CN104868845A - 嵌入式太阳能光伏组件数据监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能光伏组件检测技术领域，具体涉及一种嵌入式太阳能光伏组件数据监测装置及方法。它包括数据采集芯片、电流传感器、通讯组件、温度传感器和蓝牙接口，数据采集芯片通过电流传感器和温度传感器接收太阳能光伏组件的工作数据，根据工作数据进行积分发电量的计算和隐患判断，通过通讯组件输出太阳能光伏组件的工作数据、积分发电量和隐患判断结果。本发明以嵌入式微处理器为核心，结合物联网技术，实时检测光伏组件的工作状态，实现智能化数据采集和分析、故障诊断、故障定位、故障排除与报警，为太阳能电站系统的智能化检测和远程监控提供了简便的解决方案。

Description

嵌入式太阳能光伏组件数据监测装置及方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏组件检测技术领域，具体涉及一种嵌入式太阳能光伏组件数据监测装置及方法。

背景技术

太阳能光伏发电系统是由若干个独立的太阳能光伏发电组件(俗称太阳能光伏电池板)通过串联形成基本组串，若干组串在汇流箱内做并联后接入逆变器。目前太阳能光伏发电系统的数据监控仅仅是通过采集汇流箱内的数据实现，这种数据监控方式存在下述缺点：

1、只能测得太阳能光伏组串的数据，无法测量组串内每个光伏组件的工作数据；

2、当光伏组串内某个光伏组件发生故障时，无法指出故障组件在哪里，因此需要维修人员在现场逐一寻找故障点；

3、当组件串内某组件发生故障时，无法自动排除故障组件，组串会因为某个组件故障而无法继续发电，降低了发电效率。

4、不具备智能化统计分析功能，无法先期分析出组件是否存在隐患或异常，无法在隐患演变成故障前对光伏组件进行隔离保护，并给出保养、维修等提示建议。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种嵌入式太阳能光伏组件数据监测装置及方法。

本发明采用的技术方案是：一种嵌入式太阳能光伏组件数据监测装置，包括

数据采集芯片，用于接收和处理太阳能光伏组件的工作数据，所述工作数据包括工作电压、工作电流和工作温度；

电流传感器，连接在太阳能光伏组件与数据采集芯片之间，用于检测太阳能光伏组件的工作电流并发送至数据采集芯片；

通讯组件，与数据采集芯片的通信端口连接，用于输出数据采集芯片接收和处理的数据；

温度传感器，与数据采集芯片连接，用于检测太阳能光伏组件的温度并发送至数据采集芯片，并接收命令数据；

蓝牙接口，与数据采集芯片的串行通信端口连接。

进一步地，还包括连接在太阳能光伏组件正负极之间的自动保护切换电路，所述自动保护切换电路与电流传感器并联。

进一步地，还包括分别连接在电流传感器与数据采集芯片之间的电源组件和分压组件，所述电源组件用于为数据采集芯片供电，所述分压组件用于将太阳能光伏组件的工作电压转换成数据采集芯片能够接收的电压范围。

更进一步地，所述通讯组件为ISM-433Mhz/2.4Ghz无线通讯模块、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。

一种基于上述监测装置实现太阳能光伏组件数据监测的方法，其过程为：数据采集芯片通过电流传感器和温度传感器接收太阳能光伏组件的工作数据，根据工作数据进行太阳能光伏组件积分发电量的计算和隐患判断，通过通讯组件输出太阳能光伏组件的工作数据、积分发电量和隐患判断结果。

进一步地，所述数据采集芯片接收到的太阳能光伏组件工作数据中，出现电压波动超过安全阈值、电流波动超过安全阈值、温度值超过安全阈值中的任意一种或多种时，则判断太阳能光伏组件存在隐患。

进一步地，所述数据采集芯片在判断太阳能光伏组件存在隐患时，控制自动保护切换电路接通，直至太阳能光伏组件故障排除后再度控制自动保护切换电路断开。

更进一步地，所述数据采集芯片根据接收的太阳能光伏组件工作数据中的工作电压和工作电流计算并输出太阳能光伏组件的积分发电量，所述太阳能光伏组件的积分发电量W_(kwh)的计算公式为：

$W_{\left(\mathrm{kwh}\right)}=\underset{i=1}{\overset{3600\×n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{U_{\left(i\right)}\×A_{\left(i\right)}\×(t_{\left(i\right)}-t_{(i-1)})}{3600\×1000}$

其中，n为每天的发电工作时间(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。

本发明以嵌入式微处理器为核心，结合物联网技术，实时检测光伏组件的工作状态，实现智能化数据采集和分析、故障诊断、故障定位、故障排除与报警，为太阳能电站系统的智能化检测和远程监控提供了简便的解决方案。具有以下优点：

1、本发明监测力度能够细化到每一个光伏组件，能直观掌控和管理整个光伏发电阵列中每一个基本单元的工作状况。

2、本发明由于可以监测每一个光伏组件，因此可以精确定位故障或存在故障隐患的光伏组件，极大的缩短了检修时间、降低劳动强度，同时有利于电站运营单位节约人力成本。

3、本发明实时监测光伏组件的工作状态，并通过Internet物联网实时上报，不会等到“隐患成为故障”后才能发现，有利于光伏组件的运营期产品保护、延长其使用寿命，可降低整个光伏电站系统的故障率、器件替换率，降低运营成本。

