CN104868846B - 基于无线物联网的太阳能光伏组件阵列数据采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能光伏组件检测技术领域，具体涉及一种基于无线物联网的太阳能光伏组件阵列数据采集方法。本发明采用低成本低功耗的433Mhz无线物联网组件作为物联通信基础，以嵌入式MCU核心组件小系统实现物联组网、数据采集、分布式计算、分组通信、防交叠冲突、接入互联网等功能，从而构成一个功能完整、可配置剪裁、可靠性强的数据采集系统实现太阳能光伏组件阵列数据采集。
Description
基于无线物联网的太阳能光伏组件阵列数据采集方法
技术领域
[0001] 本发明属于太阳能光伏组件检测技术领域，具体涉及一种基于无线物联网的太阳 能光伏组件阵列数据采集方法。
背景技术
[0002] 目前太阳能光伏发电系统的工作数据(包括光伏组件工作数据、逆变器工作数据、 输变电设备工作数据)分别是由各离散设备采集产生并向上层计算机系统提交。因各设备 种类不同、生产厂家不同，其数据规格、物理接口也不一样，造成上层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层应用软 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 前采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“数据汇集一中继一节点”三层结构，汇集装置的节 点接入数量有限。
发明内容
[0003] 本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构简单、成本 低的基于无线物联网的太阳能光伏组件阵列数据采集方法。
[0004] 本发明采用的技术方案是:一种基于无线物联网的太阳能光伏组件阵列数据采集 方法，包括以下步骤：
[0005] 步骤1，在太阳能光伏组件阵列中心安装汇集装置，汇集装置通过标准网口和/或 WiFi接口与上层应用管理系统连接；
[0006] 步骤2,在太阳能光伏组件阵列的每个太阳能光伏组件上安装监测装置，所有监测 装置分别通过通讯组件与汇集装置连接；
[0007] 步骤3,汇集装置通过通讯组件从各个监测装置内获取汇集装置信号覆盖范围内 所有太阳能光伏组件的设备编号，采用信标定位方式确定每个太阳能光伏组件的行列位 置，并与其设备编号一一对应，将不同设备编号太阳能光伏组件对应的行列位置发送给上 层应用管理系统；
[0008] 步骤4,监测装置采集并监测太阳能光伏组件的工作数据，根据接收的指令向汇集 装置发送工作数据，所述工作数据包括工作电压、工作电流和工作温度；
[0009] 步骤5,汇集装置接收到监测装置发送的工作数据后，根据工作数据进行积分发电 量的计算和隐患判断，并将太阳能光伏组件的工作数据、积分发电量和隐患判断结果传递 给上层应用管理系统，实现太阳能光伏组件阵列的数据采集。
[0010] 进一步地，所述汇集装置采用信标定位方式确定每个太阳能光伏组件的行列位置 的方法为:测算太阳能光伏组件阵列中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，选取太阳能光伏组件阵列中已知固定行列位置的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，在汇集装置中将每个监测装置 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，得出每个监控装置相 对于几个信标的相对位置，根据几个信标的已知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。
[0011] 进一步地，所述汇集装置通过组间错频、跳频扫描、相邻分时、信道监测、功率可调 中的一种或多种方式组合使用防止监测装置所发送信号互相干扰，保证任意时刻网络中只 有一个“汇集装置-监测装置对”交互应答。
[0012] 进一步地，所述汇集装置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。
[0013] 进一步地，所述汇集装置在判断太阳能光伏组件存在隐患时，控制太阳能光伏组 件所对应的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。
[00M]进一步地，所述积分发电量的计算包括:所述汇集装置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分别计算每个组串内的所有太阳能光伏组件的积分 发电量，然后将每个组串内的所有太阳能光伏组件的积分发电量进行求和得到整个组串的 积分发电量。
[0015] 更进一步地，所述汇集装置通过有线物联网接口获取逆变器、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层应用管理系统。
