CN109256854A - 基于无线通信实现对分散型光伏电站进行监控的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主要涉及到基于无线通信实现对分布式光伏电站进行监控的方法，对在地域上分散的各个光伏电站划分区域，每个区域均包含一个或多个光伏电站且在每个区域至少部署一台网关；为每个区域提供多个终端，任意一个终端用于访问它所属的区域中配置的一个或多个携带了光伏组件的指定数据的电力设备的存储数据；为任意一个所述终端分配唯一的一个专属编号；启动不同区域的不同所述网关和所述终端实施组建网络；待所述网络组建完成后再由所述网关向服务器上传数据。
Description
技术领域
本发明主要涉及到光伏电站监控系统领域，确切的说是涉及到基于无线通信技术实现对分布式光伏电站进行监控的方法。
背景技术
资源与环境是人类赖以生存、繁衍和发展的基本条件，近一个世纪以来全世界人口增长了约两倍而能源和自然资源的消费增长了约十倍，显然太阳能必然会朝着蓬勃发展的方向日趋增长，但同时也面临着各种问题的挑战，积极解决光伏能源出现的各种问题对于推广太阳能和提高整个社会对光伏的认知度和接受度是有必要的。
基于人类面临着环境日趋恶劣的问题，尤其是发展中国家频率出现的浑浊大气等极其恶劣的环境。太阳能得到了越来越广泛的推广，硅技术使太阳能组件蓬勃发展。光伏并网是多个电池先串联，串联的电池再并联给逆变器提供直流电压源，逆变器将直流电转换成交流电。光伏组件的电学特性受到温度、阳光辐照强度的影响而发生很大的变化。在光伏并网系统中，要使发电系统更稳定的运行，需要及时发现各种潜在的威胁，如电弧故障或超过温度阈值等就是负面的威胁，可能会让某些电池从电压源转换成负载而引起电池板发热至起火烧毁，实时地精确监控光伏电池的电压、电流、功率及温度和发电量等工作参数是光伏发电系统中很重要的一个环节。光伏电池的运行参数监控在实际的应用场合更多的是采用了电力线载波作为通讯手段，依靠载波很容易就能将光伏电池的运行参数作为通信数据传递到光伏电池提供光伏电压的电力线上，再从电力线上进行载波信号的解码即可撷取光伏电池的实时参数。各种当前的标准无线通信技术也被广泛的推行到光伏电池的工作参数监控的应用场合。考虑到光伏电池的应用中是很多电池串联构成串组，可能会给人身造成高压威胁，在基于保障光伏电池是安全的前提下，将光伏电池的工作参数提取出来然后执行通信收发，及时发现存在潜在故障的光伏电池是本申请的目的。
发明内容
在本申请的一个可选实施例中，披露了一种基于无线通信实现对分散型光伏电站进行监控的方法中，包括：对该光伏电站的在地域上或在地理位置上分散开的各个光伏组件划分或分割区域，在每个区域均划定或布局一个或多个光伏组件而且还在每个区域至少部署一台网关；为每个区域提供多个终端，任意一个终端用于访问它所属的区域中配置的一个或多个电力设备携带的与光伏组件相关的指定类型数据或目标数目；为任意一个所述的终端分配唯一的一个专属编号也即ID；启动不同区域的不同所述网关和所述终端实施组建网络；待所述网络组建完成后再由所述网关向一个服务器上传数据。
上述的方法，其中：所述电力设备包括安装在光伏组件侧的用于采集所述指定类型数据的数据采集器；所述指定类型数据至少包括体现光伏组件温度特性的温度值和体现光伏组件输出特性的电压值与电流值。
上述的方法，其中：所述电力设备包括为每一个光伏组件配置的用于执行最大功率点追踪的电压变换器并且由电压变换器输出该光伏组件实施电压转换后的电压；所述指定类型数据至少包括体现所述电压变换器输出特性的输出电压及输出电流值。
上述的方法，其中：所述电力设备包括用于对由光伏组件串联构成的串组进行汇流的汇流箱；以及所述电力设备包括用于对由光伏组件提供的直流电源进行逆变的逆变器。
上述的方法，其中：所述终端为LORA无线收发终端以及所述网关为LORA网关。
上述的方法，其中：任意一个网关设有无线发送模块和无线接收模块，任意一个网关读取它所在区域的所有视为节点的所述终端的数据的方式为：
S1、所述网关利用无线发送模块先向任意的前一个节点发送读取数据的请求，发送请求完毕之后延时一个预设的时长；
S2、所述网关利用无线发送模块继续向任意后一个节点发送读取数据请求，与此同时所述网关同步藉由无线接收模块撷取来自前一个节点的响应数据；
重复S1-S2经过多次循环使任意一个网关读取到它所在区域的所有节点的数据。
上述的方法，其中：所述无线发送模块和无线接收模块分别工作在预设的发送频段和预设的接收频段；所有节点工作在接收频段且发送频段和接收频段的频段范围不同。
上述的方法，其中：所述预设的时长等于该任意的前一个节点从数据接收模式切换到数据发送模式的耗时和根据波特率计算出的发送数据耗用的传输时间两者相加的总时间。
上述的方法，其中：所述网关使用基于蜂窝的窄带物联网接入到服务器，任意两个网关之间不直接通信而是由服务器整合不同网关上传的数据。
