CN104868843A - 太阳能光伏组件阵列数据汇集装置及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置及其数据处理方法。数据汇集装置内设有数据汇集处理芯片、与数据汇集处理芯片连接的通讯组件、与数据汇集处理芯片连接的标准网口和/或USB接口、与数据汇集处理芯片连接的有线物联网接口、与数据汇集处理芯片连接的电流传感器、与数据汇集处理芯片连接的供电系统。兼备有线及无线物联网组网功能，工程适用面广。采用433无线通信模块采集太阳能光伏组件工作数据，无需使用中继器，将网络结构简化为两层结构，复杂度低易于组网，数据采集速度快实时性强。且该无线网络性能优秀，覆盖面广，下位节点容纳数量多。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置及其数据处理方法。
背景技术
目前太阳能光伏发电系统的工作数据(包括电池板工作数据、逆变器工作数据、输变电设备工作数据)是由各离散设备产生并向上位计算机系统提交。设备种类不同、生产厂家不同，其数据规格、物理接口也不一样，造成上位计算机系统软硬件接口不统一，软件开发及维护工作量大。对既有设备做型号替换升级时还需修改上位应用软件，经济成本较大且对于正在运营的电站系统而言实施安全风险大、可行性不高。同时，目前汇集太阳能光伏电池板阵列各节点工作数据时，普遍采用ZigBee无线网络，ZigBee无线网络的缺点是速度慢，实时性不高，存在“数据汇集—中继—节点”三层结构，数据汇集装置的节点接入数量有限。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种能将太阳能光伏电池板阵列工作数据、逆变器、输变电设备以及其它外设工作数据汇集提交到上层应用管理系统，且兼备有线和无线物联组网功能的太阳能光伏组件阵列数据汇集装置及其数据处理方法。
针对于本发明一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置，本发明的技术方案是：
包括数据汇集处理芯片；
与数据汇集处理芯片连接的通讯组件，用于连接监控太阳能光伏阵列每个太阳能光伏组件的监测装置，所述太阳能光伏组件串联形成太阳能光伏组串；
与数据汇集处理芯片连接的标准网口和/或WiFi接口，用于连接上层应用管理系统；
与数据汇集处理芯片连接的有线串行通信接口，用于连接逆变器、输变电设备以及其它外设中的一个或多个；
与数据汇集处理芯片连接的供电系统，用于为数据汇集装置供电。
进一步的，还包括与数据汇集处理芯片连接的电流传感器和与电流传感器并联连接的自动保护切换电路，所述电流传感器至少为一个，分别串联连接在太阳能光伏组件阵列中每个太阳能光伏组串的正负极之间，用于采集太阳能光伏组串电流，所述自动保护切换电路和电流传感器的控制端与数据汇集处理芯片连接。
进一步的，所述用于连接监测装置的通讯组件为433无线通信模块、RS485通信模块、CAN通信模块、电力线载波通信模块中的一种或多种。
进一步的，还包括与数据汇集处理芯片连接的用于检测该装置温度的温度传感器，所述温度传感器与数据汇集处理芯片连接。
针对于本发明一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置的数据处理 方法，本发明的技术方案是：
所述数据汇集处理芯片通过通讯组件从各个监测装置内获取太阳能光伏组件的电流数据、电压数据、温度数据和设备编号，通过有线串行通信接口获取逆变器、输变电设备以及其它外设的工作数据，所述数据汇集处理芯片根据太阳能光伏组件的电流数据和电压数据进行太阳能光伏组串积分发电量的计算，根据信标定位获取太阳能光伏组件行列位置与编号的对应关系，所述数据汇集处理芯片通过标准网口和/或WiFi接口将太阳能光伏组件的电流数据、电压数据、温度数据、行列位置与编号的对应关系、太阳能光伏组串积分发电量以及逆变器、输变电设备以及其它外设的工作数据传递给上位应用管理系统，实现太阳能光伏组件阵列的数据采集。