[0016] 本发明采用低成本低功耗的433Mhz无线物联网组件作为物联通信基础，以嵌入式 M⑶核心组件小系统实现物联组网、数据采集、分布式计算、分组通信、防交叠冲突、接入互 联网等功能，从而构成一个功能完整、可配置剪裁、可靠性强的数据采集系统实现太阳能光 伏组件阵列数据采集。解决光伏阵列中各光伏组件数据采集需要敷设通信电缆，解决现有 ZigBee无线数据采集方案成本高、网络结构复杂、无线电波衍射能力弱，通信质量易受地形 及建筑物影响，实际组网难度大的问题。具有以下优点：
[0017] 1、本发明采用有线(CAN总线、RS485总线、电力线载波通信)及无线（ISM-433Mhz， 2.4Ghz)物联网组网功能，硬件成本低工程适用面广。
[0018] 2、本发明无线网络结构简单，易于组网。
[0019] 3、本发明无线网络容纳性强，不限制下位节点接入数量(汇集装置信号覆盖范围 内的所有节点均可接入）。
[0020] 4、本发明采用组间错频、跳频扫描、相邻分时、信道监测、功率可调等方式避免互 相干扰，具备无线网络交叠防冲突机制，适应信号交叠式组网架构。
[0021] 5、本发明ISM-433Mhz通信组件无线电波衍射性优越，通信可适应复杂地形，可穿 透建筑物。
[0022] 6、本发明可接入Internet网络，具备跨地域远程采集控制功能。
[0023] 7、本发明具备分布式计算功能，适用于大规模光伏组件阵列数据采集。
[0024] 8、本发明数据采集系统可随意剪裁配置，既适用于大规模集中式光伏发电站，也 适用于屋顶分布式光伏发电站。
附图说明
[0025] 图1为本发明的采集网络构架图。
[0026] 图2为本发明太阳能光伏组件阵列示意图。
[0027] 图3为本发明确定太阳能光伏组件行列位置的原理图；
具体实施方式
[0028] 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。
[0029] 如图1、图2所示，本发明基于无线物联网的太阳能光伏组件阵列数据采集方法主 要过程分为两步，分别为设备安装连接和数据采集。
[0030] 设备安装包括汇集装置的安装和监测装置的安装，以汇集装置为主，各监测装置 为从，以433Mhz无线数传模块为媒介，构成一主多从的两级结构无线数据采集网络，免除中 继转发或路由节点。汇集装置负责监听并记录新加入本网络的监测装置，为其分配通信地 址后纳入本网络；同样，也可根据上位计算机的指令从本网络内剔除某个“监测装置”的地 址信息，实现网络节点的配置剪裁功能。监测装置需执行入网登记与汇集装置建立绑定关 系后才可提交光伏组件的工作数据，并且只向与其绑定的汇集装置发送数据，实现网络分 组与归属功能。汇集装置所能容纳的监测装置无线接入数量仅受其无线信号覆盖范围限 制，标准设计为1个汇集装置允许接入512个监测装置，数量可扩充、可剪裁。
[0031] 汇集装置的安装:在太阳能光伏组件阵列中心安装汇集装置，其信号覆盖范围能 囊括太阳能光伏阵列中的所有太阳能光伏组件，然后将汇集装置通过标准网口和/SWiFi 接口与上层应用管理系统连接，实现汇集装置入网，汇集装置首先向其默认的配置工作站 (IP地址固定)发连接请求，用户通过配置工作站向已连接的汇集装置写各项配置数据，并 统一汇集装置内应用软件版本，装载新的配置参数，进入数据汇集状态，可与上层应用管理 系统互联实现数据交互与控制指令响应。
[0032] 监测装置的安装：在太阳能光伏组件阵列的每个太阳能光伏组件上安装监测装 置，所有监测装置分别通过通讯组件与汇集装置连接，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，连接 好后进行监测装置入网操作，从而确定与之对应的每个太阳能光伏组件的行列位置，监测 装置入网有两种方法分别为：
[0033] 1、人工入网登记：借助维护工具，在监测装置安装时即设置其行列信息、分组编 号，此信息经维护工具通过网络或移动式存储媒介提交到配置工作站上，在配置工作站上 为其绑定汇集装置，完成入网登记工作。
[0034] 2、自动化入网登记:本发明采用两种模式完成自动化入网工作
[0035] 逐一登记模式:此模式不需要人工操作维护工具，只是在安装监测装置时按固定 顺序采用逐一上电的模式，由监测装置收取汇集装置定时发送的入网登记码并做出应答， 双方经二次确认后，完成入网登记工作。
[0036] 信标定位模式:此模式不对安装做任何要求，进一步简化了人工操作，在阵列内所 有监测装置安装完毕后，汇集装置通过通讯组件从各个监测装置内获取汇集装置信号覆盖 范围内所有太阳能光伏组件的设备编号，各监测装置均可得到阵列内不同固定位置的信标 (最少3个)发出的信号强度（S卩RSSI值），分别是Rssil〜n，距离越近其RSSI值越大，反之越 小;并将数据发送给汇集装置，由汇集装置据此计算出各监测装置的相对关系，从而得到太 阳能光伏组件行列位置与设备编号的对应关系，完成入网登记工作。
[0037] 如图3所示，信标定位模式的详细过程为：