上述的方法，其中：任意一个确定区域内的所述终端限定只能接入到所述确定区域所配置的网关，不能串扰到其他区域的网关。上述的方法，其中：任意一个确定区域部署的网关位于所述确定区域的地理中心位置。上述的方法，术语所述的指定类型数据的替代术语有多种，例如目标数据、期望数据和预定数据等等。
附图说明
为使上述目的和特征及优点能够更加明显易懂，下面结合附图对具体实施方式做详细的阐释，阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本发明的特征和优势将显而易见。
图1是对在地域上分散的各个分布式或集中式光伏电站划分区域示意图。
图2是某个光伏电站可能涉及到的可以采集数据的部分电力设备示意图。
图3是基于无线通信技术实现对分散型的光伏电站进行监控的方法流程。
图4是网关读取它所属的某个区域中所有节点的数据的方法步骤示意图。
具体实施方式
下面将结合各实施例，对本发明的技术方案进行清楚完整的阐述，但所描述的实施例仅是本发明用作叙述说明所用的实施例而非全部的实施例，基于该等实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的方案都属于本发明的保护范围。
在光伏发电领域，光伏组件或光伏电池是发电的核心部件之一，太阳能电池板在主流技术的方向分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳能电池等，大型的集中式光伏电站采用的电池组件的数量庞大，小型的分布式户用型小型电站采用的电池组件的数量相对较少。硅电池在本领域要求的使用年限一般高达二十多年的寿命，对电池板的长期性和持久性监测是必不可少的。内部和外部因素都会导致组件的发电效率降低，如光伏组件自身之间的制造差异或安装差异或阴影遮挡或最大功率追踪适配等因素都会引起效率低下。以典型的阴影遮挡为例，如果部分光伏组件被云朵或建筑物或树影或污垢等类似情况遮挡后，这部分组件就会由电源变成负载而不再产生电能，光伏组件在发生热斑效应严重的地方局部温度可能较高，甚至超过150℃，导致局部区域烧毁或形成暗斑、焊点融化甚至封装材料老化、炸裂、腐蚀等永久性破坏，给光伏组件的长期安全性和可靠性造成极大地的隐患。行业亟待解决的问题就是：实时观察每一块光伏电池板的工作状态，对电池的过温、过压、过流和输出端短接等异常情况进行预警。
在光伏发电领域，涉及到组件或电池的安装，这需要绝对的安全。如果光伏组件发生过温或过压或过流等类似的异常情况，无疑我们需要主动去触发关断这些异常的光伏组件的动作，在异常的光伏组件退出异常状态而恢复到正常状态时我们又需要再次接入这些光伏组件，这同样需要绝对的安全。而且有些场合需要检测组件的发电量或者说是监测输出功率情况，这是判断组件质量的依据，如果组件的发电量降低很明显则很可能也是发生了发电异常事件，被鸟粪、灰尘、建筑物、树影、云朵等遮挡，需要我们去清洁电池或改变安装方位等措施。单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳能电池等都是属于特性容易发生衰减的材质，监控组件的衰减程度是必要的，这对于判断电池的质量很重要。问题是：我们并不知道如何在庞大组件阵列中甄别那些组件是异常组件那些组件是正常组件。很多时候在安装阶段就要直接判断出那些质量不佳的电池或组件，绝不允许存在质量瑕疵的问题电池并组装/安装到光伏电池阵列中去，否则含有质量问题的电池进入电池阵列就导致整个阵列发电效率低下，更恶劣的是某一块或某几块问题电池的异常电压值或电流值可能导致整个电池串组都一并被损坏，造成较大的损失。
随着光伏发电系统每年的装机容量不断提升，光伏电站特别是分布式光伏电站因为其整体的占地面积显得较大，电力电子设备分布较为分散，因此光伏电站的监控和维护变得非常困难，传统的人工巡检费时费力，并且在故障出现时不易及时发现和排除，达不到所谓的实时监控实时运维。所以我们迫切需要自动化的电站运行状态监测手段。传统的电站监控系统有通常使用有线的MODBUS或利用433/471/915MHZ频段的无线模块，对于有线通信系统，需要布置通信线缆，仅仅适合需要监测近距离极少数设备的情景。传统的无线监控系统解决了有线系统连线复杂、成本高的问题，但只对逆变器进行监测，监测的粒度不够细，覆盖范围通常较小，主要是因为发电系统从光伏组件电压源到并网的整个过程中涉及到了大量的电力设备，对部分特定电力设备的监控远远无法满足电站业主的监控需求。传统的监控系统对于大规模分散型电站往往显得力不从心，需要构建较为复杂的高成本网络，劣势是容易出现故障，在使用便利性和成本上都存在着不足。
