CN110729814B - 一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统，包括若干设置在商业体屋顶的发电单元、直流母线、蓄电池单元和中心服务器，发电单元的输出端均与直流母线电性连接，直流母线与蓄电池单元的输入端电性连接；发电单元和蓄电池单元均与中心服务器通信连接；其中发电单元发电产生电能，并对其输出电压进行检测，将输出电压检测结果发送至中心服务器中；直流母线汇流各发电单元产生的电能并送入蓄电池单元中；蓄电池单元储存发电单元产生的电能，并定时检测蓄电池单元的电压和电流，将检测结果发送至中心服务器中；中心服务器接收并储存发电单元和蓄电池单元发送的检测结果，根据检测结果，保持或者中止蓄电池单元充电。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备领域，尤其涉及一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统。
背景技术
目前在建筑物屋顶，尤其是占地面积较大的城市商业综合体顶部铺设光伏发电阵列或者风力发电装置，不仅能与建筑物形状相结合，满足建筑的基本要求，还能提高对太阳能和风能的利用率，满足建筑物自身部分能源需求的同时，甚至能并网发电。
受制于商业综合体的面积，光伏发电和风力发电的规模有限，各商业区距离较远，商业区内的发电设施相隔较远且位置分散，如果采用有线监控布置方式，不仅成本高，而且会受到信号衰减影响，通信质量不可靠。光伏和风力发电投资大、回报周期长，而且现场设备需要定期维护和检修，以防止发生重大损失，另外蓄电池长期工作后其健康状况会恶化，也需要及时对其进行监控。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种对发电部件和蓄电池工况进行监控的商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统，包括若干设置在商业体屋顶的发电单元(1)、直流母线(2)、蓄电池单元(3)和中心服务器(4)，发电单元(1)的输出端均与直流母线(2)电性连接，直流母线(2)与蓄电池单元(3)的输入端电性连接；发电单元(1)和蓄电池单元(3)均与中心服务器(4)通信连接；
其中发电单元(1)发电产生电能，并对其输出电压进行检测，将输出电压检测结果发送至中心服务器(4)中；
直流母线(2)汇流各发电单元(1)产生的电能并送入蓄电池单元(3)中；
蓄电池单元(3)储存发电单元(1)产生的电能，并定时检测蓄电池单元(3)的电压和电流，将检测结果发送至中心服务器(4)中；
中心服务器(4)接收并储存发电单元(1)和蓄电池单元(3)发送的检测结果，根据检测结果，保持或者中止蓄电池单元(3)充电。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述发电单元(1)包括发电元件、第一MCU、发电电压检测电路和第一LoRa终端，发电元件的输出端与电流母线并联，发电电压检测电路与第一MCU的输入端电性连接，第一MCU与第一LoRa终端电性连接；
所述发电元件将发电单元(1)产生的电能汇入直流母线(2)，发电电压检测电路的输入端获取发电单元(1)输出相应的电压信号，并将该电压信号送入第一MCU中，第一MCU将该电压信号进行模数转换后发送至第一LoRa终端中，由第一LoRa终端将模数转换结果发送至中心服务器(4)中。
进一步优选的，所述发电电压检测电路包括电压霍尔传感器LV-25P和运算放大器TL082，电压霍尔传感器获取发电元件的直流电压，电压霍尔传感器的输出端与运算放大器的同相输入端电性连接，运算放大器的反相输入端与运算放大器输出端电性连接；运算放大器输出端与第一MCU的ADC1端口电性连接。
进一步优选的，所述发电元件为光伏板或者风力发电机。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述蓄电池单元(3)包括蓄电池、第二MCU、蓄电池电压检测电路、蓄电池电流检测电路和第二LoRa终端，蓄电池的正极与蓄电池电压检测电路的输入端并联，蓄电池还与蓄电池电流检测电路串联，蓄电池电压检测电路和蓄电池电流检测电路的输出端均与第二MCU电性连接，第二MCU与第二LoRa终端电性连接；