进一步的，所述数据汇集处理芯片根据所接收太阳能光伏组件的电流数据、电压数据、温度数据判断太阳能光伏组件是否存在隐患，若太阳能光伏组件存在隐患，则控制存在隐患的太阳能光伏组件所对应的自动保护切换电路接通，并将隐患状况发送至上位应用管理系统。
进一步的，所述隐患判断方式为：若数据汇集处理芯片接收到的太阳能光伏组件的电流数据、电压数据、温度数据中出现电压发生大范围波动、电流发生大范围波动、温度超过安全阈值中任意一种或多种时，则认为太阳能光伏组件存在隐患。
进一步的，采用信标定位方式确定每一个太阳能光伏组件的行列位置，其过程如下：
测算相邻两个太阳能光伏组件之间的信号衰减值作为标尺单位，任意选取至少三个监测装置作为信标向周围发送无线信号，其余监测装置接收不同信标发送的信号，在数据汇集处理芯片中将每个监测装置所接收到的来自于不同信标的强弱不同的信号与标尺单位进行比对，得出每个监测装置相对于几个信标的相对位置，根据几个信标的行列位置即可得出每一个监测装置的行列位置，从而获得与之对应的每个太阳能光伏组件的行列位置。
进一步的，所述数据汇集处理芯片通过组间错频、跳频扫描、相邻分时、信道监测、功率可调中的一种或多种组合使用防止监测装置所发送信号互相干扰。
进一步的，所述数据汇集处理芯片通过有线串行通信接口获取逆变器、输变电设备以及其它外设的工作数据，根据工作数据进行逆变器、输变电设备以及其它外设的隐患判断，并提交该工作数据和隐患判断结果至上位应用管理系统。
本发明的有益效果是：兼备有线(CAN总线、RS485总线)及无线(ISM-433Mhz，2.4Ghz)物联网组网功能，工程适用面广。采用ISM-433Mhz或2.4Ghz无线通信模块采集太阳能电池板工作数据，无需使用中继器，将网络结构简化为两层结构，复杂度低易于组网，数据采集速度快实时性强。且该无线网络性能优秀，覆盖面广，下位节点容纳数量多(汇集装置信号覆盖范围内的所有节点均可接入，不限制下位节点接入数量)。汇集太阳能电池板、逆变器、输变电设备以及其它外围设备的工作数据并通过互联网统一上报，数据接口规格一 致。由于逆变器、输变电设备以及其它外围设备处于数据汇集装置控制的最外层，在太阳能电站运营期新外设接入、旧外设替换升级时，仅需更改数据汇集装置的外层协议，而无需对电站上位机系统软件进行修改，实施安全风险低，工作简单易行。通过组间错频、跳频扫描、相邻分时、信道监测、功率可调相结合的无线网络交叠防冲突机制，适应信号交叠式组网架构，能有效防止信号相互干扰。而采用隔离型霍尔电流传感器与数据汇集装置集成的电路一体化设计，走线简洁，且能免除额外的安装工作。具有电流检测装置故障自切换旁路保护功能，能保证霍尔电流传感器在发生故障时不影响太阳能电池组串的正常发电功能。在数据汇集装置的数据汇集处理芯片上连接温度传感器，便于监测自身工作温度，起到装置的保护作用。
附图说明
图1为本发明连接原理示意图；
图2为本发明太阳能光伏组件行列位置汇集原理图；
图中：1—太阳能光伏组串，2—监测装置，3—数据汇集装置，4—上层应用管理系统，5—信标。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
太阳能光伏组件串联形成太阳能光伏组串，多个太阳能光伏组串组合的矩阵为太阳能光伏矩阵，本发明数据汇集装置的信号覆盖范围内包括多个太阳能光伏组串。在每一个太阳能光伏组件背后均固定有一个监测装置2，监测装置用于检测与之对应的太阳能光伏组件的电流、电压、温度等工作数据。