CN112583111A - 一种光伏发电汇流箱无线数据采集系统 - Google Patents

一种光伏发电汇流箱无线数据采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏发电汇流箱无线数据采集系统,包括服务器装置以及至少两个Zigbee无线网络子系统,服务器装置与各Zigbee无线网络子系统通信连接,Zigbee无线网络子系统包括一个Zigbee主节点以及与该Zigbee主节点无线连接的至少两个Zigbee从节点。Zigbee无线通讯技术的稳定性更高,数据传输可靠性更强,而且,无需预埋通信电缆,降低了施工和维护的成本。组网方式灵活方便,具有很好的系统扩展性。各Zigbee无线网络子系统采用频分复用的方式进行通信,能够有效避免同频干扰,保证Zigbee无线网络子系统之间互不干扰。

Description

一种光伏发电汇流箱无线数据采集系统
技术领域
本发明涉及一种光伏发电汇流箱无线数据采集系统。
背景技术
光伏电站的数据监控在光伏发电中处于一个非常重要的部分,其中汇流箱是数量最多的设备,采用何种方式监测各个汇流箱的电参数变得尤为重要。目前,汇流箱均采用RS485接口有线连接方式进行数据采集通信,这样一来,在工程施工时需先预埋通信电缆,且系统扩展和维护也不方便;此外,在工程现场调试时发现光伏电站存在着很强的共模干扰,极大影响了RS485通信的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种光伏发电汇流箱无线数据采集系统,用以解决通过RS485通信的方式采集汇流箱的相关参数会影响数据传输稳定性的问题。
为实现上述目的,本发明的方案包括一种光伏发电汇流箱无线数据采集系统,包括:
服务器装置;以及
至少两个Zigbee无线网络子系统;
所述服务器装置与各Zigbee无线网络子系统通信连接,所述Zigbee无线网络子系统包括一个Zigbee主节点以及与该Zigbee主节点无线连接的至少两个Zigbee从节点,Zigbee从节点包括Zigbee模块以及与该Zigbee模块连接的汇流箱数据采集装置,汇流箱数据采集装置用于采集对应汇流箱的相关数据信息;各Zigbee无线网络子系统分配有不同的通信频率,各Zigbee无线网络子系统采用频分复用的方式进行通信。
采用Zigbee无线通讯技术进行光伏发电汇流箱的相关数据的传输,Zigbee无线通讯技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术,其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗,相较于RS485通信的方式,Zigbee无线通讯技术的稳定性更高,数据传输可靠性更强,而且,无需预埋通信电缆,减少了通信布线的工作量,降低了施工和维护的成本。组网方式灵活方便,具有很好的系统扩展性。更重要的是,每一个Zigbee无线网络子系统分配有相应的通信频率,各Zigbee无线网络子系统采用频分复用的方式进行通信,能够有效避免同频干扰,保证Zigbee无线网络子系统之间互不干扰。
进一步地,为了提高各支路电流信息的传输可靠性,所述汇流箱数据采集装置包括处理器单元和用于采集汇流箱中的各支路电流信息的电流采样单元,各电流采样单元通过N选1模块连接所述处理器单元,所述处理器单元连接对应的Zigbee模块。
进一步地,为了提高各支路电流信息的传输可靠性,所述汇流箱数据采集装置还包括AD转换器,所述N选1模块的输出端通过所述AD转换器连接所述处理器单元。
进一步地,为了提高各支路电流信息的传输可靠性,所述AD转换器与所述处理器单元之间设置有光电隔离单元。
进一步地,为了采集汇流箱总输出电压,所述汇流箱数据采集装置还包括用于采集汇流箱总输出电压的电压采样单元,所述电压采样单元连接所述处理器单元。
进一步地,为了采集汇流箱内的环境温度,所述汇流箱数据采集装置还包括用于采集汇流箱内的环境温度的温度传感器,所述温度传感器连接所述处理器单元。