所述蓄电池电压检测电路对蓄电池的输出电压进行分压后输入第二MCU的ADC2端口并进行数模转换；蓄电池电流检测电路获取蓄电池的电流并生成对应的电压信号，并将电压信号输入第二MCU的ADC3端口进行模数转换；由第二LoRa终端将模数转换结果发送至中心服务器(4)中。
进一步优选的，所述蓄电池单元(3)还包括第一光耦、第二光耦、第一继电器、第二继电器和卸荷器，第一光耦和第二光耦的阳极与+3.3V电源电性连接，第一光耦和第二光耦的阴极分别与第二MCU的GPIO端口连接，第一光耦和第二光耦的发射极均接地，第一光耦的集电极与第一继电器电性连接，第二光耦的集电极与第二继电器电性连接；第一继电器的触点还与直流母线和蓄电池电性连接；第二继电器的触点还与直流母线和卸荷器电性连接；
第二MCU的GPIO端口输出高低电平使第一光耦或者第二光耦导通，使对应的第一继电器或者第二继电器触点吸合，将直流母线输出的电压导入蓄电池或者卸荷器中。
更进一步优选的，所述蓄电池电流检测电路包括电流检测芯片ACS712，电流检测芯片的引脚1和引脚2并联后与蓄电池正极电性连接，电流检测芯片的引脚3和引脚4并联后与蓄电池的负极电性连接，电流检测芯片引脚8与+5V电源电性连接；引脚5接地，引脚5和引脚6之间并联有电容C1，引脚7的输出电压经电阻R6和R7分压后经过整流二极管D1和滤波电容C2输入第二MCU的ADC3端口中进行模数转换。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述中心服务器(4)包括LoRa网关、数据解析单元、数据库单元和数据发送单元，LoRa网关、数据解析单元、数据库单元和数据发送单元顺次电性连接；其中，LoRa网关接收发电单元(1)发生的输出电压检测结果和蓄电池单元(3)发送的蓄电池电压和电流检测结果，并将检测结果输入数据解析单元；数据解析单元依照传输协议对检测结果进行解析，读取数据的内容，将读取的内容发送至数据库单元进行存储；数据库单元对输入的数据进行存储和评价，生成历史数据和诊断结果数据；数据库单元将生产的诊断结果数据发送至数据发送单元进行打包，打包后的诊断结果通过LoRa网关返回发电单元(1)和蓄电池单元(3)。
进一步优选的，所述中心服务器(4)的数据解析单元和数据发送单元依照TCP/IP协议对数据进行解析和打包。
本发明提供的一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统，相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明利用无线网络对分布在各商业区顶部的风、光发电设置的运行情况和蓄电池工况，实现对发电组件和蓄电池的远程管理；
(2)发电单元通过测量发电元件的输出电压来验证其是否处于正常工作状态；
(3)蓄电池单元定时检查蓄电池的电压和充放电电流，确保蓄电池处于可靠的工作状态；
(4)蓄电池过充或者损坏时，通过切换卸荷器来避免继续充电对蓄电池的损坏；
(5)中心服务器的管理者可以通过LoRa网关双向通信，接收检测数据的同时，蓄电池单元接收中心服务器的指令，进行蓄电池单元工作状态的切换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统的结构框图；
图2为本发明一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统的发电单元的接线图；
图3为本发明一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统的蓄电池单元的接线图；
图4为本发明一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统的中心服务器的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统，包括若干设置在商业体屋顶的发电单元1、直流母线2、蓄电池单元3和中心服务器4，发电单元1的输出端均与直流母线2电性连接，直流母线2与蓄电池单元3的输入端电性连接；发电单元1和蓄电池单元3均与中心服务器4通信连接；
