CN108199747A - 一种直流光伏电力载波通讯装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种直流光伏电力载波通讯装置，该装置包括采集模块、辅助电源、控制单元、信号调理模块和耦合模块；其中，采集模块用于采集光伏阵列的电压信号和电流信号，作为采集信号；辅助电源用于将光伏阵列发出的电压信号转换为适于供控制单元工作的预设电压信号；控制单元用于接收来自采集模块的采集信号，并通过信号调理模块生成带有该采集信号的PWM信号，信号调理模块对PWM信号进行调理后发送给耦合模块；耦合模块用于将调理后的PWM信号耦合至电力线上，以利用电力线与上位机进行通讯。本发明的上述直流光伏电力载波通讯装置，利用输电线路输送工频电流的同时利用其传送载波信号，而不需要利用载波芯片，可靠性强，而且成本较低。

Description

一种直流光伏电力载波通讯装置
技术领域
本发明涉及能源发电技术，尤其涉及一种直流光伏电力载波通讯装置。
背景技术
当今世界，煤炭、石油等化石能源频频告急，环境污染问题日益严峻。而太阳能作为最具潜力的可再生能源，因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性以及实用的经济性，越来越被人们所青睐。大力发展光伏产业、积极开发太阳能，在全球范围得到了空前重视，已成为各国可持续发展战略的重要组成部分。光伏产业也称太阳能电池产业，即利用太阳能级半导体电子器件吸收太阳光辐射能，并使之转换为电能的产业。
光伏发电监控系统，可对太阳能光伏电站里的电池阵列、汇流箱、逆变器、交直流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备进行实时监控和控制，通过各种样式的图表及数据快速掌握电站的运行情况。
然而，现有的光伏发电监测系统中在处理载波信号时，均需要使用载波芯片，这不仅使得系统工作情况复杂，而且成本也会较高。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明提供了一种直流光伏电力载波通讯装置，以至少解决现有的光伏发电监测系统均需要使用载波芯片以及铺设通信线路来处理载波信号的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种直流光伏电力载波通讯装置，该装置包括采集模块、辅助电源、控制单元、信号调理模块和耦合模块；其中，所述采集模块用于采集光伏阵列的电压信号和电流信号，作为采集信号；所述辅助电源用于将所述光伏阵列发出的电压信号转换为适于供所述控制单元工作的预设电压信号；所述控制单元用于接收来自所述采集模块的所述采集信号，并通过信号调理模块生成带有该采集信号的PWM信号，所述信号调理模块对所述PWM信号进行调理后，发送给所述耦合模块；所述耦合模块用于将调理后的PWM信号耦合至电力线上，以利用电力线与上位机进行通讯。
进一步地，所述采集模块包括电流采集电路和电压采集电路，所述电流采集电路用于采集所述光伏阵列的电流信号，所述电压采集电路用于采集所述光伏阵列的电压信号。这样，通过运用分压法和电流取样电阻的方式进行电压电流的采集，控制单元自带AD转换模块，直接把分压后的电压和减小后的电流送入控制单元即可完成光伏阵列电压电流信号的采集。
进一步地，所述采集模块还包括用于采集所述光伏阵列的温度信号的温度传感器，所述采集信号还包括所述温度传感器所采集的温度信号。
进一步地，所述控制单元采用单片机专用数控电源控制器，集成有高速同步AD变换器、高精度PWM生成器及通讯电路。
进一步地，所述信号调理模块适于对所述PWM信号进行滤波放大，其中，所述信号调理模块采用MOS管设计功放电路，采用SP8M3芯片，通过SP8M3芯片中双MOS管与电阻二极管以及电感组成非限幅式钳位电路，而将控制单元输出的电平由3.3V信号转化为高于3.3V的方波信号，以完成对所述PWM信号功率的放大。
进一步地，该装置的内部传输模块中的硬件电路采用隔离的RS485或者CAN，通过通讯功能实现数据的相互传输与交互以协调工作。
进一步地，所述辅助电源由所述光伏阵列供电，以提供该装置各部分所需的工作电源。
进一步地，所述辅助电源包括XL7005A模块、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十五电容C15、第十六电容C16、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、稳压二极管D3以及电感SWRH0604B-101MT；其中，第十五电容C15和第十六电容C16并联在XL7005A模块的1脚和5脚之间，XL7005A模块的4脚空置；稳压二极管D3的负极连接XL7005A模块的2脚、正极接地，电感SWRH0604B-101MT的一端连接XL7005A模块的2脚、另一端经由第十一电阻R11和第十二电阻R12串联后接地，且电感SWRH0604B-101MT的所述另一端连接+3.3V电压；此外，第十二电容C12连接在电感SWRH0604B-101MT的所述另一端与XL7005A模块的3脚之间，而第十三电容C13和第十四电容C14并联连接在电感SWRH0604B-101MT的所述另一端与地之间。