如图1所示，数据汇集装置3包括数据汇集处理芯片(ARM9嵌入式MCU核心组件)；与数据汇集处理芯片连接的通讯组件即有线串行通信组件(CAN总线、RS485总线)和/或无线物联网组件(ISM-433Mhz，2.4Ghz)，数据汇集处理芯片通过有线物联或无线物联的方式与监测装置2连接，用于采集监测装置2内部的工作数据；与数据汇集处理芯片连接的标准网口和/或USB接口，在USB接口上连接WIFF网卡则可与上层应用管理系统4连接，而数据汇集装置3内的数据还可以通过在USB接口上外接U盘的方式将数据拷出备份；与数据汇集处理芯片连接的有线串行通信接口(RS322总线，RS485总线，CAN总线)，用于连接逆变器、输变电设备以及其它外设中的一个或多个；与数据汇集处理芯片连接的多个霍尔电流传感器，每个霍尔电流传感器串联连接在每个太阳能光伏组串的正负极之间，用于采集太阳能光伏组串1电流；与数据汇集处理芯片连接的供电系统，用于为数据汇集装置3供电。
数据汇集装置3内设有与霍尔电流传感器并联连接的自动保护切换电路，该自动保护切换电路串联连接在太阳能光伏组串1的正负极之间，自动保护切换电路和电流传感器的控制端与数据汇集处理芯片连接。自动保护切换电路可以是继电器、开关管等。霍尔电流传感器 采用电路一体化设计，集成在数据汇集装置3内部。而供电系统由蓄电池、电源组件和电压传感器组成，蓄电池通过电源组件与数据汇集处理芯片连接，电压传感器与电源组件连接，其输出端与数据汇集处理芯片连接。蓄电池用于提供电能，电源组件采用电阻串联分压的结构将蓄电池电压转换成数据汇集处理芯片所允许的电压范围内，通过电压传感器检测蓄电池的电压。而在数据汇集处理芯片上还连接有一个温度传感器，用于监测数据汇集装置3自身的工作温度。
本发明一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置的数据处理方法，数据汇集装置3主要是通过有线串行通信组件和/或无线物联网组件从各个监测装置2内获取数据汇集装置3信号覆盖范围内所有太阳能光伏组件的电压、电流、温度和设备编号，通过有线串行通信接口获取逆变器、输变电设备以及其它外设的工作数据，根据信标定位获取太阳能光伏组件行列位置与编号的对应关系，通过标准网口和/或USB接口将太阳能光伏组件的电压、电流、温度、行列位置与编号的对应关系、太阳能光伏组串1的积分发电量、逆变器、输变电设备以及其它外设的工作数据，传递给上位应用管理系统4，实现太阳能光伏组件阵列的数据采集。而太阳能光伏组串1的电流还可通过霍尔电流传感器进行采集。数据汇集装置3根据所接收太阳能光伏组件的工作数据判断太阳能光伏组件是否存在隐患，若太阳能光伏组件存在隐患，则控制存在隐患的太阳能光伏组件所对应的自动保护切换电路接通，并将隐患状况发送至上位应用管理系统4。
每个太阳能光伏组件的积分发电量的计算公式为： 其中，n为每天发电n小时，U(i)为当前测量电压，A(i)为当前测量电流，t(i)-t(i-1)为测量时隙。
将太阳能光伏组串1内每个太阳能光伏组件的积分发电量求和即得太阳能光伏组串1的积分发电量。
在进行太阳能光伏组件隐患判断时(发电运营时间内)，其包括以下几种方式中的一种或多种：
光伏单元电压判别，根据每一个太阳能光伏组件的电压变化情况进行判别。根据太阳能光伏组件特性及光照变化情况，其输出电压变化应当是平缓的。若检测到某时刻电压发生大范围波动(波动峰值超过正常电压10％)，则可认为对应的太阳能光伏组件存在隐患或异常(例如：风沙遮盖、内部回路故障等)。
组串电流判别，根据电流传感器发送的太阳能光伏组串电流变化情况进行判别。根据太阳能光伏组串1的电流特性，其电流应当是平稳的，变化应当是平缓的。若检测到某时刻电流突然增大(波动峰值超过正常电流10％)，则可认为回路中发生短路故障(例如：组件进水或凝露短路)；若某时刻电流突然变小(波动峰值超过正常电流10％)或为零，则可认为回路中发生断路故障(例如：汇流箱内组串线路保险丝熔毁等)。
光伏单元工作温度判别，根据太阳能光伏组串1每一个太阳能光伏组件的温度与安全阈值进行比对进行判断。根据太阳能光伏组串1中各个单体的当前工作温度，比对安全阈值。某个太阳能光伏组件超过安全阈值则可判别对应的太阳能光伏组件发生异常(自发热或发生 火险)，立即上报异常信息供运维决策。