其中发电单元1发电产生电能，并对其输出电压进行检测，将输出电压检测结果发送至中心服务器4中；
直流母线2汇流各发电单元1产生的电能并送入蓄电池单元3中；
蓄电池单元3储存发电单元1产生的电能，并定时检测蓄电池单元3的电压和电流，将检测结果发送至中心服务器4中；
中心服务器4接收并储存发电单元1和蓄电池单元3发送的检测结果，根据检测结果，保持或者中止蓄电池单元3充电。
如图1所示，在直流母线与蓄电池单元3之间还设置有直流变换器，用于直流电压的变换。蓄电池单元3可以直接连接直流负载，也可以通过逆变器将蓄电池单元3的电能逆变成交流电供交流负载使用。
如图2所示，发电单元1包括发电元件、第一MCU、发电电压检测电路和第一LoRa终端，发电元件的输出端与电流母线并联，发电电压检测电路与第一MCU的输入端电性连接，第一MCU与第一LoRa终端电性连接；
其中发电元件将发电单元1产生的电能汇入直流母线2，发电电压检测电路的输入端获取发电单元1输出相应的电压信号，并将该电压信号送入第一MCU中，第一MCU将该电压信号进行模数转换后发送至第一LoRa终端中，由第一LoRa终端将模数转换结果发送至中心服务器4中。第一MCU具有串行通行接口，串行通信接口与第一LoRa终端进行通信，将第一MCU处理后的发电电压检测电路测量的数据由第一LoRa终端进行远距离传输。
如图2所示，发电电压检测电路包括电压霍尔传感器LV-25P和运算放大器TL082，电压霍尔传感器获取发电元件的直流电压，电压霍尔传感器的输出端与运算放大器的同相输入端电性连接，运算放大器的反相输入端与运算放大器输出端电性连接；运算放大器输出端与第一MCU的ADC1端口电性连接。图中电压霍尔传感器LV-25P的原边线圈环绕发电单元的输出端，原边线圈上还串联有外置电阻，外置电阻由电阻R1、R2和R3并联而成。电压霍尔传感器的引脚3与运输放大器TL082的同相输入端电性连接，电压霍尔传感器的引脚3与运输放大器TL082的同相输入端之间还串联有电阻R4。电压霍尔传感器的引脚3输出的电压信号被运输放大器TL082放大，提升驱动能力。运输放大器TL082还能降低发电电压检测电路的输出阻抗。
如图3所示，蓄电池单元3包括蓄电池、第二MCU、蓄电池电压检测电路、蓄电池电流检测电路和第二LoRa终端，蓄电池的正极与蓄电池电压检测电路的输入端并联，蓄电池还与蓄电池电流检测电路串联，蓄电池电压检测电路和蓄电池电流检测电路的输出端均与第二MCU电性连接，第二MCU与第二LoRa终端电性连接；蓄电池电压检测电路对蓄电池的输出电压进行分压后输入第二MCU的ADC2端口并进行数模转换；蓄电池电流检测电路获取蓄电池的电流并生成对应的电压信号，并将电压信号输入第二MCU的ADC3端口进行模数转换；由第二LoRa终端将模数转换结果发送至中心服务器4中。蓄电池单元3运行时需要对其充放电电流和输出电压进行监控，以便在线监测蓄电池容量和健康状况。本发明中的发电元件为光伏板或者风力发电机。本发明中，第一LoRa终端和第二LoRa终端可以选用深圳市安美通科技有限公司的低功耗小功率LoRa数传模块APC340，第一MCU和第二MCU可以选用意法半导体公司的STM32F103系列32位单片机产品。
蓄电池单元3还包括第一光耦、第二光耦、第一继电器JD1、第二继电器JD2和卸荷器，第一光耦和第二光耦的阳极与+3.3V电源电性连接，第一光耦和第二光耦的阴极分别与第二MCU的GPIO端口连接，第一光耦和第二光耦的发射极均接地，第一光耦的集电极与第一继电器JD1电性连接，第二光耦的集电极与第二继电器JD2电性连接；第一继电器JD1的触点还与直流母线和蓄电池电性连接；第二继电器JD2的触点还与直流母线和卸荷器电性连接；第二MCU的GPIO端口输出高低电平使第一光耦或者第二光耦导通，使对应的第一继电器或者第二继电器触点吸合，将直流母线2输出的电压导入蓄电池或者卸荷器中。图示的电路中，当第二MCU的PA6引脚输出低电平时，PA7引脚为高电平，第一光耦导通，第一继电器JD1吸合，直流母线2向蓄电池充电，此时卸荷器不工作；当第二MCU的PA7引脚输出低电平时，PA6引脚为高电平，第二光耦导通，第二继电器JD2吸合，直流母线2的电能导入卸荷器中，断开蓄电池与直流母线2的连接。切换的过程可以防止蓄电池过充，对蓄电池造成损害。第一光耦和第二光耦可以采用PC817芯片，PC817芯片引脚1为阳极接电源，引脚2为阴极，接第二MCU的GPIO端口，引脚3为发射极，接地，引脚4为集电极，外接继电器。
