CN103560584B - 一种基于无线的光伏电站状态监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明特别涉及一种基于无线的光伏电站状态监测装置，该装置包括第一电源模块、第二电源模块、RS485电平转换模块、主控模块、GPRS/CDMA网络模块，存储模块，看门狗模块；数据采集模块通过RS485总线采集光伏电站系统信息，同时状态监测模块检查逆变器状态及网络状态，数据转发模块根据装置逆变器状态及网络状态的不同采取不同的发送策略，保证数据的完整性及减少网络流量；本发明利用无线技术，与传统的有线监测的装置相比，大大降低了布线成本及安装成本，同时与现有的利用GPRS数据传输节点比较，可靠性大大加强，更适合与长期户外的工作环境，同时也极大得降低传输数据，节省网络资费。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电领域及通信领域的装置，特别是一种基于无线的光伏电站状态监测装置。
背景技术
随着石化能源危机及温室效应导致地球气候的恶劣，可再生能源作为事关人类持续增长的重大问题越来越受到关注，太阳能光伏发电技术近年来不断成熟和普及。
光伏电站大多分布在荒漠、草原等地区，一般都是在无人值守的情况下运行，因此，采用远程监控技术可降低光伏发电系统的运行成本和风险，具有重要的工业价值。
目前采用的监控技术主要分为有线及无线两种，有线监控通过通讯总线实现远距离传输，具有实时性好、抗干扰强的特点，但是系统安装复杂、布线成本高，尤其在偏远地区实施难度大。而无线的方式安装简单、传输距离远。
经对现有文献检索发现，目前多数对光伏电站的无线监控方式采用GPRS信号传输，例如：公开日为：2012年5月23日，中国专利申请号为：CN201120371719.8的实用新型专利申请，名称为：利用GSM无线通信网络的光伏电站监控系统，该技术方案通过跟踪系统控制器、监控计算机及通信模块采集、发送监测数据，成本过高，不适用于分布式光伏电站。
又经检索发现公开日为：2012年5月23日，中国专利申请号为CN201010219427.2的发明专利申请，名称为：太阳能光伏发电系统网络监控管理平台，该技术方案提及的光伏设备数据采集器，包括通讯模块、电源管理模块、数据存储模块和无线发射模块，通讯模块包括GPRS模块、有线TCP/IP模块、无线WIFI模块、3G模块和蓝牙模块。该装置通讯模块多，成本高。同时，根据GPRS实际使用情况看，这类装置最大的问题是如何保证监测装置的长时间稳定运行，很多情况下需要人为断电重启才能恢复运行。进一步，如果利用芯片本身的看门狗也不能解决问题，因为芯片出错后，看门狗同时也会失效。而简单地添加外部看门狗，则能实现软重启，但最恶劣的情况是，GPRS网络模块软重启也无法解决问题的时候必须采用断电重启的方式。目前为止并未发现有光伏电站状态采集装置包含该功能。
另外，该设备未包含CDMA网络模块，在某些中国北方尤其是日照较好的农村，GPRS网络覆盖率远不如CDMA。利用统一的接口能很好的解决设备的通用性的问题。
同时，该模块不含主控模块，无法对数据进行分析处理，一旦断网，当前数据只能丢掉。进一步，光伏逆变器的状态信息变化并不大，采用差量传输的方式，当本地数据变化达到一定标准时才进行传输，能大大减少网络流量，节省后期用户成本。
目前并未发现适用于户外、恶劣工作环境的基于GPRS/CDMA无线网络技术的光伏电站监测装置的具体实现的相关文献。
已知的基于无线的光伏电站状态采集装置仍然存在着网络接口仅限于GPRS网络模块，在北方等日照情况好的条件下网络覆盖不佳的问题；同时，工作稳定性不高，无法长时间正常运行，不适合无人维护的情况；还有就是网络传输流量大，后期网络资费偏高。
发明内容
本发明的目的在于解决分布式光伏电站的状态监控问题，分布式光伏逆变器往往部署在荒漠、草原等地区，普遍存在着没有网络、难于集中管理的问题，提供了一种用于工作环境恶劣、无专业人员维护的基于无线的光伏电站状态监测装置，该装置安装于光伏逆变器旁，用以采集光伏逆变器电流、电压等参数以及对光伏逆变器功率保护值的设置。
本发明的技术方案如下：
一种基于无线的光伏电站状态监测装置，其特征在于：