进一步地,为了实现人机交互,所述汇流箱数据采集装置还包括人机交互单元,所述人机交互单元连接所述处理器单元。
进一步地,为了采集直流断路器和防雷器接点的状态信息,所述汇流箱数据采集装置还包括用于采集对应的直流断路器和防雷器接点的状态的开关量采集单元,所述开关量采集单元连接所述处理器单元。
附图说明
图1是本发明提供的光伏发电汇流箱无线数据采集系统的结构原理图;
图2是本发明提供的汇流箱数据采集装置的结构框图;
图3是本发明提供的汇流箱数据采集装置中的MCU的主程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示,本实施例提供了一种光伏发电汇流箱无线数据采集系统,包括服务器装置和至少两个Zigbee无线网络子系统。服务器装置与各Zigbee无线网络子系统通信连接,Zigbee无线网络子系统包括一个Zigbee主节点以及与该Zigbee主节点无线连接的至少两个Zigbee从节点,Zigbee从节点包括Zigbee模块与该Zigbee模块连接的汇流箱数据采集装置,汇流箱数据采集装置用于采集对应汇流箱的相关数据信息。每一个Zigbee模块用于将汇流箱数据采集装置采集到的对应汇流箱的相关数据信息传输给对应的Zigbee主节点,Zigbee主节点将数据信息传输给服务器装置。一个Zigbee主节点配设的Zigbee从节点的个数根据实际需要,比如根据光伏发电站的规格进行设定。Zigbee主节点的个数,即Zigbee无线网络子系统的个数根据实际情况,比如根据光伏发电站的规格进行设定。本实施例中,服务器装置以串口服务器为例。
一般情况下,一个光伏发电站通常划分为多个区域,每个区域由多条无线链路组成,每一个链路就是一个Zigbee无线网络子系统。本实施例中,每条链路有10多个汇流箱,各Zigbee从节点由1个Zigbee主节点管理,Zigbee主节点通过RS485接口连接串口服务器。1个串口服务器可连接4个至8个Zigbee主节点。另外,串口服务器通过局域网连接到后台监控。传统的汇流箱有线采集采用modbus RTU协议与串口服务器通信,为了与传统的汇流箱有线通信规约保持一致,将Zigbee从节点与Zigbee主节点之间的通信做成透传方式,以方便更换传统的相关有线采集设备。
更重要的是,为了避免同频干扰,每条无线链路分配一个频道,即各Zigbee无线网络子系统分配有不同的通信频率,各Zigbee无线网络子系统采用频分复用的方式进行通信。由于频分复用的通信方式属于现有技术,这里就不再具体说明。
汇流箱数据采集装置为系统的前端设备,是十分重要的组件。如图2所示,汇流箱数据采集装置包括处理器单元(本实施例以微处理器单元MCU为例,以下简称为MCU)、电流采样单元(即图2中的电流采样电路)、电压采样单元、温度传感器、人机交互单元、开关量采集单元(图中未画出)和电源电路模块,电流采样电路、电压采样单元、温度传感器、人机交互单元和开关量采集单元连接MCU。
其中:
MCU采用的是意法半导体的32位MCUSTM32F103RBT6,该处理器采用Cortex M3内核,最高工作频率为72MHz,具有64k字节flash及高达20k字节的SRAM,3个USART接口,7个定时器,工作环境温度为-40℃~85℃,工作电压为2.0~3.6V。
电流采样电路用于采集汇流箱中的各支路的电流信息,因此,电流采样电路的个数与汇流箱中的支路个数相等,本实施例中,汇流箱中的支路个数为16路,那么,汇流箱中的电流采样电路为16个。本实施例中,电流采样电路为霍尔电流传感器,各支路的电流经霍尔电流传感器感应后转变为0~5V的电压信号,再通过比例运算放大电路得到0~2.5V电压,这16路霍尔电流传感器输出连接一个N选1模块(即多路选择模块)的一端,N选1模块的另一端连接AD转换器的一端,AD转换器的另一端通过光电隔离单元连接MCU。其中,通过比例运算放大电路能够将采集信号放大输出,N选1模块的功能是从16路中每次选择其中1路进行电流信息的传输,AD转换器用于模数转换,光电隔离单元能够起到抗干扰的作用。