参见图1，假设在地域或地理位置上分布有众多的小型光伏电站P0和分布有众多的大型光伏电站P1，前者又可以称之为户用型或分布式电站，后者又可以称之为集中式的光伏电站，它们在光伏组件的使用量上差异十分巨大。先行对在地域或地理位置上上分散的各个光伏电站划分区域，每个区域均包含一个或多个光伏电站而且在每个区域还至少部署有一台网关：第一区域Region1和第二区域Region2、第三区域Region3依次类推直至推演到第Q区域Region-Q，这里Q为自然数。每个区域里面都合理的分配有小型光伏电站和/或大型光伏电站。在电站靠近中心区域或者将电站分区，第一区域至第Q区域中的每个区域的地理中心部署一台网关GW：第一区域配置有网关GW1和第二区域配置有网关GW2直至第Q区域配置有网关GW-Q。启动不同区域Region1至Q的不同网关和后文的LORA终端组建网络，由网关GW1至GW-Q向服务器SER上传数据。
参见图2，无论是小型光伏电站P0还是大型光伏电站P1，从光伏组件的光伏效应到最终产生交流电进行并网，任意一个光伏电站都使用了数量众多的电力设备。以光伏组件阵列为例，它们是光伏发电系统从光能到电能转换的基础。图2显示光伏组件阵列当中安装有并联的电池串组，电池串组由N级串联连接的光伏组件PV1、PV2…至PVN串接构成，其中设N是大于等于1的自然数。在该实施例中光伏组件或称电池PV均配置有执行最大功率追踪MPPT的功率优化电路PO，譬如第一个光伏组件PV1产生的光伏电压由第一个功率优化电路PO1进行直流到直流电压转换以执行功率优化，以及第二个光伏组件PV2产生的光伏电压由第二个功率优化电路PO2进行电压转换，直至第N级的光伏组件PVN产生的光伏电压由第N级的功率优化电路PON进行电压转换以执行功率优化功能。其实与每块光伏电池PV对应的功率优化电路PO输出的电压才可以表征该光伏电池PV提供在光伏电池串组上的实际电压。我们先假定任意一串的光伏电池串组串接有第一级光伏组件PV1、第二级光伏组件PV2…至第N级的光伏组件PVN，第一级功率优化电路PO1用于将第一级光伏电池PV1的光伏电压源执行最大功率追踪而进行电压转换并输出V1，至第N级功率优化电路PON将第N级的光伏电池PVN的光伏电压执行最大功率追踪而进行电压转换并输出VN，可以获悉，任意一串光伏电池串组上总的串级电压等于：第一级功率优化电路PO1输出的电压V1加上第二级功率优化电路PO2输出的电压V2再加第三级功率优化电路PO3输出的电压V3……直至累加到第N级的功率优化电路PON输出的电压VN，串级电压的结果就等于V1+ V2+……VN。功率优化器或电压转换电路本质上是直流到直流的转换器，如BUCK、BOOST和BUCK-BOOST等。须强调的是，现有技术中针对光伏电池的最大功率追踪的任何方案同样适用于本申请的电压转换电路，常见的最大功率追踪法有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法等，本申请不再对电压转换电路如何执行最大功率追踪MPPT的方案予以赘述。前文已经解释了与每块光伏电池对应的功率优化电路输出的电压才表征该光伏电池提供在对应的光伏电池串组上的实际电压：第一级功率优化电路PO1、第二级功率优化电路PO2至第N级的功率优化电路PON等通过串接线串联连接，串接线上由优化电路PO1-PON叠加的串级电压再由直流母线输送给类似于汇流箱CB/逆变器INVT等电力设备进行汇流/逆变。
参见图2，为了实现这些预定的目标，本申请后续涉及的集成通信功能的光伏组件监测系统，可以将光伏电池所有的工作参数都用通信手段来反映到节点上，它为光伏电站对电池执行故障报警、故障快速定位等提供了合适的解决方案，适用于不同规模的并网或离网型的光伏发电系统。利用图中的采集模块100将光伏组件PV的电压、电流、功率以及温度和发电量等一系列的指定工作参数（预设数据）进行采集，注意采集这些工作参数的数据采集模块属于现有技术：采集模块100可以集成温度采集器、电流采集器或电压采集器，甚至还可以集成或配合环境数据采集器来采集组件的周遭环境参数，因此采集模块或数据采集器100属于携带了光伏组件各种工作参数的电力设备。任何可采集电池这些参数的方案均兼容本申请，本申请不再单独对现有的数据采集器单独阐释。
参见图2，简化的光伏组件阵列是光伏发电系统的基础，光伏组件阵列中安装有基本的多个电池组串，每个电池组串由多个单体组件的光伏电池构成。光伏电池板监测器可以采用数据采集器100并且对应和光伏组件PV并联，为了实现数据采集和监测的目的该光伏电池板监测器通常带有现有技术中常见的温度和电压电流等采集模块，用于光伏电池的某些指定工作参数进行采集。而且基于通讯的目的，该光伏电池板监测器还可以配置有载波发送和载波接收模块，通过电力载波通信的方式将所采集到的数据或工作参数发送至载波解码器。对于某个指定的光伏电池及和它并联的指定光伏电池板监测器而言，该指定的光伏电池板监测器发出的载波信号加载在用于串接起该指定的光伏电池的那一个电池组串的电力传输线上。作为感测和解码载波信号的一方，解码器通常带有传感器模块和带通滤波器模块及处理器等，电力传输线穿过传感器模块（如罗氏空心线圈传感器等）藉此由传感器模块来侦测传输线上的载波信号，为了精确的捕获真实的载波数据和屏蔽噪声，带通滤波器模块对传感器模块感测到的载波信号进行滤波获取真实的预期载波信号，然后其处理器再对捕获的载波进行必要的模数转换和解码。