4、本发明具备隐患自动隔离功能，能够将存在隐患的光伏组件从组串回路中自动隔离出去，同时还不影响组串的正常发电工作，有利于光伏组件的设备保护，有助于提高系统整体发电效率。

5、本发明采用物联组网方式，工程适用面广，兼备无线或有线组网能力。

6、本发明设备体积小巧，可与光伏组件整合成为一个整体，免除二次安装的问题。

7、本发明采用霍尔传感器的电流检测方案，具有微型化，低损耗电流测量的优点。

8、本发明可与手机等移动式应用平台现场蓝牙互联，借助移动式应用软硬件平台的丰富资源更高效、更便捷、更直观的完成维护检修工作。

附图说明

图1为本发明监测装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明一种嵌入式太阳能光伏组件数据监测装置，包括数据采集芯片2、电流传感器5、通讯组件7、温度传感器8、蓝牙接口1、自动保护切换电路4、电源组件3和分压组件6，上述组件均集成在一块电路板上，安装于太阳能光伏组件9上，采集单体太阳能光伏组件9的工作温度、工作电压以及光伏组件串的工作电流；通过有线/无线物联网和远程数据采集系统双向通信，提交检测数据、接收监控指令、进行业务软件版本的自动更新，其中：

数据采集芯片2，采用ARM9嵌入式MCU核心组件，用于接收和处理太阳能光伏组件9的工作数据，工作数据包括太阳能光伏组件的工作电压、工作电流和工作温度。

电流传感器5，具体为霍尔电流传感器，连接在太阳能光伏组串与数据采集芯片2之间，用于检测太阳能光伏组串的工作电流并发送至数据采集芯片2；

通讯组件7，连接在数据采集芯片2的通信端口和上一级的数据汇集装置之间，实现数据监测装置和数据汇集装置之间的双向通信，用于输出、提交数据采集芯片接收和处理的数据，以及接收监控指令、进行业务软件版本的自动更新。通讯组件可以为ISM-433Mhz/2.4Ghz无线通讯模块、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，具备多种物联组网形式，适用面广；

温度传感器8，与数据采集芯片2连接，同时与太阳能光伏组件9接触，用于检测太阳能光伏组件9的当前工作温度并定期向数据采集芯片发送数据，实现太阳能光伏组件的温度监控；

蓝牙接口1，为预留的RS232接口，与数据采集芯片2的串行通信端口连接，便于插入外置式RS232-蓝牙通信模块，可以使数据采集芯片现场与手机或其他移动终端通过蓝牙建立数据连接，执行来自于手机或其他移动终端的命令并向手机或其他移动终端反馈相关数据，功能包括反馈当前光伏组件工作数据、反馈光伏组件监测装置内软件版本、软件版本无线升级、软件版内无线拷贝、反馈无线信号质量检测数据、反馈物联网网络连接情况、行列定位信息查看、修改、复制、复位、光伏组件隐患状态告警、光伏组件单体隔离与恢复等。

自动保护切换电路4，连接在太阳能光伏组件9正负极之间，与电流传感器5并联，同时与数据采集芯片2连接，由数据采集芯片2控制其动作，自动保护切换电路可以为继电器或晶闸管。当数据采集芯片2根据工作数据检测到太阳能光伏组件发生故障时，可控制自动保护切换电路4接通起到续流作用，将太阳能光伏组件隔离开，保持整个组串输电回路的畅通；而当太阳能光伏组件故障排除后，数据采集芯片控制自动保护切换电路断开，使输电回路回复到正常工作状态。实现隐患自动隔离功能，能够将存在隐患的光伏组件从组串回路中自动隔离出去，同时还不影响组串的正常发电工作，有利于光伏组件的设备保护，有助于提高系统整体发电效率。

电源组件3，连接在电流传感器与数据采集芯片之间，太阳能光伏组件输出的电压一般为36V，电源组件用于将太阳能光伏组件输出的36V电压转化为数据采集芯片能够适应的电压范围，为数据采集芯片提供工作电源。

分压组件6，连接在电流传感器与数据采集芯片之间，用于将太阳能光伏组件的工作电压转换成数据采集芯片能够接收采集的电压范围，便于采集处理、输出，分压组件一般由串联的多个电阻组成，数据采集芯片连接在串联的电阻之间，根据串联电阻的比例确定分压大小。

采用上述监测装置实现太阳能光伏组件数据监测方法的过程为：将上述监测装置安装到太阳能光伏组件上，通过有线物联网组件(CAN总线、RS485总线、电力线载波)和/或无线物联网组件(ISM-433Mhz/2.4Ghz)与上一级的数据汇集装置连接，连接完成后，数据采集芯片通过电流传感器配合分压组件以及温度传感器采集接收太阳能光伏组件的工作数据，根据工作数据进行积分发电量的计算和隐患判断，通过有线物联网组件和/或无线物联网组件输出太阳能光伏组件的工作数据、积分发电量和隐患判断结果至数据汇集装置，实现太阳能光伏组件的数据监测。

