CN110243416A - 一种基于nb-iot的智能光伏阵列汇流箱监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于NB‑IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统，包括：环境参数监测传感器，用于对光伏组件阵列的相关环境参数进行测量与数据采集；多通道智能汇流箱，用于汇集环境参数监测传感器采集到的数据，并通过NB‑IOT网络上传至光伏阵列参数处理服务器；光伏阵列参数处理服务器，用于对多通道光伏阵列智能汇流箱上传的数据进行统计分析；数据查看客户端，用于对光伏阵列参数处理服务器处理后的数据通过相应的客户端程序进行实时监测。该系统有利于对光伏阵列的相关环境参数进行实时采集和上传，提高光伏阵列监测的准确性和可靠性。

Description

一种基于NB-IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统

技术领域

本发明涉及光伏阵列发电检测技术领域，具体涉及一种基于NB-IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统。

背景技术

由于光伏阵列总是大规模的安装在户外环境中，同时还受热循环，高湿度，紫外线，风激振等各种环境因素的作用，容易出现局部材料老化、性能下降、裂纹、开路或者短路等各种故障问题，故障的产生会降低电站的发电效率，甚至出现因光伏阵列故障而大规模停电的问题，而出现有故障的子阵列会因规模的巨大难以快速排除。为了维修人员能够快速掌握整体光伏阵列的运行情况，提高光伏电站的维护效率，从而降低停电风险，提高电站的运营过程中的安全性，实时对子光伏阵列运行的检测十分关键。光伏阵列智能汇流箱监测系统方案的设计也得到了国内外越来越多的学者和研究机构的关注。

近年来，多种光伏智能汇流箱监测系统的设计相继被提出，但主要设计都是对电路本身的各支路的电流、输出总电压、系统防雷器状态、系统断路器状态显示等纯硬件功能电路的设计。这类方案仅仅是对汇流后输出电能状态进行检测，并不能做到对光伏阵列本身真正的科学的监控，对光伏阵列发电系统的维护方面效果也微乎其微。

已有的光伏阵列智能汇流箱监测系统有以ARM Cotex-M3处理器作为核心控制器并使用LwIP监控数据，能够实现对环境参数监测、数据整理和故障识别，无法做到系统防雷的功能。通过以ZigBee为核心的光伏阵列智能汇流箱监测系统，能够对光伏发电阵列周边的环境参数进行监测，是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗协议接口，向系统实时上传采集到的环境参数，但该监测系统无法实现对数据进行远程传送。通过以PeripheralInterface Controller(PIC)微处理器为光伏阵列智能汇流箱监测系统的主控芯片，能够精准记录PV设备的不同参数读数，然后通过LAN传输到本地PC，该系统设计能够连接多个设备，如果发生故障，系统将向连接的设备发送警报。

现有的光伏阵列智能汇流箱监测系统大部分只是对监测相关的环境参数，不能实现对光伏阵列组件串参数的高精准监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于NB-IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统，该系统有利于对光伏阵列的相关环境参数进行实时采集和上传，提高光伏阵列监测的准确性和可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于NB-IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统，包括：

环境参数监测传感器，用于对光伏组件阵列的相关环境参数进行测量与数据采集；

多通道智能汇流箱，用于汇集环境参数监测传感器采集到的数据，并通过NB-IOT网络上传至光伏阵列参数处理服务器；

光伏阵列参数处理服务器，用于对多通道光伏阵列智能汇流箱上传的数据进行统计分析；

数据查看客户端，用于对光伏阵列参数处理服务器处理后的数据通过相应的客户端程序进行实时监测。

进一步地，所述环境参数监测传感器包括光照度传感器、温湿度传感器以及多个电流传感器和电压传感器，以采集光伏组件阵列的光照度、温湿度以及构成光伏组件阵列的各个子光伏阵列的电流和电压，并通过无线透传方式传输给多通道智能汇流箱，所述多通道智能汇流箱对各传感器采集到的数据进行汇集后，再通过NB-IOT模式以窄带物联网上传至光伏阵列参数处理服务器。

进一步地，所述光照度传感器采用RS-GZ-N01-2光照度温湿度一体式变送器采集水平光照度和温湿度，并采用测量小太阳能电池板的短路电流的方式计算有效光照强度，电流传感器采用CHB-50SF闭环霍尔电流传感器，电压传感器采用CHV-25P闭环霍尔电压传感器；所述环境参数监测传感器安装在户外光伏组件阵列的周边位置，采用防水电箱安装，各传感器均采用接插件结构，防水箱通过伸缩弹簧电缆线连接传感器，接口处均采用防水结构。