解码器可以集成在汇流箱CB或者逆变器INVT中，例如：可以监测电池组串的串级电流ISTR和/或感测及运算电池组串的串级电压，这些也属于和组件相关的数据，霍尔传感器是检测电池组串的串级电流而经常使用的电流感应方式，还值得说明的是，在现有技术中任何可以检测出或运算出电池组串的串级电流串级电压的手段均适用于本申请。在另一些可选实施例中，解码器或者是带有解码器的检测模块使用传感器模块和带通滤波器模块还可以相兼容的检测出每个电池组串上的电弧情况，传输线路上的电弧信号较之载波的差异主要是频带不同。参见图2，还使用了汇流箱INVT，汇流箱的主要作用之一主要就是对多个电池组串的直流电压及电流进行逆变成交流电。逆变器或者汇流箱中携带的与光伏组件相关的指定类型数据，除了常见的输入输出的电压、电流和功率，及温度、故障信息相关的参数，逆变器或者汇流箱携带的任何指定类型数据都可以被LORA终端访问和读取到。
参见图2，在某些实施例中我们不仅要监测电池自身的参数，还需要监测电池所在位置的地理环境因素，因为电池组件周边的环境直接影响着电池的工作状态，还可以额外再采用环境检测仪用来采集光伏组件的周边环境数据，环境检测仪对温湿度甚至各种气体的成分等环境参数都能精准的测量，作为另一种电力设备该环境监测仪传输给LORA终端的参数至少包括环境监测仪所监测到的环境数据。环境监测仪也作为从机将一系列的数据通过 RS485 总线或无线等传给LORA终端。光伏电站的环境数据对掌控电池的工作状态同样十分重要，环境参数在移动终端或计算机设备上反映出来就可以判断电池所处的周遭环境状态，例如电池自身的温度偏离预定值可能不是电池自身的异常造成的，而可能是环境的急剧的高低温变化因素引起的，环境参数是采取应对措施的依据。
基于上文的阐释基础，服务器可以支持移动端读取数据。需要先在手机或PAD之类的移动端或计算机设备上下载配套设置的APP应用，在APP应用端可以显示电站当地的时间、环境状况，还可以进行功率曲线的显示，支持单个电池板、每个电池组串、每个汇流箱的功率曲线。功率曲线支持例如以小时为时间单位的间隔显示，可以显示当天的整个功率变化。还可以进行发电量的显示，支持每个电池板、每个电池组串、每个汇流箱发电量的显示。发电量等数据可以以折线图的方式显示，时间间隔可以是小时、天、月和年等单位，例如：以小时为间隔则可以显示当天 24 小时每个小时的发电量，以天为间隔则可以显示当天前一个月的每天发电量，以月为间隔则显示当月前一年的每月发电量，如果以年为间隔则显示从装机年份至当年的每年发电量。在手机APP中支持查看电池板时功率曲线，当前电压、电流、温度会跟电池板的当前功率一块出现，在查看所谓的串组功率曲线时就会在当前功率旁边出现电池串组的电压和电流，在查看汇流箱功率曲线时就会在当前功率旁边出现母线电压和母线电流，支持在APP中显示一串电池板的状态。而且还可以在APP中显示电池板电压过低、过高、温度过高等功能的报警提示等。
参见图3，对分散型光伏电站进行监控的方法，包括以下步骤：结合图1需要对在地域上分散的各个光伏电站划分区域Region1至Region-Q，在每个区域均划定一个或多个光伏电站且在每个区域至少部署一台网关GW，第一区域配置有网关GW1和第二区域配置有网关GW2直至第Q区域配置有网关GW-Q，如步骤S101；结合图2，并且为每个区域提供多个终端110，任意一个终端110用于访问它所属的区域中配置的一个或多个电力设备携带的与光伏组件相关的指定类型数据，例如：某个终端110用于访问它所属的区域中配置的数据采集器100携带的与光伏组件相关的指定类型数据，某个终端110用于访问它所属的区域中配置的优化器PO携带的与光伏组件相关的指定类型数据，而某个终端110用于访问它所属的区域中配置的光伏汇流箱CB携带的与光伏组件相关的指定类型数据，甚至是某个终端110用于访问它所属的区域中配置的逆变器INVT携带的与光伏组件相关的指定类型数据，等等。这里指定类型数据不限制于特定类型的数据，电力设备携带的与光伏组件相关的任何数据都可以被LORA终端读取，如步骤S102。为了网关能够识别不同的终端，还需要为任意一个LORA终端分配唯一的一个专属编号ID，以便不同的终端和网关互连后不至于混淆，如步骤S103。然后启动不同区域Region1-Q的不同的所述网关GW1-Q和LORA终端实施组建网络，如步骤S104。最后待所述的网络组建完成后再由网关GW1-Q向服务器SER上传数据，如步骤S105。