本发明的直流光伏电力载波通讯装置，是一种实时性光伏阵列数据监测通讯装置，包括控制单元、辅助电源模块、电压采集电路、电流采集电路、信号调理电路模块和耦合电路模块等。控制单元采用单片机专用数控电源控制器，集成有高速同步AD转换器、高精度PWM生成器及其通讯电路等，通过控制单元产生的带有信号的高精度PWM波进行远程通讯，电力线载波通讯的信号调制和解调通过软件编程实现，通过电力线信号的传输控制整个光伏系统工作，通讯装置可以串联或者并联，构成大型的光伏发电监测系统。
本发明的直流光伏电力载波通讯装置，可以直接安装在光伏阵列的背面，对光伏组件进行实时的数据监测通讯。该通讯装置可以进行串联或者并联，构成大型的光伏发电系统。该技术是把载有信息的高频信号加载于电流，然后通过电力线进行传输，接收端再把高频从电流中分离出来，并由调制解调器解调出数据信息，传送到接收终端，最终实现信息的传递。由于输电线路具有十分牢固的支撑结构，所以利用输电线路输送工频电流的同时，利用其传送载波信号，既经济又十分可靠。相比于现有技术，本发明的上述直流光伏电力载波通讯装置，不需要载波芯片和通信线路，直接运用电力线进行通讯，即可完成对光伏组件进行实时的数据监测通讯，节省了载波芯片和通信线路的铺设的成本，具有显著进步。其中，这里所说的通信线路例如是电话线、光缆等传输信号的线路，如果不用电力载波，不光有电力线传输光伏阵列发出的电流，还需要铺设通信线，而本发明可以直接用电力线进行传输电流和通信信号。
通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1是示意性地示出本发明的直流光伏电力载波通讯装置的一个示例的结构图；
图2是本发明的一个优选实施例的直流光伏电力载波通讯装置的结构示意图；
图3是控制单元的一个示例性结构示意图；
图4A是电压采集电路的示例性结构示意图；
图4B是电流采集电路的示例性结构示意图；
图5是辅助电源的一个示例性结构示意图。
本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明的实施例提供了一种直流光伏电力载波通讯装置，该装置包括采集模块、辅助电源、控制单元、信号调理模块和耦合模块；其中，所述采集模块用于采集光伏阵列的电压信号和电流信号，作为采集信号；所述辅助电源用于将所述光伏阵列发出的电压信号转换为适于供所述控制单元工作的预设电压信号；所述控制单元用于接收来自所述采集模块的所述采集信号，并通过所述信号调理模块生成带有该采集信号的PWM信号，所述信号调理模块对所述PWM信号进行调理后，发送给所述耦合模块；所述耦合模块用于将调理后的PWM信号耦合至电力线上，以利用电力线与上位机进行通讯。
图1给出了本发明的直流光伏电力载波通讯装置的一个示例的结构图。
如图1所示，在该示例中，该装置包括采集模块110、辅助电源120、控制单元130、信号调理模块140和耦合模块150。
其中，采集模块110用于采集光伏阵列的电压信号和电流信号，作为采集信号。
辅助电源120用于将光伏阵列发出的电压信号转换为适于供控制单元工作的预设电压信号。
控制单元130用于接收来自采集模块110的采集信号，并通过信号调理模块140生成带有该采集信号的PWM信号，信号调理模块140对PWM信号进行调理后，发送给耦合模块150。
控制单元130把采集到的电压信号和电流信号(作为采集信号)通过串口输出，同时产生一个PWM基波，在信号调理模块中通过一个模拟开关把信号调制成带有采集信号的PWM波形信号(也就是现有的2ASK信号调制解调方式)。
耦合模块150用于将调理后的PWM信号耦合至电力线上，以利用电力线与上位机进行通讯。
根据一个实现方式，采集模块110可以包括电流采集电路和电压采集电路，电流采集电路用于采集光伏阵列的电流信号，电压采集电路用于采集光伏阵列的电压信号。
根据一个实现方式，采集模块110还可以包括用于采集光伏阵列的温度信号的温度传感器，采集信号还可以包括温度传感器所采集的温度信号。
根据一个实现方式，控制单元130可以采用单片机专用数控电源控制器，集成有高速同步AD变换器、高精度PWM生成器及通讯电路。
根据一个实现方式，信号调理模块140可以对PWM信号进行滤波放大，其中，信号调理模块采用MOS管设计功放电路，采用SP8M3芯片，该芯片为具有低导通阻值的双MOS管芯片，通过SP8M3芯片中双MOS管与电阻二极管以及电感组成非限幅式钳位电路，而将控制单元输出的电平由3.3V信号转化为高于3.3V的方波信号，以完成对PWM信号功率的放大。