上述方案中，数据采集芯片根据接收的太阳能光伏组件工作数据中的工作电压和工作电流计算并输出太阳能光伏组件的积分发电量，太阳能光伏组件的积分发电量W_(kwh)的计算公式为：

$W_{\left(\mathrm{kwh}\right)}=\underset{i=1}{\overset{3600\×n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{U_{\left(i\right)}\×A_{\left(i\right)}\×(t_{\left(i\right)}-t_{(i-1)})}{3600\×1000}$

其中，n为每天的发电工作时间(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(＝1秒)。

上述方案中，隐患判断包括：

太阳能光伏组件电压判别，数据采集芯片根据接收到的太阳能光伏组件的工作电压变化情况进行判别，通过太阳能光伏组件特性及光照变化情况可知，其输出电压变化应当是平缓的。当数据采集芯片检测到任意时刻电压波动(电压波动为电压峰值与稳定值之间的差值)超过安全阈值(安全阈值为稳定值的10％)时，则可认为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)。

太阳能光伏组件电流判别，数据采集芯片根据电流传感器发送的太阳能光伏组件电流变化情况进行判别，通过太阳能光伏组件(组串)的电流特性可知，其电流应当是平稳的，变化是平缓的。当数据采集芯片检测到任意时刻电流波动(电压波动为电压峰值与稳定值之间的差值)超过安全阈值(安全阈值为稳定值的10％)时，则判断太阳能光伏组件存在隐患。如电流突然增大，即电流峰值与稳定值之间的差值超出稳定值的10％，则可认为太阳能光伏组件发生短路故障(例如：组件进水或短路)；电流突然变小，即电流峰值与稳定值之间的差值超出稳定值的10％，则可认为太阳能电池板组串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)。

太阳能光伏组件工作温度判别，数据采集芯片将温度传感器检测到的太阳能光伏组件的当前工作温度与安全阈值进行比对，若太阳能光伏组件的当前工作温度超过安全阈值则判别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。

上述方案中，数据采集芯片判断太阳能光伏组件存在隐患时，控制自动保护切换电路接通，直至太阳能光伏组件故障排除后再度控制自动保护切换电路断开，实现隐患自动隔离功能。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种嵌入式太阳能光伏组件数据监测装置，其特征在于：包括

数据采集芯片，用于接收和处理太阳能光伏组件的工作数据，所述工作数据包括工作电压、工作电流和工作温度；

电流传感器，连接在太阳能光伏组件与数据采集芯片之间，用于检测太阳能光伏组件的工作电流并发送至数据采集芯片；

通讯组件，与数据采集芯片的通信端口连接，用于输出数据采集芯片接收和处理的数据，并接收控制指令；

温度传感器，与数据采集芯片连接，用于检测太阳能光伏组件的温度并发送至数据采集芯片；

蓝牙接口，与数据采集芯片的串行通信端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式太阳能光伏组件数据监测装置，其特征在于：还包括连接在太阳能光伏组件正负极之间的自动保护切换电路，所述自动保护切换电路与电流传感器并联。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式太阳能光伏组件数据监测装置，其特征在于：还包括分别连接在电流传感器与数据采集芯片之间的电源组件和分压组件，所述电源组件用于为数据采集芯片供电，所述分压组件用于将太阳能光伏组件的工作电压转换成数据采集芯片能够接收的电压范围。

4.根据权利要求1所述的一种嵌入式太阳能光伏组件数据监测装置，其特征在于：所述通讯组件为ISM-433Mhz/2.4Ghz无线通讯模块、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。

5.一种基于权利要求1-4所述的监测装置实现太阳能光伏组件数据监测的方法，其特征在于：所述数据采集芯片通过电流传感器和温度传感器接收太阳能光伏组件的工作数据，根据工作数据进行太阳能光伏组件积分发电量的计算和隐患判断，通过通讯组件输出太阳能光伏组件的工作数据、积分发电量和隐患判断结果。

6.根据权利要求5所述的数据监测方法，其特征在于：所述数据采集芯片接收到的太阳能光伏组件工作数据中，出现电压波动超过安全阈值、电流波动超过安全阈值、温度值超过安全阈值中的任意一种或多种时，则判断太阳能光伏组件存在隐患。

7.根据权利要求5所述的数据监测方法，其特征在于：所述数据采集芯片在判断太阳能光伏组件存在隐患时，控制自动保护切换电路接通，直至太阳能光伏组件故障排除后再度控制自动保护切换电路断开。

8.根据权利要求5所述的数据监测方法，其特征在于：所述数据采集芯片根据接收的太阳能光伏组件工作数据中的工作电压和工作电流计算并输出太阳能光伏组件的积分发电量，所述太阳能光伏组件的积分发电量W_(kwh)的计算公式为：

$W_{\left(\mathrm{kwh}\right)}=\underset{i=1}{\overset{3600\×n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{U_{\left(i\right)}\×A_{\left(i\right)}\×(t_{\left(i\right)}-t_{(i-1)})}{3600\×1000}$

其中，n为每天的发电工作时间(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。