参见图4，任意一个网关GW设有无线发送模块和无线接收模块，任意一个网关需要读取它所在区域的所有节点数据，例如：网关GW1需要读取它所在区域Region1的所有节点数据，网关GW2要读取它所在区域Region2的所有节点数据，网关GW-Q需要读取它所在区域Region-Q的所有节点数据。任意一个网关读取它所在区域的所有视为节点的LORA终端的数据的方式为：S1、网关GW利用无线发送模块先向任意的前一个节点发送读取数据的请求，如步骤S211，发送请求完毕之后延时一个预设的时长再发送下一个读取数据的请求，如步骤S212；S2、网关GW利用无线发送模块继续向任意后一个节点发送读取数据请求，如步骤S221，与此同时网关GW同步藉由无线接收模块撷取来自前一个节点的响应数据，如步骤S222；只要重复这里的S1-S2然后经过多次循环之后便可以使得网关GW1读取到区域Region1的所有节点的数据，使得网关GW2读取到区域Region2的所有节点的数据，同样，可以使网关GW-Q读取到区域Region-Q的所有节点的数据，如步骤S230。这种结合无线发送模块和无线接收模块的传输方式不仅仅高效节省数据传输时间，防止延时，还能减小误码率。
在一个可选的实施例中披露了一种基于LORA无线通信的光伏电池板监测系统和对应的方法，通过LORA无线通信技术低功耗长距离通信的优势，通过简单的星型网络便可部署大规模高密度的监控网络，通过LORA终端和光伏电池板及其附属设施即附属电力设备的直接连接，使监控系统可以精确得知每一块电池板的工作状态。监测系统使用的主要设备有LORA网关和LORA终端，LORA终端配置具有MODBUS、RS-485、RFID等通信模块，用于访问要监测的电池板和优化器等电力设备装置。较为明显的优势是这里采用的LORA网关具有MODBUS、以太网和WIFI等通信连接能力，用于对外建立通信后实现对外提供数据，还可供本地直接读取数据或者将数据上传到服务器。
本发明解决了光伏电站和分布式光伏电站系统运行状态难以监测和传统系统监测粒度不够细的问题，提升光伏电站的运维效率，降低光伏电站的运维成本。利用LORA无线通信技术远距离通信的技术优势，在光伏电站中根据需求部署若干个网关，每个网关根据需求链接若干个LORA终端，每个LORA终端可以连接多块光伏电池板和光伏优化器等附属设备，由于LORA无线通信的通信半径可达10Km，即使是大型电站，所需的网关数量仍然是极少，网关可以通过以太网或者WIFI接入到互联网，将所采集的数据上报到运维中心。因为LORA终端直接与电池板对接，因此可以监控每一块电池板的运行状态和大大提升了运维精度，将传统监测系统的逆变器级监控推进到了组件级别监控。
本发明的特点在于使用LORA无线通信技术替代传统的有线链接和ISM段无线通信复杂的组网方式，以少量网关覆盖大量终端组成大规模网络，并将终端与电池板相连，系统可以直接监测每块电池板的运行状况，便于运维的人员对于故障的定位和分析。基于无线通信实现对分散型光伏电站进行监控的方法包括了组网等。
第一、在电站的中心区域部署网关或将电站分区，每个区域中心部署网关。实质上这里可以有多种实施方式：对在某个电站的在地域上分散的各个光伏组件划分区域，在每个区域均划定一个或多个光伏组件且在每个区域至少部署一台网关，这里以某个电站分散在各个不同区域内的不同光伏组件作为对象来布局网关；或对在地域上分散的各个光伏电站划分区域，在每个区域均划定一个或多个光伏电站且在每个区域至少部署一台网关，这里则是以多个区域内的多个光伏电站作为对象来布局网关。
第二、为所有LORA终端各自分配一个专属编号ID（Identification），避免网关混淆不同终端而起到识别节点身份的作用。
第三、配置每个LORA终端连接的电池板的数量和型号，以及要读取的数据信息。
第四、启动所有网关和终端，开始组件网络。
第五、网络组建完成后，网关开始向服务器报告运行状态。
第六、网关得到服务器允许后，向服务器上传与之配套的所有节点即LORA终端是否正常工作的状态信息和上传与之配套的所有节点所读取到的电池板的数据信息等。
本发明的关键点在于：具备RFID、MODBUS、RS-485通信连接能力、可以直接访问电池板的配套电力设备的LORA终端装置，和将LORA终端直接部署到光伏电池板侧从而可以执行组件级别运行状态监控的方法。
在一个可选的实施例中披露了提升LORA网络响应速度和网络利用率的方法：基于上文介绍的LORA（Low Power Long Range，低功耗长距离数据传输技术）由于其自身功耗低和通信距离远的优势，在交通流量控制、公用设施监视、配电控制，及环境监视等项目中应用广泛。通常是用于搭建不依赖于电信运营商的私有广域通信网络，使用上也通常是由网关-节点组成星状网络，由一个网关来接受和调度众多节点，由于LORA技术在远距离通信时，通信速率较低，且在同一时刻网络中只能有一个节点进行发送操作，导致了网络利用率较低。同时，由于网络中不允许多个节点同时执行发送操作，在有紧急消息时就只能等待网络空闲时才能执行发送操作，导致网络的实时性和响应速度不够高。