包括第一电源模块、第二电源模块、RS485电平转换模块、主控模块、GPRS或者CDMA网络模块、存储模块、看门狗模块；
所述第一电源模块与主控模块连接，用于提供RS485电平转换模块、主控模块、GPRS或者CDMA网络模块、存储模块的电源；
所述第二电源模块与看门狗模块连接，用于提供看门狗模块的电源；
主控模块分别与RS485电平转换模块、看门狗模块、存储模块、GPRS或者CDMA网络模块通信连接；
RS485电平转换模块，用于分别与光伏电站、主控模块通信连接；
看门狗模块分别与主控模块、GPRS或者CDMA网络模块通信连接。
所述主控模块包括四个子模块：数据采集模块、数据转发模块、状态监测模块、内存模块；
数据采集模块与RS485电平转换模块、内存模块、数据转发模块通信连接；
数据转发模块分别与状态监测模块、数据采集模块、内存模块、存储模块、GPRS或者CDMA网络模块通信连接；
状态监测模块分别与看门狗模块、内存模块、GPRS或者CDMA网络模块通信连接；
内存模块分别与数据采集模块、数据转发模块、状态监测模块通信连接。
数据采集模块通过RS485电平转换模块采集光伏电站的状态信息，存入内存模块；所述光伏电站的状态信息包括光伏电站的直流电压、并网电流、当前功率。
状态监测模块的工作内容包括：1.定时与看门狗模块进行通信，通知看门狗模块关于所述光伏电站状态监测装置的各部分工作情况；2.检测GPRS或者CDMA网络状态，将网络状态通知数据转发模块；3.监测光伏电站的状态，通过读取数据采集模块采集的数据，判断光伏电站属于工作或者停止及故障状态。
数据转发模块的工作内容包括：首先与状态监测模块进行通信，获取光伏电站的状态及网络状态；
当光伏电站及网络同时正常时，检查存储模块中是否有未发送的数据，如果有未发送的数据，则将存储模块中缓存的数据通过网络发送到监控中心；再检查主控模块内存中是否有未发送的数据，如果有未发送的数据，将内存中的数据通过网络发送到监控中心；
当光伏电站工作正常而网络异常时，则检测主控模块内存中是否有未发送数据，如有，则将内存中的数据转发到存储模块中进行存储；
当光伏电站停止工作或者故障而网络正常时，发送光伏电站故障或停止状态的命令给监控室，然后停止发送网络数据，并将主控模块中的内存数据转发给存储模块缓存，直至监测到光伏电站重新正常工作；
当光伏电站停止工作或者故障而网络也不正常时，将主控模块中的内存数据转发给存储模块缓存，直至监测到光伏电站重新正常工作。
所述看门狗模块采用工业单片机，且单独供电，与主控模块中的状态监测模块进行通信，根据所述装置及网络状态的不同采取不同的重启策略。
看门狗模块的工作内容包括：与主控模块中的状态监测模块通信，获得网络状态、光伏电站的状态及所述装置的工作状态；如果网络出现问题，并在一定时间内无法恢复，首先重启GPRS或者CDMA网络模块，如果问题还是无法解决，通过控制第一电源模块关断主控模块、GPRS或者CDMA网络模块、存储模块、RS485电平转换模块电源，等待一段时间后重新上电；如果所述装置仍然无法恢复，则看门狗控制第一电源模块每隔一段时间重新断电上电一次，直到网络正常；如果主控模块出现异常，则软复位主控模块。
所述存储模块通过SPI接口与主控模块连接，将通过RS485电平转换模块采集的光伏电站数据进行缓存。
所述GPRS或者CDMA网络模块将主控模块通过串行接口传输的数据通过GPRS网络或者CDMA网络发送给监控中心；所述GPRS或者CDMA网络模块采用统一的串行接口，保证接口的通用性，根据装置使用环境使用GPRS或者CDMA模块及SIM卡。
所述第一电源模块包括Micrel 公司的MIC29302及TI公司的TPS7333两个电源芯片，这两个电源芯片均带有控制开断功能。
所述第二电源模块包括TI公司的LM1117芯片。
所述的主控模块包括ST公司的STM32F103ZET6芯片。
本发明的有益效果如下：
本发明可以用以采集光伏电站的电流、电压等参数以及对光伏电站功率保护值的设置；第二电源模块保证了监控电路路的可靠性，可以单独控制主芯片以及网络模块的电源，对异常情况进行断电复位；看门狗电路对网络、光伏电站状态以及装置的工作状态进行检测，针对不同的问题采取不同的措施，最大程度保证装置的可靠运行；特别适合无人值守下的光伏电站监控。
