数据存入数据存储模块，根据监测得到的历史数据及计算得到的历史发电量数据对后期发电量进行预测，此外，控制液晶显示模块实现对发电量实测数据及发电量预测数据的显示；当监控仪工作于通讯模式时，通过扩展通讯接口模块后，主控芯片模块控制实现整个监控仪与上位机监控中心的通讯，并在上位机中接收下端网络传输的监测历史数据实现对光伏发电系统后期发电量的预测；

电源模块，为信号采集及调理模块、主控芯片模块、液晶显示模块、数据存储模块及通讯接口模块提供电源。

2.如权利要求1所述的一种具有发电量预测功能的双模式光伏监控仪，其特征在于：所述信号采集及调理模块至少包括环境温度传感器、组件温度传感器、风速传感器、电流检测及调理电路、电压检测及调理电路与辐照量传感器，环境温度传感器与组件温度传感器连接各自的调理电路后与A/D转换模块相连，A/D转换模块连接所述主控芯片模块，风速传感器与辐照量传感器连接各自的调理电路后直接与所述主控芯片模块相连，电流检测及调理电路与电压检测及调理电路直接对光伏阵列的输出电流与输出电压进行采样后送至所述主控芯片模块。

3.如权利要求2所述的一种具有发电量预测功能的双模式光伏监控仪，其特征在于：所述主控芯片模块选用的ST公司的型号为STR711FR2的ARM32位微处理器，与所述辐照量传感器相连的调理电路、所述电流检测及调理电路与所述电压检测及调理电路的输出端连接该微处理器的ADC输入端，与所述风速传感器相连的调理电路的输出端连接该微处理器的外部时钟输入端，所述A/D转换模块的输出端连接该微处理器的SPI端口，该微处理器至少扩展SD卡设备和/或总线接口。

4.如权利要求3所述的一种具有发电量预测功能的双模式光伏监控仪，其特征在于：所述微处理器通过外扩的所述SD卡设备读取监控仪监测的历史数据。

5.如权利要求1所述的一种具有发电量预测功能的双模式光伏监控仪，其特征在于：所述电源模块至少包括工作芯片电源单元、外部电源接口及调理单元及电源管理芯片单元，外部电源通过外部电源接口及调理单元输入并调理，由电源管理芯片单元将调理后的电源转换为不同的工作电源电压，不同的工作电源电压输出后为液晶显示屏及其他芯片提供电源。