如图3所示，蓄电池电压检测电路包括电阻R8和电阻R9，电阻R8的一端与蓄电池正极电性连接，电阻R8的另一端与电阻R9的一端串联后与第二MCU的ADC2端口电性连接，电阻R9的另一端接地。电阻R8和R9对蓄电池的当前电压进行分压后输入第二MCU进行模数转换得到对应的电压值。
蓄电池电流检测电路包括电流检测芯片ACS712，电流检测芯片的引脚1和引脚2并联后与蓄电池正极电性连接，电流检测芯片的引脚3和引脚4并联后与蓄电池的负极电性连接，电流检测芯片引脚8与+5V电源电性连接；引脚5接地，引脚5和引脚6之间并联有电容C1，引脚7的输出电压经电阻R6和R7分压后经过整流二极管D1和滤波电容C2输入第二MCU的ADC3端口中进行模数转换。蓄电池电流检测电路采用电流检测芯片ACS712，将ACS712穿接在蓄电池正负极之间，采用限流电阻R5限流后输入ACS712中。
如图4所示，中心服务器4包括LoRa网关、数据解析单元、数据库单元和数据发送单元，LoRa网关、数据解析单元、数据库单元和数据发送单元顺次电性连接；其中，LoRa网关接收发电单元1发生的输出电压检测结果和蓄电池单元3发送的蓄电池电压和电流检测结果，并将检测结果输入数据解析单元；数据解析单元依照传输协议对检测结果进行解析，读取数据的内容，将读取的内容发送至数据库单元进行存储；数据库单元对输入的数据进行存储和评价，生成历史数据和诊断结果数据；数据库单元将生产的诊断结果数据发送至数据发送单元进行打包，打包后的诊断结果通过LoRa网关返回发电单元1和蓄电池单元3。中心服务器4的数据解析单元和数据发送单元依照TCP/IP协议对数据进行解析的打包。第一LoRa终端和第二LoRa终端通过射频433MHz网络与LoRa网关进行远程通信。中心服务器4可以采用基于LabVIEW图形界面开发，基于WINDOWS系统进行一对多的通信，可实现跨区域的同步监控。LabVIEW图形界面内置的函数可以调取数据库单元的数据进行对比，根据对比结果向第二LoRa终端发出操作指令，使蓄电池单元3维持或者改变直流母线2与蓄电池的连通状态，以便对健康状态恶化的蓄电池进行隔离。LoRa网关和各LoRa终端组件的射频传输网络不依赖运营商网络，传输距离在10Km以上，数据更安全且运行成本低。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统，其特征在于：包括若干设置在商业体屋顶的发电单元(1)、直流母线(2)、蓄电池单元(3)和中心服务器(4)，发电单元(1)的输出端均与直流母线(2)电性连接，直流母线(2)与蓄电池单元(3)的输入端电性连接；发电单元(1)和蓄电池单元(3)均与中心服务器(4)通信连接；
其中发电单元(1)发电产生电能，并对其输出电压进行检测，将输出电压检测结果发送至中心服务器(4)中；
直流母线(2)汇流各发电单元(1)产生的电能并送入蓄电池单元(3)中；
蓄电池单元(3)储存发电单元(1)产生的电能，并定时检测蓄电池单元(3)的电压和电流，将检测结果发送至中心服务器(4)中；
中心服务器(4)接收并储存发电单元(1)和蓄电池单元(3)发送的检测结果，根据检测结果，保持或者中止蓄电池单元(3)充电；
所述发电单元(1)包括发电元件、第一MCU、发电电压检测电路和第一LoRa终端，发电元件的输出端与电流母线并联，发电电压检测电路与第一MCU的输入端电性连接，第一MCU与第一LoRa终端电性连接；所述发电元件将发电单元(1)产生的电能汇入直流母线(2)，发电电压检测电路的输入端获取发电单元(1)输出相应的电压信号，并将该电压信号送入第一MCU中，第一MCU将该电压信号进行模数转换后发送至第一LoRa终端中，由第一LoRa终端将模数转换结果发送至中心服务器(4)中；第一MCU处理后的发电电压检测电路测量的数据由第一LoRa终端进行远距离传输；
