CN104038154A - 太阳能光伏阵列故障自动检测系统及其检测方法 - Google Patents

太阳能光伏阵列故障自动检测系统及其检测方法 Download PDF

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江道节
杜冠男
李威
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雷崇民
牛勇
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马行
穆春阳
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Abstract

本发明提供一种太阳能光伏阵列故障自动检测系统及其检测方法。其中检测系统包括通过互联网相互连接的数据采集器，监控终端和数据存储终端；数据采集器包括依次连接的电压采集模块、模数转换模块、无线传输模块和GSM模块；电压采集模块包括通过采集端口连接在太阳能光伏阵列上的单片机，模数转换模块连接在采集端口部分引脚与单片机输入端之间，单片机的输出端通过无线传输模块与GSM模块连接；GSM模块通过GSM网络连接到互联网；其中检测方法通过对光伏阵列的合理划分，使每一数据采集器能够充分使用，并且通过同一光伏电板矩阵中电压信号的对比，对故障进行筛选和识别，并对应的生成状态信号，从而在保证精度的同时减少了数据处理量。

Description

太阳能光伏阵列故障自动检测系统及其检测方法
技术领域
本发明涉及故障检测系统及方法，具体为一种太阳能光伏阵列故障自动检测系统及其检测方法。
背景技术
伴随着煤、石油等不可再生能源的日益枯竭，新能源的开发成为摆在人们面前的当务之急；尤其是传统能源的大量消耗而产生的环境问题越来越严重，例如最近在我国出现的雾霾天气，治理环境的所需的费用也是一个天文数字。所以，新能源的开发和利用也越来越受到人们的重视，其中太阳能的开发和利用就是其中的一个代表。
最近十年光伏产业发展迅速，为了给全社会提供更多的、清洁的能源，在国家政策的支持下，光伏电厂应运而生。我们知道，光伏电厂是由很多的光伏矩阵组成，每个光伏矩阵又由很多的光伏电板组成。但是当光伏电板长时间暴露在室外的环境中，风吹雨淋，难免会出现部分光伏电板不能正常工作。这样就会降低光伏电厂的发电效率，甚至会对整个光伏电厂的并网系统产生影响。为了检测出存在故障的光伏电板，现有的方法会消耗很大的人力财力，经济性差。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够实时检测，自动上报，远程监控的太阳能光伏阵列故障自动检测系统及其检测方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明太阳能光伏阵列故障自动检测系统，包括通过互联网相互连接的数据采集器，监控终端和数据存储终端；数据采集器包括依次连接的电压采集模块、模数转换模块、无线传输模块和GSM模块；电压采集模块包括通过采集端口连接在太阳能光伏阵列上的单片机，模数转换模块连接在采集端口部分引脚与单片机输入端之间，单片机的输出端通过无线传输模块与GSM模块连接；GSM模块通过GSM网络连接到互联网；单片机为单片机STC15F2K60S2，模数转换模块包括模数转换芯片AD0809；采集端口设置有14个输出引脚，其中6个输出引脚直接连接在单片机STC15F2K60S2的模拟量输入端口，剩余8个输出引脚连接至模数转换芯片AD0809的模拟量输出端，模数转换芯片AD0809的数字量输出端口连接到单片机STC15F2K60S2的数字量输入端口；采集端口的输出引脚上分别设置有接地连接的滤波电容。
优选的，单片机STC15F2K60S2上连接有外部震荡电路和滤波电路，并通过烧写端口与MAX3232芯片连接。
优选的，无线传输模块包括N606芯片，N606芯片的RESET端和信号输入端分别与单片机STC15F2K60S2连接。
优选的，GSM模块采用CE0682通讯模块。
本发明太阳能光伏阵列故障自动检测方法，包括如下步骤，
步骤1，将4～10个光伏板组成一个光伏电板矩阵，若干光伏电板矩阵组成太阳能光伏阵列，在每个光伏电板矩阵上安装一个数据采集器；数据采集器包括依次连接的电压采集模块、模数转换模块、无线传输模块和GSM模块；电压采集模块包括通过采集端口连接在太阳能光伏阵列上的单片机，单片机中烧写有ID编号；模数转换模块连接在采集端口部分引脚与单片机输入端之间，单片机的输出端通过无线传输模块与GSM模块连接；GSM模块通过GSM网络连接到互联网；
步骤2，对数据采集器上电后初始化，利用模数转换模块和电压采集模块中的单片机采集光伏电板的电压模拟量，通过模数转换模块和单片机将模拟量转换为数字量并将其存储到单片机内；