根据一个实现方式，该装置的内部传输模块中的硬件电路可以采用隔离的RS485或者CAN，通过通讯功能实现数据的相互传输与交互以协调工作。
根据一个实现方式，辅助电源可以由光伏阵列供电，以提供该装置各部分所需的工作电源。
优选实施例
在该优选实施例中，采用如下技术方案：直流光伏电力载波通讯装置包括：控制单元、调理电路(相当于上文所述的信号调理模块)、耦合电路(相当于上文所述的耦合模块)、辅助电源、电压采集电路和电流采集电路(相当于上文所述的采集模块)等。辅助电源由光伏组件供电，转换成稳定的直流电压，提供各电路所需的工作电压。控制单元是系统的核心，采用单片机专用数控电源控制器，集成有高速AD变换器、高精度PWM生成器。通过软件控制AD变换器采集输入的电流、电压、温度等信号，控制高精度PWM生成器产生带有电压、电流、温度信号的PWM信号波，通过调理电路对产生的调制信号进行滤波放大后，通过耦合电路将信号耦合到电力线中进行通讯。
图2给出了该优选实施例的一个示例性结构示意图。如图2所示，1为光伏阵列，2为电压采集电路，3为辅助电源，4为电流采集电路(2和4作为上文所述的采集模块110中的组成部分)，5为控制单元，6为调理电路(相当于上文所述的信号调理模块140)，7为耦合电路，8为电力线。
其中，直流光伏电力载波通讯装置可以直接安装在光伏阵列的背面，对光伏阵列进行电流电压温度等信号的采集传输和通讯。利用通讯功能可以协调光伏优化器及其组件的工作，从而最大程度的发挥每个光伏组件的效能，对局部阴影造成的电气参数失配具有很高的调节能力，提高光伏发电系统的效率。
控制单元U1采用单片机专用数控电源控制器STM32F030F4PX，其电路结构如图3所示，集成有高速同步AD变换器、高精度PWM生成器及通讯电路等。由于采用全数字化设计，通过软件控制AD变换器采集输入、输出电压采集电路和电流采集电路采集到的电压电流信号，控制高精度PWM生成器产生能够进行通讯的PWM数据信号，进入信号调理单元进行调理后，利用耦合模块，将产生的带有通讯数据的PWM波耦合到电力线上，利用电力线与上位机进行通讯。R1和R3为电阻。
电压采集电路和电流采集电路可以分别采用如图4A和图4B所示的结构，采用分压法进行测量。这样，通过运用分压法和串联电阻(电流取样电阻)的方式进行电压电流的采集，控制单元自带AD转换模块，直接把分压后的电压和减小后的电流送入控制单元即可完成光伏阵列电压电流信号的采集。
如图4A所示，对于电压信号可以直接通过电阻分压方式将电压降为适合AD变换器工作的电压。图4A中的第六电阻R6和第八电阻R8的阻值分别是24K欧和2K欧。其中，VIN是光伏阵列发出的电压信号，该电压信号通过VIN接入降压电路。第六电阻R6(24K)和第八电阻R8(2K)构成一个降压倍数为12倍的降压采样电路，其中，VIad是串口标识符，即把输入电压送入MCU的串口进行AD变换，把电压信号转换为数字信号，以供MCU进行数字处理。
如图4B所示，对于电流信号采用了电流取样电阻，通过电流感测放大器转换为电压信号送AD变换器进行采样。INA214是一种电流感测器(图中U5)，该器件可针对系统优化提供过流保护和精密电流测量，加上如图所示设计的外围电路(包括第三十三电容C33、第三十四电容C34等)，将光伏组件发出的电流降低后送入MCU的串口进行AD变换，把电流信号转换为数字信号，右边的Header2(图中P5)是一种方便接线的排针。IOad是标识符。
信号调理模块将输出的PWM信号波进行滤波放大，采用MOS管设计功放电路。SP8M3为具有低导通阻值的双MOS管芯片，通过双MOS管与电阻二极管以及电感组成非限幅式钳位电路，将控制单元输出的电平由3.3V信号转化为具有更高电平的方波信号，完成了发送信号功率的放大。
内部传输模块的硬件电路为隔离的RS485或者CAN，通过通讯功能实现数据的相互传输与交互，协调工作。
辅助电源由光伏阵列供电，提供通讯装置各电路所需的工作电源，可以采用如图5所示的结构，由XL7005A模块及周边电路(如图5中的多个电阻R11、R12、多个电容C15、C16、C12、C13、C14以及稳压二极管D3(型号S210))和电感SWRH0604B-101MT组成。多个电阻R11、R12例如分别为第十一电阻R11和第十二电阻R12；多个电容C15、C16、C12、C13、C14例如分别为第十五电容C15、第十六电容C16、第十二电容C12、第十三电容C13和第十四电容C14。