本申请提及的任意一个网关读取它所在区域的所有视为节点的所述终端的数据的方式可提升LORA网络的响应速度和网络利用率，增强LORA网络的实时性。在LORA网络中让LORA网关同时使用两个LORA模块，两个LORA模块一个是发送模块而工作于发送模式，另外一个工作于接受模式的接收模块。网络工作于两个不同的频段，一个发送频段和一个接受频段，其中LORA模块的发送模块工作于发送频段而接收模块则工作于接收频段。网关由于有两个LORA模块，因此可以同时实现数据收发操作，并且互不干扰而且LORA节点在空闲时工作于接受频段，只有在收到来自网关读取本节点消息的数据时才切换为发送模式，向外发送数据，而在节点做出响应时，网关可以继续向其他节点发送指令，达到提升网络利用率和响应速度的目的。
使用本发明，通过增加网关端的LORA模块，并让两个LORA模块工作在不同的频段使得其同时可以进行收发操作，可以提升LORA网络的利用率，提高网络的响应速度和实时性。传统的LORA星形网络中，在同一时刻只能有发送一个数据包，使用本发明网关具有发送和接受两个独立模块；可以实现在同一时刻网关可以同时进行收发操作。
在一个实施例中，以有限的几个节点（如3个）为例来阐释以上内容：网关GW向第三节点3发送完数据读取请求后，继续向第一节点1发送数据读取请求；网关GW在向第一节点1发送读取数据请求时同时可以接收第三节点3的响应和应答数据，而不用等待第三节点3响应之后再向第一节点1发送请求，大大提升了网络利用率。
在一个实施例中，假如要实现一个小型的LORA网络，这个网络有5个节点和1个网关GW，网关GW需要轮流从该5个节点读取数据并处理。构建网络和读取各个节点的模式方案为：第一：先行让带有终端节点和网关的LORA网络系统初始化，注意在通信频带上需要设定网关GW的LORA无线发送模块和LORA无线接收模块对应分别工作在预设的发送频段和预设的接收频段，这两个频段的频带范围不同，再者还需要设定所有的这5个节点工作在接收频段。第二：网关GW随机向任意的一个节点1发送读取数据请求，发送请求完毕之后延时预设的小段时长TD，延时的时长为预先计算的节点1进行从数据接收模式切换到数据发送模式的耗时TIME1和根据波特率计算出的节点1响应请求而发送数据到网关的数据传输时间TIME2两者之和，TD=TIME1+TIME2，这里的波特率是指节点1响应请求而发送数据到网关所预设的通信波特率，LORA节点1在空闲时工作于数据接收模式的接收频段，只有在收到来自网关GW读取本节点消息的数据时才切换为数据发送模式，这种切换不是瞬态完成的而是存在耗时。第三：网关GW继续向随机的节点2发送读取数据请求，同时在节点1工作状态正常的情况下，网关此时还会收到来自节点1的响应数据。重复第二步和第三步，改为向节点3（或节点4/5）发送读取数据的请求；后续经过第二步和第三步的多次循环可以读取到所有节点的数据。这种方案因为减少了等待模块应答和网关自身收发模式切换的时间，可以将读取的整体速度相比单模块网关提升一倍以上，也减少了接受应答的延迟。关键之处在于：在LORA网络中同时使用多个LORA模块工作在不同的频段从而产生多条互不干扰的数据通道，实现双向甚至多向通信，提升网络利用率和响应速度。
在一个实施例中，网关读取它所在区域的所有节点的数据的方法，其中：任意一个网关设有无线发送模块和无线接收模块，任意一个网关读取它所在区域的所有视为节点的所述终端的数据的方式为：S1、所述网关利用无线发送模块先向任意的前一个节点发送读取数据的第一请求，发送第一请求完毕之后延时一个预设的时长TD；S2、所述网关利用无线发送模块继续向任意后一个节点发送读取数据的第二请求，与此同时所述网关同步藉由无线接收模块撷取来自前一个节点的响应数据；重复S1-S2经过多次循环使任意一个网关读取到它所在区域的所有节点的数据。限定所述无线发送模块和无线接收模块分别工作在预设的发送频段和预设的接收频段，所有节点工作在接收频段且发送频段和接收频段的频段范围不同。在可选的实施例中，可设置：预设的时长TD等于该任意的前一个节点从数据接收模式切换到数据发送模式的耗时TIME1和根据波特率计算出的前一个节点发送数据（发送数据是因为响应第一请求而发送数据）到网关耗用的传输时间TIME2两者相加的总时间。在一个可选的实施例中，完成上述S1之后需要再执行S2、网关利用无线发送模块继续向任意后一个节点发送读取数据的第二请求：这里网关GW向任意后一个节点发送第二请求的起始时刻可以是前一个节点从数据接收模式切换到数据发送模式的耗时TIME1中的某个时间节点，也即发送第二请求的起始时刻发生在前一个节点从数据接收模式切换到数据发送模式的切换过程中；而网关向任意后一个节点发送第二请求的结束时刻也可以是前一个节点从数据接收模式切换到数据发送模式的耗时TIME1中的某个时间节点，也即发送第二请求的结束时刻也发生在前一个节点从数据接收模式切换到数据发送模式的切换过程中。此外，当然网关向任意后一个节点发送第二请求的结束时刻也可以是前一个节点从数据接收模式切换到数据发送模式的耗时TIME1结束之后，也即是发送第二请求的结束时刻发生在前一个节点响应第一请求而发送数据到网关的数据传输时间TIME2中的某个时间节点，相当于向任意后一个节点发送第二请求的结束时刻发生在前一个节点响应第一请求而发送数据到网关的传输过程中。