当判别出太阳能光伏组件存在隐患时，立即控制自动保护切换电路接通，将存在隐患的太阳能光伏组件切换出去，待故障排除再断开自动保护切换电路。
对于逆变器和输变电设备以及其它外围设备，根据各设备说明书列明的“状态-工作数据”对应关系，以设备的实时工作数据为依据进行状态判别。若发生异常则即时上报，也可向设备发指令进行紧急关停保护。
如图2所示，采用信标定位方式确定每一个太阳能光伏组件的行列位置，其原理如下：
测算相邻两个太阳能光伏组件之间的信号衰减值作为标尺单位，利用此标尺单位可将信号强弱值转换成行列位置信息。选取太阳能光伏组件阵列中的任意三个监测装置作为信标5(本实施例采用4个信标，为使定位更准确，也可作为备用信标使用)，三个信标5将各自的行列位置和所对应的设备编号发送给数据汇集装置3内，则有信标P1(x1，y1)、P2(x2，y2)、P3(x3，y3)。由于太阳能光伏组件阵列中每个太阳能光伏组件背后均固定有一个监测装置2，数据汇集装置3控制信标5向四周发送无线信号，因此，每个监测装置2均能接收到来自于三个信标5的三个强弱不同的信号，本实施例中采用监测装置P(x，y)举例说明，则监测装置P将接收到Rssi-1、Rssi-2、Rssi-3三个信号。数据汇集装置3将这三个信号与标尺单位进行比对换算，得出监测装置P与三个信标5的相对距离值r1、r2、r3(该值 的单位为行或列)，根据r1、r2、r3和已知的信标P1(x1，y1)、P2(x2，y2)、P3(x3，y3)，则可得出关于监测装置P的x，y关系式：
根据该关系式即可求解出P(x，y)的值，从而得出监测装置P的行列位置，采用此方式则可以获取不同编号的每一个太阳能光伏组件的行列位置，并上传至上层应用管理系统4，完成太阳能光伏组件编号与行列位置对应关系的登记。
数据汇集装置3通过组间错频、跳频扫描、相邻分时、信道监测、功率可调中的一种或多种组合使用防止监测装置2所发送信号互相干扰。组间错频，即位置相邻的两组太阳能光伏组件各自采用不同的通信频率，解决互相干扰。跳频扫描，即以433Mhz为中心频点，按一定频率差划分出20个通信频道。数据汇集装置3及监测装置2从频道1开始，每通信一次即跳变到下一个频道，如此往复构成跳频通信机制。相邻两组之间错开频道起点，即可在跳频机制下形成固定的频道差。任一时刻相邻两组所采用的通信频道不相等，解决互相干扰。相邻分时，即所有监测组件在发射无线信号前，均监听当前频道是否忙。若当前频道被占用则随机延迟一段时间之后再次监听，信道不忙时才发射无线信号，即实现了精简的CSMA/CA机制。从信道状态监测层面解决互相干扰的问题。功率可调，即通过调节无线数传组件的发射功率，可以在现场调整信号覆盖范围，使信号重叠区尽可能小或 消除。尤适用于小规模离散化的屋顶分布式发电系统。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置，其特征在于：包括数据汇集处理芯片；
与数据汇集处理芯片连接的通讯组件，用于连接监控太阳能光伏阵列每个太阳能光伏组件的监测装置(2)，所述太阳能光伏组件串联形成太阳能光伏组串(1)；
与数据汇集处理芯片连接的标准网口和/或WiFi接口，用于连接上层应用管理系统(4)；
与数据汇集处理芯片连接的有线串行通信接口，用于连接逆变器、输变电设备以及其它外设中的一个或多个；
与数据汇集处理芯片连接的供电系统，用于为数据汇集装置供电。
2.如权利要求1所述的一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置，其特征在于：还包括与数据汇集处理芯片连接的电流传感器和与电流传感器并联连接的自动保护切换电路，所述电流传感器至少为一个，分别串联连接在太阳能光伏组件阵列中每个太阳能光伏组串(1)的正负极之间，用于采集太阳能光伏组串(1)电流，所述自动保护切换电路和电流传感器的控制端与数据汇集处理芯片连接。