霍尔电流传感器采用ONT2-OSA-LP,其输入电流范围为0~5A,输出电压为0~5V,输入输出呈线性关系,误差≤±0.5%,供电电压为15V。N选1模块采用2片CD4051级联设置,每次从16路电流中选择一路输入到AD转换器中。AD转换器采用MAX 1241,MAX 1241是低功耗、12位串行模数转换器,工作电压为2.7~5.5V,转换时间为7.5us,参考稳压源由MAX6008提供,MAX6008是超低功耗精准稳压二极管,稳定电压为2.5V,温度范围为-40℃~85℃。光电隔离单元采用6N137,6N137是一款单通道高速光耦,用于隔离MCU到MAX1241的片选、时钟、输出数据信号。
电压采样单元用于采集汇流箱的总输出电压,为了节约成本,采用电阻分压方式得到小信号电压,范围为0~5V,再经过比例运算放大电路得到0~2.5V电压,此处可以将采集到的总输出电压通过一个AD转换器(型号为MAX 1241)输出给MCU。
温度传感器用于采集汇流箱内的环境温度,温度传感器采用DS18B20,DS18B20是一款数字温度传感器,测温范围为-55℃~125℃,误差为1℃,采用单总线方式与MCU通信,测量结果以9~12位数字量方式串行传送。
人机交互单元用于实现人机交互,本实施例以按键及显示单元为例。按键及显示单元由4个轻触按键及4位红色数码管组成,用户通过轻触按键设置汇流箱地址、通信波特率等参数。正常工作状态下数码管轮流显示当前电压以及各路电流值。
开关量采集单元用于采集直流断路器和防雷器接点的状态,采集到的开关量信息可以通过光耦TLP629-4隔离后输出到MCU。
电源电路模块为汇流箱数据采集装置提供工作电源,根据以上设计,汇流箱数据采集装置中需要直流15V、5V、3.3V这3种电压等级,汇流箱的输出电压为高压直流0~600V。电源电路模块采用PMH15-24电源模块,PMH15-24是专为光伏发电设计的开关电源,其输入电压为直流300~1150V,输出为直流24V/0.7A,直流24V经过二级变换后可得到15V、5V和3.3V电压。
Zigbee模块与MCU之间通常采用有线的方式连接,以实现Zigbee模块与对应的汇流箱数据采集装置之间的连接。图2中的Zigbee模块采用的是型号为ZM5161P2的ZM5161P2模块,ZM5161P2模块是一款低功耗、高性能的Zigbee模块,它提供一个完整的基于IEEE802.15.4标准ISM(2.4~2.5GHz)频段的应用集成方案。ZM561P2模块的工作电压为2.0~3.6V,工作温度为-40~85℃,满足温度要求。该ZM561P2模块尺寸小,可以方便嵌入到MCU中,其视距通信距离为2000m,可提供透明传输数据的功能,通过TTL串口与MCU通信。另外该ZM561P2模块内置了FastZigBee组网协议,此协议是基于Zigbee协议栈开发的一套透传协议,采用全透传组网通讯,可以让用户快速构建多种型态的网络拓扑结构:点对点结构、星型拓扑结构、中断路山结构、多级组网拓扑结构等等。
由于光伏发电站大部区域呈现四方形方阵,有少部分呈长方形方阵,四方形方阵约为200mx200m,长方形最长在1000m左右。ZM5161P2模块在可视范围的点到点通信距离为2000m,在工程现场采用2m长的2.4G吸盘天线,实测通信可靠距离为200m左右,对于四方阵采用星形结构完全可满足通信距离要求。在此种结构中,中心节点即Zigbee主节点放置于方阵中心,与周围的Zigbee从节点的通信距离只有100m左右。对于长方形方阵可采用中断路山结构,将中间的Zigbee从节点设置为路由节点,远程节点通过中间3~4个路由节点与Zigbee主节点通信。
以下对MCU进行软件设计:Zigbee从节点与Zigbee主节点间的通信规约采用标准modbus RTU协议,MCU完成开关量、电压、电流及温度数据的采集,但不主动上传数据,只有当收到Zigbee主节点的请示后再发送数据。MCU程序由主程序、定时中断服务程序及串口中断服务程序组成。主程序完成电压电流、温度采集以及各项任务的处理工作,定时中断服务程序主要为数码管轮显任务提供一个时间基准,串口中断服务程序用于接收Zigbee主节点发过来的数据包,并发标志位给主程序,通知主程序进行处理,主程序的程序流程图如图3所示。