在另一个可选的实施例中在执行S2时，网关GW向任意后一个节点发送第二请求的起始时刻发生在前一个节点因响应第一请求而发送数据到网关的数据传输时间TIME2中的某个时间节点，相当于向任意后一个节点发送第二请求的起始时刻发生在前一个节点因响应第一请求而发送数据到网关的数据传输过程中；此时，网关向任意后一个节点发送第二请求的结束时刻发生在前一个节点响应第一请求而发送数据到网关的数据传输时间TIME2中的某个时间节点，相当于向任意后一个节点发送第二请求的结束时刻发生在前一个节点因响应第一请求而发送数据到网关的数据传输过程中，也即向任意后一个节点发送第二请求的起始时刻和结束时刻均发生在前一个节点因为响应第一请求而发送数据到网关的数据传输时间TIME2的时段之中。在一个可选的实施例中，在执行S2步骤时：网关向任意后一个节点发送第二请求的起始时刻可以设为发生在前一个节点因响应第一请求而发送数据到网关的数据传输时间TIME2中的某个时间节点，相当于向任意后一个节点发送第二请求的起始时刻发生在前一个节点因为响应第一请求而发送数据到网关的数据传输过程中；或者，网关向任意后一个节点发送第二请求的起始时刻可以是前一个节点从数据接收模式切换到数据发送模式的耗时TIME1中的某个时间节点，也即向后一个节点发送第二请求的起始时刻发生在前一个节点从数据接收模式切换到数据发送模式的切换过程中；而此时网关向任意后一个节点发送第二请求的结束时刻则发生在前一个节点响应第一请求而发送数据到网关的数据传输时间TIME2结束之后，相当于向任意后一个节点发送第二请求的结束时刻发生在前一个节点因响应请求而发送数据到网关的数据传输过程结束之后。经过这些设计整个系统因为减少了等待模块应答和网关自身收发模式切换的时间，显而易见，可以将网关读取数据的整体速度相比单模块网关有较大幅度的提升，也减少了接受应答的延迟。
在一个实施例中，本申请还涉及到一种基于NB-IOT和LORA混合组网的数据采集系统，因此本申请属于无线远程数据采集系统。现有的无线数据采集系统，较多时候一般使用基于FSK技术的无线通信模块来组网进行数据传输，传统的FSK无线通信技术的传输距离较短，抗干扰能力也较差，因此在组建较大规模的网络时，造成网络结构较为复杂而且在扩大网络覆盖范围时，只能通过增加部署节点，并采用路由的方式来传输来自网络边缘的数据，数据路由不仅会造成数据的延迟较高，还会造成网络被路由数据所占用导致整体利用率低。如果希望提高网络的覆盖面积和抗干扰性，只能通过增大FSK的发射功率来实现，而增大发射功率，不仅会造成功耗的大幅增加，不利于低功耗应用，而且有涉嫌违法的风险。新近出现了利用LORA来替代FSK技术组建网络的系统，但是这两种系统都面临一个共同的问题，网关接入到互联网的成本高昂且不便，这两种系统的网关通常使用以太网或者GPRS/4G模块接入到互联网。在一些偏远地区部署光伏电站的监测系统导致以太网的接入方式十分不便，因为从世界范围来看诸多光伏电站要么在荒远的盐碱地甚至在人烟稀少的沙漠地带，所以前述两种系统的网关很大程度上适合于家用/户用等少部分场景，毕竟GPRS网络面临逐步被淘汰的问题并且自身的功耗高和速度慢，当前应用较为广泛的4G模块的成本则过于高昂并且功耗较高，都各自有其不足。
在一个实施例中，还披露了一种基于无线通信技术实现对分散型光伏电站进行监控的方法，包括：对在地域上或在地理位置上呈现分散状态的各个光伏电站划分区域，在每个区域均划定或布局一个或多个光伏电站，而且在每个区域至少部署一台网关；为每个区域提供多个终端，任意一个终端用于访问它所属的区域中配置的一个或多个电力设备携带的与光伏组件相关的指定类型数据或目标数据；为任意一个所述的终端分配唯一的一个专属编号也即ID号；启动不同区域的不同所述网关和所述终端实施组建网络；待所述网络组建完成后再由所述网关向服务器SER上传数据。
本发明所解决的问题是组建大范围的数据采集系统难度高、系统结构复杂和成本高昂的问题。利用LORA（低功耗长距离）技术低功耗和远距离的优势，替代传统FSK无线技术组建网络，可将原有的FSK网关覆盖半径从小于2KM扩展到10KM左右，大大提升了网络的覆盖范围，并减少了相同地域覆盖面积下所需的网关数量，并使得网络结构更为简单。网关使用NB-IOT（窄带物联网）接入到服务器，网关之间的距离较远，为了保证效率，两个网关之间不会有直接的通信，网关之间的数据整合，使用服务器来完成。毫无疑虑的是正因为LORA节点是由具备LORA无线通信模块、低功耗的微处理器和传感器模块、MODBUS、RS485等外部访问接口组成的小型计算机系统，而且还可以根据具体应用场景不同挂载不同的传感器设备，从而使得LORA节点非常适用于光伏组件的数据收发功能来实现组件监控。