所述发电电压检测电路包括电压霍尔传感器LV-25P和运算放大器TL082，电压霍尔传感器获取发电元件的直流电压，电压霍尔传感器的输出端与运算放大器的同相输入端电性连接，运算放大器的反相输入端与运算放大器输出端电性连接；运算放大器输出端与第一MCU的ADC1端口电性连接；电压霍尔传感器LV-25P的原边线圈环绕发电单元的输出端，原边线圈上还串联有外置电阻，外置电阻由电阻R1、R2和R3并联而成；电压霍尔传感器的引脚3与运算放大器TL082的同相输入端电性连接，电压霍尔传感器的引脚3与运算放大器TL082的同相输入端之间还串联有电阻R4；电压霍尔传感器的引脚3输出的电压信号被运算放大器TL082放大，提升驱动能力；运算放大器TL082降低发电电压检测电路的输出阻抗；
所述发电元件为光伏板或者风力发电机；
所述蓄电池单元(3)包括蓄电池、第二MCU、蓄电池电压检测电路、蓄电池电流检测电路和第二LoRa终端，蓄电池的正极与蓄电池电压检测电路的输入端并联，蓄电池还与蓄电池电流检测电路串联，蓄电池电压检测电路和蓄电池电流检测电路的输出端均与第二MCU电性连接，第二MCU与第二LoRa终端电性连接；
所述蓄电池电压检测电路对蓄电池的输出电压进行分压后输入第二MCU的ADC2端口并进行数模转换；蓄电池电流检测电路获取蓄电池的电流并生成对应的电压信号，并将电压信号输入第二MCU的ADC3端口进行模数转换；由第二LoRa终端将模数转换结果发送至中心服务器(4)中；
蓄电池单元(3)运行时对其充放电电流和输出电压进行监控，以在线监测蓄电池容量和健康状况；第一MCU和第二MCU为意法半导体公司的STM32F103系列32位单片机。
2.如权利要求1所述的一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统，其特征在于：所述蓄电池单元(3)还包括第一光耦、第二光耦、第一继电器、第二继电器和卸荷器，第一光耦和第二光耦的阳极与+3.3V电源电性连接，第一光耦和第二光耦的阴极分别与第二MCU的GPIO端口连接，第一光耦和第二光耦的发射极均接地，第一光耦的集电极与第一继电器电性连接，第二光耦的集电极与第二继电器电性连接；第一继电器的触点还与直流母线和蓄电池电性连接；第二继电器的触点还与直流母线和卸荷器电性连接；
第二MCU的GPIO端口输出高低电平使第一光耦或者第二光耦导通，使对应的第一继电器或者第二继电器触点吸合，将直流母线输出的电压导入蓄电池或者卸荷器中。
3.如权利要求1所述的一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统，其特征在于：所述蓄电池电流检测电路包括电流检测芯片ACS712，电流检测芯片的引脚1和引脚2并联后与蓄电池正极电性连接，电流检测芯片的引脚3和引脚4并联后与蓄电池的负极电性连接，电流检测芯片引脚8与+5V电源电性连接；引脚5接地，引脚5和引脚6之间并联有电容C1，引脚7的输出电压经电阻R6和R7分压后经过整流二极管D1和滤波电容C2输入第二MCU的ADC3端口中进行模数转换。
4.如权利要求1所述的一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统，其特征在于：所述中心服务器(4)包括LoRa网关、数据解析单元、数据库单元和数据发送单元，LoRa网关、数据解析单元、数据库单元和数据发送单元顺次电性连接；其中，LoRa网关接收发电单元(1)发生的输出电压检测结果和蓄电池单元(3)发送的蓄电池电压和电流检测结果，并将检测结果输入数据解析单元；数据解析单元依照传输协议对检测结果进行解析，读取数据的内容，将读取的内容发送至数据库单元进行存储；数据库单元对输入的数据进行存储和评价，生成历史数据和诊断结果数据；数据库单元将生产的诊断结果数据发送至数据发送单元进行打包，打包后的诊断结果通过LoRa网关返回发电单元(1)和蓄电池单元(3)。
5.如权利要求4所述的一种商业屋顶光伏及多能互补综合联网管理系统，其特征在于：所述中心服务器(4)的数据解析单元和数据发送单元依照TCP/IP协议对数据进行解析和打包。
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