进一步地，所述多通道智能汇流箱安装在室内，设有监测汇流后输出总电流以及总电压的PZEM-003/017电流电压传感器，并具有无限透传LORA接收模块，用于接收不同位置编码的传感器数据，实时掌握多处光伏阵列的运行状态；所述多通道智能汇流箱采用STM32F103C8T6单片机为核心，运行UCOSIII嵌入式单片机操作系统，单片机与NB-IOT模块连接，通过TTL串口透传协议控制，进而NB-IOT模块通过窄带物联网直接上传单片机编码后的数据到光伏阵列参数处理服务器中。

进一步地，所述光伏阵列参数处理服务器采用MQTT服务器设计，基于Ubuntu环境的EMQ平台运行，采用MQTT无线物联网连接协议，以在低带宽、不可靠的网络远程传感器和控制设备通讯情况下正常运行。

进一步地，所述数据查看客户端选择需要查看的传感器编号及对应数据，然后光伏阵列参数处理服务器自动将订阅的内容发送到相应的数据查看客户端的客户端程序上。

相比较于现有技术，本发明具有以下效益：能够在线实时光伏阵列及其子阵列的相关环境参数，包括光照度、温湿度、电压电流等，并可上传至云端服务器，从而在不影响发电的情况下对光伏阵列进行自动在线定期检测，提高了光伏阵列监测的准确性和可靠性，对于提升光伏电站的发电效率和维护效率具有重要作用。

附图说明

附图1是本发明实施例的结构原理图。

附图2是本发明实施例中系统供电电源转换流程图。

附图3是本发明实施例中环境参数监测传感器的硬件原理图。

附图4是本发明实施例中环境参数监测传感器的工作流程图。

附图5是本发明实施例中环境参数监测传感器的系统启动流程图。

附图6是本发明实施例中多通道光伏阵列智能汇流箱的硬件原理图。

附图7是本发明实施例中多通道光伏阵列智能汇流箱的整体系统结构框图。

附图8是本发明实施例中NB-IOT与MQTT服务器的通讯流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种基于NB-IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统，包括环境参数监测传感器、多通道智能汇流箱、光伏阵列参数处理服务器以及数据查看客户端。

环境参数监测传感器对光伏组件阵列的相关环境参数进行测量与数据采集。所述环境参数监测传感器包括光照度传感器、温湿度传感器以及多个电流传感器和电压传感器，以采集光伏组件阵列的光照度、温湿度以及构成光伏组件阵列的各个子光伏阵列的电流和电压，并通过无线透传方式传输给多通道智能汇流箱，所述多通道智能汇流箱对各传感器采集到的数据进行汇集后，再通过NB-IOT模式以窄带物联网上传至光伏阵列参数处理服务器。在本实施例中，所述光照度传感器采用RS-GZ-N01-2光照度温湿度一体式变送器采集水平光照度和温湿度，并采用测量小太阳能电池板的短路电流的方式计算有效光照强度，电流传感器采用CHB-50SF闭环霍尔电流传感器，电压传感器采用CHV-25P闭环霍尔电压传感器。所述环境参数监测传感器安装在户外光伏组件阵列的周边位置，采用防水电箱安装，各传感器均采用接插件结构，防水箱通过伸缩弹簧电缆线连接传感器，接口处均采用防水结构，可以在全天候正常运行。在安装的时候也可以便于适应多种不同的安装场景，最大限度的拓展本系统的适应性。

多通道智能汇流箱汇集环境参数监测传感器采集到的数据，并通过NB-IOT网络上传至光伏阵列参数处理服务器。所述多通道智能汇流箱安装在室内，设有监测汇流后输出总电流以及总电压的PZEM-003/017电流电压传感器，并具有无限透传LORA接收模块，用于接收不同位置编码的传感器数据，实时掌握多处光伏阵列的运行状态。所述多通道智能汇流箱采用STM32F103C8T6单片机为核心，运行UCOSIII嵌入式单片机操作系统，单片机与NB-IOT模块连接，通过TTL串口透传协议控制，进而NB-IOT模块通过窄带物联网直接上传单片机编码后的数据到光伏阵列参数处理服务器中。

光伏阵列参数处理服务器对多通道光伏阵列智能汇流箱上传的数据进行统计分析。所述光伏阵列参数处理服务器采用MQTT服务器设计，基于Ubuntu环境的EMQ平台运行，采用MQTT无线物联网连接协议，以在低带宽、不可靠的网络远程传感器和控制设备通讯情况下正常运行，而且作为百万级别的消息队列服务器，能够非常有效的对环境参数进行快速的传输。