3.如权利要求1所述的一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置，其特征在于：所述用于连接监测装置(2)的通讯组件为433无线通信模块、RS485通信模块、CAN通信模块、电力线载波通信模块中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置，其特征在于：还包括与数据汇集处理芯片连接的用于检测该装置温度的温度传感器，所述温度传感器与数据汇集处理芯片连接。
5.如权利要求1-4所述的一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置的数据处理方法，其特征在于：所述数据汇集处理芯片通过通讯组件从各个监测装置(2)内获取太阳能光伏组件的电流数据、电压数据、温度数据和设备编号，通过有线串行通信接口获取逆变器、输变电设备以及其它外设的工作数据，所述数据汇集处理芯片根据太阳能光伏组件的电流数据和电压数据进行太阳能光伏组串(1)积分发电量的计算，根据信标定位获取太阳能光伏组件行列位置与编号的对应关系，所述数据汇集处理芯片通过标准网口和/或WiFi接口将太阳能光伏组件的电流数据、电压数据、温度数据、行列位置与编号的对应关系、太阳能光伏组串(1)积分发电量、逆变器、输变电设备以及其它外设的工作数据传递给上位应用管理系统(4)，实现太阳能光伏组件阵列的数据采集。
6.如权利要求5中任意一条所述的一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置的数据处理方法，其特征在于：所述数据汇集处理芯片根据所接收太阳能光伏组件的电流数据、电压数据、温度数据判断太阳能光伏组件是否存在隐患，若太阳能光伏组件存在隐患，则控制存在隐患的太阳能光伏组件所对应的自动保护切换电路接通，并将隐患状况发送至上位应用管理系统(4)。
7.如权利要求6所述的一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置的数据处理方法，其特征在于，所述隐患判断方式为：若数据汇集处理芯片接收到的太阳能光伏组件的电流数据、电压数据、温度数据中出现电压发生大范围波动、电流发生大范围波动、温度超过安全阈值中任意一种或多种时，则认为太阳能光伏组件存在隐患。
8.如权利要求5所述的一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置的数据处理方法，其特征在于：采用信标定位方式确定每一个太阳能光伏组件的行列位置，其过程如下：
测算相邻两个太阳能光伏组件之间的信号衰减值作为标尺单位，任意选取至少三个监测装置作为信标(5)向周围发送无线信号，其余监测装置(2)接收不同信标(5)发送的信号，在数据汇集处理芯片中将每个监测装置(2)所接收到的来自于不同信标(5)的强弱不同的信号与标尺单位进行比对，得出每个监测装置(2)相对于几个信标(5)的相对位置，根据几个信标(5)的行列位置即可得出每一个监测装置(2)的行列位置，从而获得与之对应的每个太阳能光伏组件的行列位置。
9.如权利要求6所述的一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置的数据处理方法，其特征在于：所述数据汇集处理芯片通过组间错频、跳频扫描、相邻分时、信道监测、功率可调中的一种或多种组合使用防止监测装置(2)所发送信号互相干扰。
10.如权利要求6、7、9中任意一条所述的一种太阳能光伏组件阵列数据汇集装置的数据处理方法，其特征在于：所述数据汇集处理芯片通过有线串行通信接口获取逆变器、输变电设备以及其它外设的工作数据，根据工作数据进行逆变器、输变电设备以及其它外设的隐患判断，并提交该工作数据和隐患判断结果至上位应用管理系统(4)。
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