第十五电容C15和第十六电容C16并联在XL7005A的1脚和5脚之间(5脚接地)，XL7005A的4脚空置；稳压二极管D3的负极连接XL7005A的2脚、正极接地，电感SWRH0604B-101MT的一端连接XL7005A的2脚、另一端经由第十一电阻R11和第十二电阻R12串联后接地，且电感SWRH0604B-101MT的所述另一端连接+3.3V电压；此外，第十二电容C12连接在电感SWRH0604B-101MT的所述另一端与XL7005A的3脚之间，而第十三电容C13和第十四电容C14并联连接在电感SWRH0604B-101MT的所述另一端与地之间。本发明实施例的上述辅助电源，与现有技术采用的电源模块不同，实验验证，采用图5所示的包括XL7005A模块以及由多个电阻、电容、稳压二极管和电感组成的外围电路的辅助电源，能够稳定、可靠地提供通讯装置各电路所需的工作电源，而目前在光伏发电监控系统中，现有的辅助电源均存在电压不稳定等缺点。
耦合模块将控制单元产生的信号波形通过耦合模块耦合到电力线中，进行电力线载波通讯，其采用载波变压器将得到的调理信号耦合到电力线上，共模电感起阻波的作用。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种直流光伏电力载波通讯装置，其特征在于，该装置包括采集模块、辅助电源、控制单元、信号调理模块和耦合模块；
其中，所述采集模块用于采集光伏阵列的电压信号和电流信号，作为采集信号；
所述辅助电源用于将所述光伏阵列发出的电压信号转换为适于供所述控制单元工作的预设电压信号；
所述控制单元用于接收来自所述采集模块的所述采集信号，并通过所述信号调理模块生成带有该采集信号的PWM信号，所述信号调理模块对所述PWM信号进行调理后发送给所述耦合模块；
所述耦合模块用于将调理后的PWM信号耦合至电力线上，以利用电力线与上位机进行通讯。
2.根据权利要求1所述的直流光伏电力载波通讯装置，其特征在于，所述采集模块包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器用于采集所述光伏阵列的电流信号，所述电压传感器用于采集所述光伏阵列的电压信号。
3.根据权利要求2所述的直流光伏电力载波通讯装置，其特征在于，所述采集模块还包括用于采集所述光伏阵列的温度信号的温度传感器，所述采集信号还包括所述温度传感器所采集的温度信号。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的直流光伏电力载波通讯装置，其特征在于，所述控制单元采用单片机专用数控电源控制器，集成有高速同步AD变换器、高精度PWM生成器及通讯电路。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的直流光伏电力载波通讯装置，其特征在于，所述信号调理模块适于对所述PWM信号进行滤波放大，其中，所述信号调理模块采用MOS管设计功放电路，采用SP8M3芯片，通过SP8M3芯片中双MOS管与电阻二极管以及电感组成非限幅式钳位电路，而将所述控制单元输出的电平由3.3V信号转化为高于3.3V的方波信号，以完成对所述PWM信号功率的放大。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的直流光伏电力载波通讯装置，其特征在于，该装置的内部传输模块中的硬件电路采用隔离的RS485或者CAN，通过通讯功能实现数据的相互传输与交互以协调工作。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的直流光伏电力载波通讯装置，其特征在于，所述辅助电源由所述光伏阵列供电，以提供该装置各部分所需的工作电源。
8.根据权利要求7所述的直流光伏电力载波通讯装置，其特征在于，所述辅助电源包括XL7005A模块、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十五电容C15、第十六电容C16、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、稳压二极管D3以及电感SWRH0604B-101MT；
其中，第十五电容C15和第十六电容C16并联在XL7005A模块的1脚和5脚之间，XL7005A模块的4脚空置；稳压二极管D3的负极连接XL7005A模块的2脚、正极接地，电感SWRH0604B-101MT的一端连接XL7005A模块的2脚、另一端经由第十一电阻R11和第十二电阻R12串联后接地，且电感SWRH0604B-101MT的所述另一端连接+3.3V电压；此外，第十二电容C12连接在电感SWRH0604B-101MT的所述另一端与XL7005A模块的3脚之间，而第十三电容C13和第十四电容C14并联连接在电感SWRH0604B-101MT的所述另一端与地之间。
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