[0038] 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已知固定行列位置的三 个监测装置作为信标(为使定位更准确，也可以选取第4个信标作为备用信标使用），三个信 标均将各自的行列位置和所对应的设备编号发送给汇集装置内，则有信标Pl (xl，yl)、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，当汇集装置控制三个信标轮流向四周发送无线信号时，其余每个监测装置均能 接收到来自于三个信标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-I、RSSi-2、RSSi-3三个信号。汇集装置将这三个信号与标尺 单位进行比对换算，得出监测装置P与三个信标的相对距离值rl、r2、r3 (该值的单位为行或 列），根据rl、r2、r3和已知的信标Pl (xl，yl)、P2(x2，y2)、P3(x3，y3)，则可得出关于监测装 置P的x，y关系式：
[0040] 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，由于监测 装置与太阳能光伏组件一一对应，故采用此方式则可以获取不同设备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，完成监测装置和太阳能光伏组件编号 与行列位置对应关系的入网登记。
[0041] 数据采集过程为：
[0042] 1)监测装置采集并监测太阳能光伏组件的工作数据，根据接收的指令向汇集装置 发送工作数据，工作数据包括工作电压、工作电流和工作温度。所有监测装置在发射无线信 号前，均需要监听当前使用频道是否被占用;若信道被占用，则需随机延迟一段时间再次启 动监听，若此时信道空闲则启动信号发射;若此时信道仍然被占用则再次重复延迟和监听， 直到信道空闲为止;若重复次数超过阈值则取消信号发射业务，进入空闲状态等待新的指 令。
[0043] 2)汇集装置按已配置好的行列编码顺序对监测装置进行轮询式数据收集，保证任 一时刻组内只有一对“汇集装置一监测装置对”处于通信状态，不产成组内通信冲突。同时 汇集装置根据预留的外设接口，通过有线物联网接口获取逆变器、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层应用管理系统。
[0044] 3)汇集装置接收到监测装置发送的太阳能光伏组件工作数据后，根据工作数据进 行积分发电量的计算和隐患判断;根据逆变器、输变电设备以及其它外设的工作数据进行 逆变器、输变电设备以及其它外设的隐患判断。
[0045] 4)由上层应用管理系统向各汇集节点发采集调度指令，汇集装置根据接收的指令 定时向上层应用管理系统上报本时间段内所有监测装置采集的工作数据以及计算的各光 伏组件的积分发电量和隐患判断结果，以及逆变器、输变电设备以及其它外设的工作数据 和隐患判断结果，实现太阳能光伏组件阵列的数据采集。
[0046] 上述方案中，汇集装置进行积分发电量的计算包括:汇集装置根据接收的太阳能 光伏组件工作数据中的工作电压和工作电流分别计算每个组串内的所有太阳能光伏组件 的积分发电量，然后将每个组串内的所有太阳能光伏组件的积分发电量进行求和得到整个 组串的积分发电量。之后汇集装置再将计算出的所有组串的发电量发送至上层应用管理系 统，由上层应用管理系统求和计算得到整个光伏阵列的积分发电量。汇集装置计算每个太 阳能光伏组件的积分发电量W(kwh)的计算公式为：
[0048] 其中，η为每天的发电工作时间（小时），U«为当前测量电压，Αω为当前测量电流， Ui)-t(i-l)为测量时隙。
[0049] 上述方案中，隐患判断包括：
[0050] 太阳能光伏组件电压判别，汇集装置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）。
[0051] 太阳能光伏组件(组串）电流判别，汇集装置根据接收到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%，则认为太阳能光伏组 件发生短路故障(例如:组件进水或凝露短路）；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）。
[0052] 太阳能光伏组件工作温度判别，汇集装置将接收到的太阳能光伏组件的工作温度 与安全阈值进行比对，当太阳能光伏组件的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。
[0053] 当汇集装置在判断太阳能光伏组件存在隐患时，可控制与太阳能光伏组件对应的 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，以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
[0054] 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。
[0055] 本发明中对太阳能光伏组件的工作数据进行积分发电量的计算和隐患判断都是 通过汇集装置完成，但当光伏阵列中入网的监测装置数量过多时，为防止汇集装置计算量 过大，可通过设置由监测装置完成太阳能光伏组件的积分发电量的计算和隐患判断，此时 监测装置向汇集装置发送的数据除了工作数据，还包括计算的积分发电量和隐患判断结 果，汇集装置中不进行计算和判断。