附图说明
图1是本发明的组成示意图
图2是本发明数据采集模块的工作流程示意图
图3是本发明网络状态监测模块的工作流程示意图
图4是本发明的光伏电站监测流程示意图
图5是本发明数据转发模块的工作流程示意图
图6是本发明看门狗模块的工作流程示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明的装置进行进一步描述。
实施例1
如图1所示，基于无线的光伏电站状态监测装置，包括主控模块1，RS485电平转换模块6，存储模块7，GPRS或者CDMA网络模块8，第一电源模块10，第二电源模块11，看门狗模块9，其中主控模块包括数据采集模块2，数据转发模块3，内存模块4，状态监测模块5。
其中RS485电平转换模块与光伏电站12相连，通过RS485协议采集光伏电站状态。第一电源模块及第二电源模块与外部电源13连接。GPRS或者CDMA网络模块8通过无线网络与基站14进行通信，将监测数据传送给监控中心15。
所述的第一电源模块10包括MIC29302及TPS7333，这两个电源芯片均带有控制开断功能，对主控模块、GPRS或者CMDA网络模块、存储模块、RS485电平转换模块进行供电。
所述的第二电源模块11包括LM1117芯片，对看门狗模块单独供电。
所述的主控模块1包括STM32F103ZET6芯片，内部包括数据采集模块2、数据转发模块3、状态监测模块5及内存模块4。
主控模块1的工作步骤如下：
数据采集模块2工作流程如下：通过RS485电平转换模块，采集光伏电站状态信息，包括直流电压、并网电流，当前功率，存入主控模块内存模块中。流程如图2所述。
状态监测模块5工作流程分为三个部分，网络状态监测，光伏电站监测，与看门狗模块9通信。与看门狗模块9持续通信，通知看门狗模块9装置运行状态，一旦异常会导致看门狗模块9对装置进行重启。网络状态监测模块流程如图3所示：对GPRS或者CDMA网络模块8进行初始化，成功后发送建立连接的AT指令，如果模块返回OK指令，同时，每隔一定时间发送一个心跳包，收到ACK响应正确则判断网络整体正常。光伏电站监测流程如图4：读取存储在内存模块4的采集数据，判断数据是否为光伏电站12正常工作状态数据，确定光伏电站12属于工作、停止或故障状态。
数据转发模块3工作流程如图5所示：首先与状态监测模块5进行通信，获取网络状态。当网络状态正常时，读取存储模块7数据，判断是否有未发送数据，如有，则将数据发送给GPRS或者CDMA网络模块8。紧接着，获取光伏电站状态。如果光伏电站12处于正常工作状态，则读取内存模块4数据，判断是否有未发送数据，同时判断采集数据与上次数据的变化值是否大于设定值，满足以上条件后，将数据发送给GPRS或者CDMA模块8。当网络正常但光伏电站处于停止或故障状态时，则发送停止或者故障状态标记值，同时读取内存模块4数据，将数据存储在存储模块7中。当监测到网络处于断网状态时，再紧接着判断光伏电站状态，光伏电站12正常工作时，读取内存模块4数据，将未转发的数据发送到存储模块7中进行缓存。而网络断网且光伏电站处于停止或故障状态时，则在存储模块7中记录停止或故障状态标志位。
所述的GPRS或者CDMA网络模块包括华为MG323模块或者MC323模块，这两种模块接口兼容，可以根据当地的网络情况择优选择。
所述的看门狗模块采用包括89C51芯片，与状态监测模块进行通讯，针对不同的异常状态采用不同的重启机制。工作流程如图6所示：与状态监测模块进行通讯，获取网络及装置运行状态。如果装置状态异常，则重启主控模块。再判断网络状态，如果网络状态异常，则等待5分钟，此时状态监测模块会尝试重新拨号，如果5分钟后仍未恢复，则对RS485电平转换模块，主控模块，GPRS或者CDMA网络模块，存储模块进行断电处理，30秒后重新上电。如果上电后网络状态仍然异常，则每24小时重新上电一次。
存储模块采用W25X16芯片，16M bit SPI接口 flash。主控模块通过SPI接口存储数据。
Claims (8)
1.一种基于无线的光伏电站状态监测装置，其特征在于：
包括第一电源模块、第二电源模块、RS485电平转换模块、主控模块、GPRS或者CDMA网络模块、存储模块、看门狗模块；