另外,系统在使用前,还需对Zigbee从节点和Zigbee主节点进行配置,可以通过无线方式或串口方式配置,配置工具为ZigbeeCfg。配置内容如下:
设备类型:Zigbee从节点可配置为“终端模式”或“路由模式”,Zigbee主节点配置为“终端模式”。
网络号:不同的链路配置为不同的网络号,只有网络号相同的Zigbee从节点和Zigbee主节点才能通信。
目的网络地址:配置为Zigbee主节点的自身地址。
自身地址:各个Zigbee从节点及Zigbee主节点都配置为不同的地址数据。
通道号:从0~25通道可选,同一条链路的通道号要相同。
发送模式:Zigbee从节点均配置为单播模式,Zigbee主节点配置为广播模式。
波特率:均设为9600bps。
上述实施例中,汇流箱数据采集装置包括处理器单元、电流采样单元、电压采样单元、温度传感器、人机交互单元和开关量采集单元,这些单元均有各自的功能作用,当然,本发明并不局限于上述汇流箱数据采集装置中的组成部分,除了这些组成部分之外还可以包括其他的组成部分,而且,上述组成部分还可以根据实际需要进行相应地删减。
上述实施例中给出了各器件的具体选型,这只是给出其中的一种实现方式,当然,本发明并不局限于各器件的具体选型。
以上给出了具体的实施方式,但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案,对本领域普通技术人员而言,根据本发明的教导,设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种光伏发电汇流箱无线数据采集系统,其特征在于,包括:
服务器装置;以及
至少两个Zigbee无线网络子系统;
所述服务器装置与各Zigbee无线网络子系统通信连接,所述Zigbee无线网络子系统包括一个Zigbee主节点以及与该Zigbee主节点无线连接的至少两个Zigbee从节点,Zigbee从节点包括Zigbee模块以及与该Zigbee模块连接的汇流箱数据采集装置,汇流箱数据采集装置用于采集对应汇流箱的相关数据信息;各Zigbee无线网络子系统分配有不同的通信频率,各Zigbee无线网络子系统采用频分复用的方式进行通信。
2.根据权利要求1所述的光伏发电汇流箱无线数据采集系统,其特征在于,所述汇流箱数据采集装置包括处理器单元和用于采集汇流箱中的各支路电流信息的电流采样单元,各电流采样单元通过N选1模块连接所述处理器单元,所述处理器单元连接对应的Zigbee模块。
3.根据权利要求2所述的光伏发电汇流箱无线数据采集系统,其特征在于,所述汇流箱数据采集装置还包括AD转换器,所述N选1模块的输出端通过所述AD转换器连接所述处理器单元。
4.根据权利要求3所述的光伏发电汇流箱无线数据采集系统,其特征在于,所述AD转换器与所述处理器单元之间设置有光电隔离单元。
5.根据权利要求2或3或4所述的光伏发电汇流箱无线数据采集系统,其特征在于,所述汇流箱数据采集装置还包括用于采集汇流箱总输出电压的电压采样单元,所述电压采样单元连接所述处理器单元。
6.根据权利要求2或3或4所述的光伏发电汇流箱无线数据采集系统,其特征在于,所述汇流箱数据采集装置还包括用于采集汇流箱内的环境温度的温度传感器,所述温度传感器连接所述处理器单元。
7.根据权利要求2或3或4所述的光伏发电汇流箱无线数据采集系统,其特征在于,所述汇流箱数据采集装置还包括人机交互单元,所述人机交互单元连接所述处理器单元。
8.根据权利要求2或3或4所述的光伏发电汇流箱无线数据采集系统,其特征在于,所述汇流箱数据采集装置还包括用于采集对应的直流断路器和防雷器接点的状态的开关量采集单元,所述开关量采集单元连接所述处理器单元。
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