步骤3，单片机将存储的电压数据中的最大值取出，然后将其他电压值分别和最大值进行比较；若光伏电板对应的电压值正常，则产生一个正常状态检测信号并将与其对应光伏电板的电压数据以及ID编号打包；若光伏电板对应的电压值为0或低于最大值的70％，则产生一个异常状态检测信号并将与其对应光伏电板的电压数据以及ID编号打包；
步骤4，将打包好的数据通过无线传输模块发送到GSM模块，GSM模块经GSM网络连接到互联网并将数据发送到数据存储终端保存，数据采集器进入休眠，等待下一次电压数据采集和发送；监控终端通过互联网访问数据存储终端将数据解析为对应的文本信息，实时监测光伏电板的状态信息。
优选的，正常状态检测信号采用二进制代码中的1，异常状态检测信号采用二进制代码中的0；或者正常状态检测信号采用二进制代码中的0，异常状态检测信号采用二进制代码中的1。
优选的，步骤4中，当无线传输模块向GSM模块发送打包数据后，监测是否发送成功，若发送成功则进入休眠状态，等待下一次工作；若发送失败则再发送一次，直至发送成功。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述的自动检测系统，通过若干数据采集器实现对光伏阵列中光伏电板电压信息的实时采集，并且能够及时的通过GSM网络传输到互联网并储存在数据存储终端中，利用监控终端对数据存储终端中数据实现访问，从而完成对故障的自动检测和上报，为故障的及时发现和处理，提供了精准可靠的数据，为光伏电板的及时更换和维护提供支持；并且通过特定型号单片机的设置，能够保证对多路数据的同时采集和发送，提高了工作效率，降低了系统成本，确保了数据采集和处理的精度。
进一步的，利用设置的外部震荡电路和滤波电路保证了单片机的工作电压稳定可靠，提高了系统的可靠性。
进一步的，利用与无线传输模块的对应连接，能够使得数据及时的传输和发送，并且实现对无线传输模块的复位控制和可靠的信号通信。
本发明所述的方法，通过对光伏阵列的合理划分，使每一数据采集器能够充分使用，并且通过同一光伏电板矩阵中电压信号的对比，对故障进行筛选和识别，并对应的生成状态信号，从而在保证精度的同时减少了数据处理量，直接在采集端实现数据的初步处理，然后进行传输和发送，并储存到数据存储终端，供监测终端监测使用。
进一步的，利用最简单的二进制代码显示状态信号的标示，减少了数据处理量，以及提高了检测效率；利用数据发送状态的检查保证了数据传输的可靠性和稳定性，保证了检测的实时性和有效性。
附图说明
图1为本发明实施例中所述数据采集器的电路结构原理示意图。
图2为本发明实施例中所述电压采集模块的电路结构原理示意图。
图3为本发明实施例中所述模数转换模块的电路结构原理图。
图4为本发明实施例中所述无线传输模块的电路结构原理图。
图5为本发明实施例中所述自动检测方法的流程框图。
图6为本发明实施例中所述系统的工作原理结构图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明太阳能光伏阵列故障自动检测系统，如图6所示，包括通过互联网相互连接的数据采集器，监控终端和数据存储终端；所述的数据采集器包括依次连接的电压采集模块、模数转换模块、无线传输模块和GSM模块；如图1所示，电压采集模块包括通过采集端口连接在太阳能光伏阵列上的单片机，模数转换模块连接在采集端口部分引脚与单片机输入端之间，单片机的输出端通过无线传输模块与GSM模块连接；GSM模块通过GSM网络连接到互联网；单片机为单片机STC15F2K60S2，模数转换模块包括模数转换芯片AD0809；采集端口设置有14个输出引脚，其中6个输出引脚直接连接在单片机STC15F2K60S2的模拟量输入端口，剩余8个输出引脚连接至模数转换芯片AD0809的模拟量输出端，模数转换芯片AD0809的数字量输出端口连接到单片机STC15F2K60S2的数字量输入端口；采集端口的输出引脚上分别设置有接地连接的滤波电容。
本优选实施例中，单片机STC15F2K60S2上连接有外部震荡电路和滤波电路，并通过烧写端口与MAX3232芯片连接；无线传输模块包括N606芯片，N606芯片的RESET端和信号输入端分别与单片机STC15F2K60S2连接。GSM模块采用CE0682通讯模块。
本发明太阳能光伏阵列故障自动检测方法，如图5所示，包括如下步骤，
步骤1，将4～10个光伏板组成一个光伏电板矩阵，若干光伏电板矩阵组成太阳能光伏阵列，在每个光伏电板矩阵上安装一个数据采集器；数据采集器包括依次连接的电压采集模块、模数转换模块、无线传输模块和GSM模块；电压采集模块包括通过采集端口连接在太阳能光伏阵列上的单片机，单片机中烧写有ID编号；模数转换模块连接在采集端口部分引脚与单片机输入端之间，单片机的输出端通过无线传输模块与GSM模块连接；GSM模块通过GSM网络连接到互联网。
步骤2，对数据采集器上电后初始化，利用模数转换模块和电压采集模块中的单片机采集光伏电板的电压模拟量，通过模数转换模块和单片机将模拟量转换为数字量并将其存储到单片机内。
步骤3，单片机将存储的电压数据中的最大值取出，然后将其他电压值分别和最大值进行比较；若光伏电板对应的电压值正常，则产生一个正常状态检测信号并将与其对应光伏电板的电压数据以及ID编号打包；若光伏电板对应的电压值异常，则产生一个异常状态检测信号并将与其对应光伏电板的电压数据以及ID编号打包。