单个LORA网关最大的覆盖范围能达到15KM，是FSK网关的7倍以上（FSK网关的覆盖范围通常不超过2KM），在相同的网络覆盖范围下所需的网关数量比FSK网络更少，并且网络的结构会更为简单，不需要使用路由等复杂技术便能获得更高的覆盖率，同时LORA网关所使用的NB-IOT模块比GPRS/4G模块的功耗更低，LORA模块本身的功耗也比FSK无线更低，可以有效的降低总功耗。自顶向下的顺序来实施本系统，用于一个分布式光伏发电站运行状况的监测，步骤是：第一、搭建服务器，用于接收和处理来自LORA网关的数据；第二、根据环境测试LORA网关的覆盖范围，以最大覆盖半径的80%为基准，部署LORA网关；第三、为每个网关分配LORA节点，设置为本节点只能接入本区域的网关；第四、连接LORA节点的传感系统和通信接口到光伏电池板、逆变器等电力设备上，读取目标数据并上传到LORA网关。
本申请的关键点在于：1、使用LORA组建无线通信网络并在LORA网络的网关处使用NB-IOT接入到互联网的混合组网的方法；2、带有传感系统、MODBUS、RS485接口和拓展能力的LORA节点装置，和使用NB-IOT作为互联网接入手段的LORA网关。
通过以上说明书和附图内，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述发明提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在本申请权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。
Claims (10)
1.一种基于无线通信实现对分散型光伏电站进行监控的方法，其特征在于，包括：
对在地域上分散的各个光伏组件划分区域，在每个区域均划定一个或多个光伏组件且在每个区域至少部署一台网关；
为每个区域提供多个终端，任意一个终端用于访问它所属的区域中配置的一个或多个电力设备携带的与光伏组件相关的指定类型数据；
为任意一个所述终端分配唯一的一个专属编号；
启动不同区域的不同所述网关和所述终端实施组建网络；
待所述网络组建完成后再由所述网关向服务器上传数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述电力设备包括安装在光伏组件侧的用于采集所述指定类型数据的数据采集器；
所述指定类型数据至少包括体现光伏组件温度特性的温度值和体现光伏组件输出特性的电压值与电流值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述电力设备包括为每一个光伏组件配置的用于执行最大功率点追踪的电压变换器并且由电压变换器输出该光伏组件实施电压转换后的电压；
所述指定类型数据至少包括体现所述电压变换器输出特性的输出电压及输出电流值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述电力设备包括用于对由光伏组件串联构成的串组进行汇流的汇流箱；以及
所述电力设备包括用于对由光伏组件提供的直流电源进行逆变的逆变器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述终端为LORA无线收发终端以及所述网关为LORA网关。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
任意一个网关设有无线发送模块和无线接收模块，任意一个网关读取它所在区域的所有视为节点的所述终端的数据的方式为：
S1、所述网关利用无线发送模块先向任意的前一个节点发送读取数据的请求，发送请求完毕之后延时一个预设的时长；
S2、所述网关利用无线发送模块继续向任意后一个节点发送读取数据请求，与此同时所述网关同步藉由无线接收模块撷取来自前一个节点的响应数据；
重复S1-S2经过多次循环使任意一个网关读取到它所在区域的所有节点的数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
所述无线发送模块和无线接收模块分别工作在预设的发送频段和预设的接收频段；
所有节点工作在接收频段且发送频段和接收频段的频段范围不同。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
所述预设的时长等于该任意的前一个节点从数据接收模式切换到数据发送模式的耗时和根据波特率计算出的发送数据耗用的传输时间两者相加的总时间。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述网关使用基于蜂窝的窄带物联网接入到服务器，任意两个网关之间不直接通信而是由服务器整合不同网关上传的数据。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
任意一个确定区域内的所述终端限定只能接入到所述确定区域所配置的网关。
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