数据查看客户端，用于对光伏阵列参数处理服务器处理后的数据通过相应的客户端程序进行实时监测。所述数据查看客户端选择需要查看的传感器编号及对应数据，然后光伏阵列参数处理服务器自动将订阅的内容发送到相应的数据查看客户端的客户端程序上。每次发布的消息仅仅是订阅的内容，在大规模的应用下将更好的利用网络带宽资源。

本发明的智能光伏阵列汇流箱监测系统，其环境参数监测传感器能够自动在线实时采集光伏子阵列中各个组件串的电压、电流、温度、湿度、水平光照度以及有效光照强度的准确数值，在集中组件串数据采集后将通过LORA无线透传到远端的多通道智能汇流箱之中。而多通道智能汇流箱拥有LORA接收端，通过对地址的设置，可以同时接收多路组件串上采集到的数据信息，利用STM32F103C8T6型处理器实时对采集到的数据编码，将数据通过NB-IOT模块上传数据到云端服务器内，而用户将可以使用配套的客户端APP订阅查询需要了解的组件串的信息，并通过对数据的分析查看是否含有处于异常工作情况的组件串，便于在不影响发电的前提下对光伏阵列进行自动在线定位精细检测，对于提升光伏电站的发电效率和维护效率具有重要作用。

以下分六个部分对本系统的具体实现进行详细说明：（1）系统电源供电设计；（2）环境参数监测传感器与智能汇流箱的通讯设计；（3）环境参数监测传感器运行系统；（4）NB-IOT模块通讯说明；（5）MQTT服务器构架与通讯协议；（6）客户端软件设计。

（1）系统供电电源设计

对于电源供电系统的设计将在环境参数监测测传感器以及智能汇流箱两个电路上使用，由于光伏阵列产生的电能并不稳定。有太阳光照的情况下，能够达到70-120V的电压，电压高低取决于光照强度的大小，在夜晚或是阴雨天的情况下，电压将会趋向于零。所述的系统为了保证电源能长时间对系统供电，采用太阳能阵列与蓄电池供电交替运行，在光照强度达到能够维持系统正常工作的情况下，将使用太阳能阵列为系统工作供电。供电电源的流程设计如图2所示。

（2）环境参数监测传感器与多通道智能汇流箱的通讯设计

本发明采用低成本、高性能的两级无线传感器网络实现大量光伏组件、子阵列汇流箱之间的实时可靠通信。光伏阵列由大量光伏组件构成，为降低光伏组件无线传感器的成本，本发明采用工作于433MHZ频段的低成本LORA无线收发器实现光伏组件数据进行无线传输。为提高数据通讯的可靠性及稳定性，增加了功率放大设计，将传输距离拓展到3000米以上，满足正常情况下设备的安装距离，对障碍物的穿透效果明显提高。光伏组件通过LORA无线通讯模块与智能汇流箱进行一对一的实时无线通信，构建无线传感网络，实现各个光伏子阵列传感器与汇流箱之间的可靠通信。环境参数检测传感器的硬件原理和工作流程如图3、图4所示。

（3）环境参数监测传感器运行系统

环境参数监测传感器采用UCOSIII嵌入式操作系统运行，是一款开源实时线程操作系统，拥有是一个完备的实时操作系统内核，并包含一个完整的应用系统，具备实时、嵌入式系统相关的各个组件。应用UCOSIII系统可以使系统具备高性能的运算能力的同时便于与各种外设连接扩展，简化了硬件设计，维持小型化的同时降低了系统成本。本发明的环境参数监测传感器具有鲁棒性、模块化、可拓展、高内聚、低耦合等多方面得有点。所述系统运用UCOSIII将极大的降低运行程序出错的概率，并能够将单线程通过分时复用的方式并行多线程运作，尽可能的提高硬件资源的应用率，将delay等空闲函数时间充分进行运用，通过系统调度器更加精确的调度任务。同时，这也能极大的提高传感器运行系统的可拓展性，能够对后期添加其他有需要得传感设备进行调度。基于UCOSIII的RT-thread系统启动流程如图5所示。

（4）NB-IOT模块通讯

本发明所采用的通讯方式为NB-IOT模组，安装于汇流箱之中，将接收到的环境传感器采集数据上传到云端服务器上，多通道光伏阵列智能汇流箱的硬件原理和整体系统结构如图6、图7所示。NB-IOT模组具有覆盖广的特点，相比传统GSM，NB-IOT基站可以覆盖10km的范围，远大于GSM无线通信基站。NB-IOT比LTE和GPRS基站提升了20dB的增益，能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方，但NB-IOT仍然可以通信，这足以极大地提升本发明的使用范围，降低本发明对应用环境的要求。NB-IOT模组使用串口方式与单片机STM32F103直接相连，在模组链接服务器前，将会有红色LED提示未正常联网。上电后，单片机将先设置云服务器地址，并检查是否入网成功，成功将点亮绿色LED，并熄灭红色LED，提示已正常链接网络，若300秒后仍然入网失败，则红色LED将会常亮，并重新设置服务器地址并重启，重复以上操作。NB-IOT与服务器的通讯流程如图8所示。