所述第一电源模块与主控模块连接，用于提供RS485电平转换模块、主控模块、GPRS或者CDMA网络模块、存储模块的电源；
所述第二电源模块与看门狗模块连接，用于提供看门狗模块的电源；
主控模块分别与RS485电平转换模块、看门狗模块、存储模块、GPRS或者CDMA网络模块通信连接；
RS485电平转换模块，用于分别与光伏电站、主控模块通信连接；
看门狗模块分别与主控模块、GPRS或者CDMA网络模块通信连接；
所述主控模块包括四个子模块：数据采集模块、数据转发模块、状态监测模块、内存模块；数据采集模块与RS485电平转换模块、内存模块、数据转发模块通信连接；数据转发模块分别与状态监测模块、数据采集模块、内存模块、存储模块、GPRS或者CDMA网络模块通信连接；状态监测模块分别与看门狗模块、内存模块、GPRS或者CDMA网络模块通信连接；内存模块分别与数据采集模块、数据转发模块、状态监测模块通信连接；
数据转发模块的工作内容包括：首先与状态监测模块进行通信，获取光伏电站的状态及网络状态；
当光伏电站及网络同时正常时，检查存储模块中是否有未发送的数据，如果有未发送的数据，则将存储模块中缓存的数据通过网络发送到监控中心；再检查主控模块内存中是否有未发送的数据，如果有未发送的数据，将内存中的数据通过网络发送到监控中心；
当光伏电站工作正常而网络异常时，则检测主控模块内存中是否有未发送数据，如有，则将内存中的数据转发到存储模块中进行存储；
当光伏电站停止工作或者故障而网络正常时，发送光伏电站故障或停止状态的命令给监控室，然后停止发送网络数据，并将主控模块中的内存数据转发给存储模块缓存，直至监测到光伏电站重新正常工作；
当光伏电站停止工作或者故障而网络也不正常时，将主控模块中的内存数据转发给存储模块缓存，直至监测到光伏电站重新正常工作。
2.根据权利要求1所述的基于无线的光伏电站状态监测装置，其特征在于：数据采集模块通过RS485电平转换模块采集光伏电站的状态信息，存入内存模块；所述光伏电站的状态信息包括光伏电站的直流电压、并网电流、当前功率。
3.根据权利要求1所述的基于无线的光伏电站状态监测装置，其特征在于：所述状态监测模块根据内存模块中的光伏电站的数据判断光伏电站的状态，再判断GPRS或者CDMA网络状态，并将状态值传给看门狗模块。
4.根据权利要求3所述的基于无线的光伏电站状态监测装置，其特征在于：所述状态监测模块具体工作内容包括：定时与看门狗模块进行通信，通知看门狗模块关于所述光伏电站状态监测装置的各部分工作情况；检测GPRS或者CDMA网络状态，将网络状态通知数据转发模块；监测光伏电站的状态，通过读取数据采集模块采集的数据，判断光伏电站属于工作或者停止及故障状态。
5.根据权利要求1所述的基于无线的光伏电站状态监测装置，其特征在于：所述看门狗模块采用工业单片机，与主控模块中的状态监测模块进行通信，根据所述装置及网络状态的不同采取不同的重启策略。
6.根据权利要求5所述的基于无线的光伏电站状态监测装置，其特征在于：看门狗模块的工作内容包括：与主控模块中的状态监测模块通信，获得网络状态、光伏电站的状态及所述装置的工作状态；如果网络出现问题，并在一定时间内无法恢复，首先重启GPRS或者CDMA网络模块，如果问题还是无法解决，通过控制第一电源模块关断主控模块、GPRS或者CDMA网络模块、存储模块、RS485电平转换模块电源，等待一段时间后重新上电；如果所述装置仍然无法恢复，则看门狗控制第一电源模块每隔一段时间重新断电上电一次，直到网络正常；如果主控模块出现异常，则软复位主控模块。
7.根据权利要求1所述的基于无线的光伏电站状态监测装置，其特征在于：所述存储模块通过SPI接口与主控模块连接，将通过RS485电平转换模块采集的光伏电站数据进行缓存。
8.根据权利要求1所述的基于无线的光伏电站状态监测装置，其特征在于：所述GPRS或者CDMA网络模块将主控模块通过串行接口传输的数据通过GPRS网络或者CDMA网络发送给监控中心；所述GPRS或者CDMA网络模块采用统一的串行接口，保证接口的通用性，根据装置使用环境使用GPRS或者CDMA模块及SIM卡。
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