步骤4，将打包好的数据通过无线传输模块发送到GSM模块，GSM模块经GSM网络连接到互联网并将数据发送到数据存储终端保存，数据采集器进入休眠，等待下一次电压数据采集和发送；监控终端通过互联网访问数据存储终端将数据解析为对应的文本信息，实时监测光伏电板的状态信息。
其中，正常状态检测信号采用二进制代码中的1，异常状态检测信号采用二进制代码中的0；或者正常状态检测信号采用二进制代码中的0，异常状态检测信号采用二进制代码中的1。步骤4中，当无线传输模块向GSM模块发送打包数据后，监测是否发送成功，若发送成功则进入休眠状态，等待下一次工作；若发送失败则再发送一次，直至发送成功。
具体的，将本发明所述的方法与系统结合后，如图2所示，电压采集模块能够将光伏电板的电压的模拟值采集到单片机中，其IN0～IN7为模拟量的输入端，D0～D7为数字量的输出端口。
如图3所示，本发明所述的自动检测系统能够采集14块光伏电板电压的模拟量，由于多次谐波对弱电系统的干扰特别严重，因此为减少谐波对弱电系统产生的干扰，本系统在电压的采集端介入滤波电容C4～C17，滤掉一些多次干扰，确保采集电压的准确性。经过模数转换芯片，可以将电压的模拟量转化为数字量。本优选实例以模数转换芯片AD0809为例，在采集端口的7～11引脚上的电压模拟量作为模数转换芯片AD0809的输入，接到芯片AD0809IN0～IN7引脚，ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0～IN7上的一路模拟量输入；例如，当CBA为000是选择的是IN0，此时，IN0端输入的电压的模拟量就会被转化为数字量。ST为转换启动信号，当ST由低电平跳转到高电平时，所有内部寄存器清零；由高电平跳转到低电平时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号，当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出端口，连接到单片机上。
如图2所示，本优选实例以单片机STC15F2K60S2为例，光伏电板电压模拟量的采集端1～6引脚直接接到单片机STC15F2K60S2的P1.0～P1.5端。单片机STC15F2K60S2本身也集成了模数转换模块，但是由于单片机本身用于模数转换的引脚只有8个，因此需要引入模数转换芯片AD0809，这样就同时采集更多光伏电板的电压信息。AD0809模数转换芯片的数字量输出端口D0～D7连接到单片机的P0.0～P0.7。数模转换后的电压数字量被保存在单片机STC15F2K60S2中，处理这些数据的软件被烧写到单片机上，软件烧写完成后，每个数据采集器就有了一个独有的ID编号。单片机会对ID编号和采集到的电压的数字量信息经行打包处理。
如图2所示，单片机STC15F2K60S2连接有电容C29、C30和晶振Y1构成的外部震荡电路，电容C22～C24和电阻R10构成的一个滤波电路，从而保证单片机的工作电压为5V，P3.0和P3.1为单片机程序烧写端口，和MAX3232芯片相连，P4.0连接的是无线传输模块的RESET端，复位N606模块，本优选实例以N606芯片为例；P1.0和P1.1为单片机的信息的输出端，连接到N606芯片，用于单片机和无线传输模块之间的通信。
如图4所示，N606芯片的无线传输功能，就能将电压的数字量和ID编号发送出去，N606芯片发射出去的电压的数字信息和数据采集器的ID编号会被GSM模块上的另一个N606芯片接受。与单片机练级的N606芯片上的RX与TX引脚与单片机上P3.5和P1.1端相连，IO/1引脚与P3.3相连，这样单片机就能够把得到的电压数字信息传输给N606芯片并唤起N606片的工作状态。GSM模块优选的采用CE0682通讯模块，接受的光伏电板的电压数字量和ID编号的压缩数据包后就会发送到2G/3G网络，并通过互联网将数据保存在数据存储终端里，本优选实例中采用数据库作为数据存储终端。
通过监控终端访问数据库，将数字电压信号的电压值和ID编号解析模拟量到监控终端中，维护人员可以登录监控终端就能够掌握工作中的光伏电板的电压值，从而能够及时的对故障的光伏电板进行维修。
工作时，在每个光伏电板矩阵由4～10个光伏电板组成，对应每隔光伏电板矩阵安装一个数据采集器。这个数据采集器的作用就是采集将各个光伏电板产生的电压，并且储存后进行比较，如果一个光伏电板出现故障电压为0或者电压低于其它电板电压最大值的70％，那就通过N606模块发送一个二进制代码1，正常工作的就发送一个二进制代码0，所有光伏电板的状态信息都会通过无线传输模块和GSM模块上传后被保存在数据服务器里，监管人员就能够通过监控终端访问服务器，再将访问到的数据解析为文本信息，方便维护人员阅读电板的状态信息，及时对光伏电板实现维护，提高了发电效率，避免了不必要的经济损失。