[0056] 本发明数据采集方法过程中，整个系统由各汇集装置通过路由器向上层应用管理 系统提交本组所有光伏组件的各项数据，并执行上层应用管理系统的各项指令，同时，可以 通过Internet互联网实现跨区域的外部管理及监控功能；由汇集装置向监测装置发送应用 软件升级数据包，实现IAP升级功能;汇集装置可统计各监测装置反馈的信号强度、丢包率、 各监测装置的联网状态等数据，通过互联网向管理工作站提交，用户可藉此直观的了解物 联网通信质量和状态;在管理工作站上修改相应汇集装置的入网配置数据，实现新设备入 网、位置编号修改、既有设备删除的功能。
[0057] 整个系统是可以自由剪裁或扩充的，通过配置、剪裁监测装置与汇集装置的数量 及应用规模即可满足大规模密集式光伏发电站，或小规模离散化屋顶分布式发电站的使用 需求。
[0058] 不同的光伏组件组之间存在信号交叠覆盖区，交叠区内属于不同组的监测装置存 在互相干扰的问题本发明采用以下5种方式解决：
[0059] -1-组间错频:位置相邻的两组光伏组件各自采用不同的通信频率，解决互相干 扰。
[0060] -2-跳频扫描：以433Mhz为中心频点，按一定频率差划分出20个通信频道，汇集装 置及监测装置从频道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。
[0061] -3-相邻分时：由上层计算机系统进行管控，使任一时刻相邻的两组只有其一处于 无线通信采集的状态，使用分时系统的概念，从时间上错开无线通信活动，从而解决互相干 扰问题。
[0062] -4-信道监测: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。
[0063] -5-功率可调：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。
[0064] 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 (5)
1. 一种基于无线物联网的太阳能光伏组件阵列数据采集方法，其特征在于，包括以下 步骤： 步骤1，在太阳能光伏组件阵列中心安装汇集装置，汇集装置通过标准网口和/SWiFi 接口与上层应用管理系统连接； 步骤2,在太阳能光伏组件阵列的每个太阳能光伏组件上安装监测装置，所有监测装置 分别通过通讯组件与汇集装置连接； 步骤3,汇集装置通过通讯组件从各个监测装置内获取汇集装置信号覆盖范围内所有 太阳能光伏组件的设备编号，采用信标定位方式确定每个太阳能光伏组件的行列位置，并 与其设备编号一一对应，将不同设备编号太阳能光伏组件对应的行列位置发送给上层应用 管理系统； 步骤4,监测装置采集并监测太阳能光伏组件的工作数据，所有监测装置根据接收的指 令依次向汇集装置发送工作数据，所述工作数据包括工作电压、工作电流和工作温度； 步骤5,汇集装置接收到监测装置发送的工作数据后，根据工作数据进行积分发电量的 计算和隐患判断，并将太阳能光伏组件的工作数据、积分发电量和隐患判断结果传递给上 层应用管理系统，实现太阳能光伏组件阵列的数据采集； 所述汇集装置采用信标定位方式确定每个太阳能光伏组件的行列位置的方法为:测算 太阳能光伏组件阵列中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，选取太 阳能光伏组件阵列中已知固定行列位置的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，在汇集装置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，得出每个监控装置相对于几个信标 的相对位置，根据几个信标的已知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； 所述汇集装置通过组间错频、跳频扫描、相邻分时、信道监测、功率可调中的一种或多 种方式组合使用防止监测装置所发送信号互相干扰，保证任意时刻网络中只有一个“汇集 装置-监测装置对”交互应答。
2. 根据权利要求1所述的数据采集方法，其特征在于:所述汇集装置接收到的太阳能光 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。
3. 根据权利要求2所述的数据采集方法，其特征在于:所述汇集装置在判断太阳能光伏 组件存在隐患时，控制太阳能光伏组件所对应的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。
4. 根据权利要求1所述的列数据采集方法，其特征在于，所述积分发电量的计算包括： 所述汇集装置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分别计算每 个组串内的所有太阳能光伏组件的积分发电量，然后将每个组串内的所有太阳能光伏组件 的积分发电量进行求和得到整个组串的积分发电量。
5. 根据权利要求1所述的列数据采集方法，其特征在于:所述汇集装置通过有线物联网 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层应用管理系统。
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