（5）MQTT服务器构架与通讯协议

本系统的MQTT服务器基于Ubuntu环境EMQ平台，保证服务器的稳定性。 EMQ平台可以更好地加载插件和其他功能，并且作为百万级消息队列服务器，它可以确保数据在系统中快速传输。MQTT是基于发布订阅模型的轻量级通信协议，该协议构建于TCP/IP协议上，具有是轻量、简单、开放的特点。其工作模式和服务质量主要分为三类：QoS0，QoS1和QoS2。服务器通过解析数据将编码的压缩数据解析成多个传感器参数并执行队列发布功能。其服务器通讯结构如图7所示。

（6）客户端软件设计

本发明的客户端软件设计为手机端APP应用。作为MQTT协议中的订阅者角色，通过API接口key订阅需要查看的主题信息，联网后将自动开始接收服务器推送的对应负载信息数据。数据接收采用实时接收模式，应用界面将显示当前实时订阅的负载数据。客户端页面主要有一个list控件以及两个text控件，下拉list将显示当前系统在线的所有光伏阵列组编号信息，选中想要查看光伏阵列组串的编号后将自动订阅当前主题信息，text空间中将自动刷新实时负载数据。在第二个text控件中，将显示warning(s)信息，主要是当前服务器所有接收到的信息中产生的异常传感数据，能够自动推送到客户端，便于对整体光伏阵列的检测与警告，方便维护人员及时找到出现异常的光伏阵列组件。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于NB-IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统，其特征在于，包括：

环境参数监测传感器，用于对光伏组件阵列的相关环境参数进行测量与数据采集；

多通道智能汇流箱，用于汇集环境参数监测传感器采集到的数据，并通过NB-IOT网络上传至光伏阵列参数处理服务器；

光伏阵列参数处理服务器，用于对多通道光伏阵列智能汇流箱上传的数据进行统计分析；

数据查看客户端，用于对光伏阵列参数处理服务器处理后的数据通过相应的客户端程序进行实时监测。

2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统，其特征在于，所述环境参数监测传感器包括光照度传感器、温湿度传感器以及多个电流传感器和电压传感器，以采集光伏组件阵列的光照度、温湿度以及构成光伏组件阵列的各个子光伏阵列的电流和电压，并通过无线透传方式传输给多通道智能汇流箱，所述多通道智能汇流箱对各传感器采集到的数据进行汇集后，再通过NB-IOT模式以窄带物联网上传至光伏阵列参数处理服务器。

3.根据权利要求2所述的一种基于NB-IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统，其特征在于，所述光照度传感器采用RS-GZ-N01-2光照度温湿度一体式变送器采集水平光照度和温湿度，并采用测量小太阳能电池板的短路电流的方式计算有效光照强度，电流传感器采用CHB-50SF闭环霍尔电流传感器，电压传感器采用CHV-25P闭环霍尔电压传感器；所述环境参数监测传感器安装在户外光伏组件阵列的周边位置，采用防水电箱安装，各传感器均采用接插件结构，防水箱通过伸缩弹簧电缆线连接传感器，接口处均采用防水结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统，其特征在于，所述多通道智能汇流箱安装在室内，设有监测汇流后输出总电流以及总电压的PZEM-003/017电流电压传感器，并具有无限透传LORA接收模块，用于接收不同位置编码的传感器数据，实时掌握多处光伏阵列的运行状态；所述多通道智能汇流箱采用STM32F103C8T6单片机为核心，运行UCOSIII嵌入式单片机操作系统，单片机与NB-IOT模块连接，通过TTL串口透传协议控制，进而NB-IOT模块通过窄带物联网直接上传单片机编码后的数据到光伏阵列参数处理服务器中。

5.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统，其特征在于，所述光伏阵列参数处理服务器采用MQTT服务器设计，基于Ubuntu环境的EMQ平台运行，采用MQTT无线物联网连接协议，以在低带宽、不可靠的网络远程传感器和控制设备通讯情况下正常运行。

6.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的智能光伏阵列汇流箱监测系统，其特征在于，所述数据查看客户端选择需要查看的传感器编号及对应数据，然后光伏阵列参数处理服务器自动将订阅的内容发送到相应的数据查看客户端的客户端程序上。