Claims (7)

1.太阳能光伏阵列故障自动检测系统，其特征在于，包括通过互联网相互连接的数据采集器，监控终端和数据存储终端；所述的数据采集器包括依次连接的电压采集模块、模数转换模块、无线传输模块和GSM模块；电压采集模块包括通过采集端口连接在太阳能光伏阵列上的单片机，模数转换模块连接在采集端口部分引脚与单片机输入端之间，单片机的输出端通过无线传输模块与GSM模块连接；GSM模块通过GSM网络连接到互联网；
所述的单片机为单片机STC15F2K60S2，模数转换模块包括模数转换芯片AD0809；采集端口设置有14个输出引脚，其中6个输出引脚直接连接在单片机STC15F2K60S2的模拟量输入端口，剩余8个输出引脚连接至模数转换芯片AD0809的模拟量输出端，模数转换芯片AD0809的数字量输出端口连接到单片机STC15F2K60S2的数字量输入端口；采集端口的输出引脚上分别设置有接地连接的滤波电容。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏阵列故障自动检测系统，其特征在于，单片机STC15F2K60S2上连接有外部震荡电路和滤波电路，并通过烧写端口与MAX3232芯片连接。
3.根据权利要求1所述的太阳能光伏阵列故障自动检测系统，其特征在于，所述的无线传输模块包括N606芯片，N606芯片的RESET端和信号输入端分别与单片机STC15F2K60S2连接。
4.根据权利要求1所述的太阳能光伏阵列故障自动检测系统，其特征在于，所述的GSM模块采用CE0682通讯模块。
5.太阳能光伏阵列故障自动检测方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，将4～10个光伏板组成一个光伏电板矩阵，若干光伏电板矩阵组成太阳能光伏阵列，在每个光伏电板矩阵上安装一个数据采集器；数据采集器包括依次连接的电压采集模块、模数转换模块、无线传输模块和GSM模块；电压采集模块包括通过采集端口连接在太阳能光伏阵列上的单片机，单片机中烧写有ID编号；模数转换模块连接在采集端口部分引脚与单片机输入端之间，单片机的输出端通过无线传输模块与GSM模块连接；GSM模块通过GSM网络连接到互联网；
步骤2，对数据采集器上电后初始化，利用模数转换模块和电压采集模块中的单片机采集光伏电板的电压模拟量，通过模数转换模块和单片机将模拟量转换为数字量并将其存储到单片机内；
步骤3，单片机将存储的电压数据中的最大值取出，然后将其他电压值分别和最大值进行比较；若光伏电板对应的电压值正常，则产生一个正常状态检测信号并将与其对应光伏电板的电压数据以及ID编号打包；若光伏电板对应的电压值为0或低于最大值的70％，则产生一个异常状态检测信号并将与其对应光伏电板的电压数据以及ID编号打包；
步骤4，将打包好的数据通过无线传输模块发送到GSM模块，GSM模块经GSM网络连接到互联网并将数据发送到数据存储终端保存，数据采集器进入休眠，等待下一次电压数据采集和发送；监控终端通过互联网访问数据存储终端将数据解析为对应的文本信息，实时监测光伏电板的状态信息。
6.根据权利要求5所述的太阳能光伏阵列故障自动检测方法，其特征在于，所述的正常状态检测信号采用二进制代码中的1，异常状态检测信号采用二进制代码中的0；或者正常状态检测信号采用二进制代码中的0，异常状态检测信号采用二进制代码中的1。
7.根据权利要求5所述的太阳能光伏阵列故障自动检测方法，其特征在于，步骤4中，当无线传输模块向GSM模块发送打包数据后，监测是否发送成功，若发送成功则进入休眠状态，等待下一次工作；若发送失败则再发送一次，直至发送成功。
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