CN114039975A

CN114039975A - 一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信系统和方法

Info

Publication number: CN114039975A
Application number: CN202111272721.4A
Authority: CN
Inventors: 刘永相; 江冰; 惠富会
Original assignee: Beijing Renren Digital Chain Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Renren Digital Chain Technology Co ltd
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2022-02-11

Abstract

本发明公开一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信系统和方法，S1：将太阳能组件分为n个通信段，每个太阳能组件上安装数据采集设备，数据采集设备用于采集组件的检测数据，n为正整数；S2：网络构建单元分别发送子网络构建命令给通信段中的每个数据采集设备，并根据反馈回来的信息计算对应的得分，选择得分最大的数据采集设备作为节点，从而构建通信子网络。S3：数据采集单元发送采集命令给通信子网络中的节点，节点再将采集命令发送给对应的数据采集设备，数据采集设备将采集的检测数据和编号打包成单信息发送给节点，节点汇集各个数据采集设备的单信息形成对应的段信息，各个节点的短信息分别通过通讯单元发送到数据采集单元进行存储。

Description

一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信系统和方法

技术领域

本发明涉及太阳能通信技术领域，特别涉及一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信系统和方法。

背景技术

太阳能作为新能源中最重要的发电方式之一，可能会呈现爆炸式建设需求。未来五年内，集中式光伏与分布式光伏电站数量预计是目前的2倍以上；未来10年，集中式和分布式光伏电站装机容量是目前现有容量的4倍以上。

单块太阳能板的控制和数据采集需要与平台通信，在一个10MW的太阳能电站，大约有2万块太阳能板子(按照每块太阳能板子500W计算)，如果每块板子采用2g、4g等方式与平台通信，则流量费太贵不堪重负；目前常规的方式是若干个太阳能板子将数据发送到一个集中采集设备，由集中采集设备采用有线或无线的方式，将数据发送到平台，这样则大规模减少通信流量费。可以采用有线方式、无线方式。

在有线方式中，目前较多的方案为电力线载波PLC技术，利用太阳能板的 DC+和DC-导线，将数据发送到集中采集设备；自然的通过电缆连接与实际太阳能板之间的物理连接进行一一对应，具有双重效果。但是需要在太阳能板加装电力线载波芯片以及相关电路，硬件成本上难以降低。且监控的数量受限于太阳能组串数量，目前监控一串大约为20块。此外，还有利用CAN总线、485 总线实施的太阳能监控，需要在现有的DC+和DC-导线外加装通信线缆，给施工带来额外工作，几乎很少有使用该方案的产品。

在无线通信方式中，基于zigbee、蓝牙、wifi等形成自组织网络，各个设备之间不需要构建有线传输通道，硬件成本相比有线PLC技术，可大幅度降低硬件成本。目前所见专利基本采用zigbee模式通信。无线通信减少了有线方式在建设中需要增加额外的建设工作，也不需要增加建设费用。施工中与常规电站保持一致，无需专业学习即可完成设备安装。但是无线通信中可能与邻近设备通信，而邻近设备并不需要与之通信，导致无关信息增加；此外还可能与需要的设备通信，而由于通信距离、通信环境等各种因素导致迟迟无法与之联系，导致数据无法保持在线。

所以，在光伏电站这种场景下，有若干个(成千上万)通信终端的情况中，既要保证通信可靠，又不增加施工建设成本，同时还要求价格便宜就成了难题。

发明内容

针对现有技术中光伏电站太阳能组件间通信效率较低的问题，本发明提出一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信系统和方法，通过实时计算最佳节点，从而不需要指定中心节点，既而提高了通信效率。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信系统，包括安装在组件上的数据采集设备、网络构建单元、数据采集单元；

所述数据采集设备，用于采集太阳能组件的检测数据；

所述网络构建单元，用于将太阳能组件分为n个通信段，并根据每个通信段中各个数据采集设备的信号质量、状态，计算得分，选择得分最大的数据采集设备为节点构建通信子网络；

所述数据采集单元，用于发布采集命令给每个通信子网络中的节点，节点再将采集命令发送给对应的数据采集设备。

优选的，所述数据采集设备具有唯一地址编号。

优选的，所述检测数据包括发电电压、电流、功率。

本发明还提供一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信方法，包括以下步骤：

S1：将太阳能组件分为n个通信段，每个太阳能组件上安装数据采集设备，数据采集设备用于采集组件的检测数据，n为正整数；

S2：网络构建单元分别发送子网络构建命令给通信段中的每个数据采集设备，并根据反馈回来的信息计算对应的得分M，选择得分最大的数据采集设备作为节点，从而构建通信子网络。

S3：数据采集单元发送采集命令给通信子网络中的节点，节点再将采集命令发送给对应的数据采集设备，数据采集设备将采集的检测数据和编号打包成单信息发送给节点，节点汇集各个数据采集设备的单信息形成对应的段信息，各个节点的短信息分别通过通讯单元发送到数据采集单元进行存储。

优选的，所述每个通信段的距离不大于预设距离。

优选的，所述每个数据采集设备具有唯一编号，用于采集组件的检测数据，检测数据包括实时发电电压、电流、功率。

优选的，所述S2中，数据采集设备的对应得分M计算公式如下：

M＝10×lg^P，P表示发射功率，单位为mw。

综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明在通信子网络构建前，不需要预先指定中心节点，各节点的角色及地位完全一致，不存在主、从节点，从而避免主节点出现问题，整个网络失效的问题。在构建通信子网络的时候，主要是基于当时网络中各个节点的信号质量、各节点状态，计算自动选出网络中最佳的对外节点，由其提供对外服务，提高通信效率。

附图说明：

图1为根据本发明实施例的太阳能组件通信段的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信方法示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

组件是光伏电站中的一个基本单元，组件串联形成组串，组串并联形成簇，若干个簇形成电站。按照美国国家电工规范NEC2014690.12《组件级自我关断解决方案》要求，每个组件需要进行监控，并能独立关断，需要在每个组件上安装智能硬件。一般是PLC电力线载波技术、Zigbee自组织网络技术，采用的都是中心式节点。

(1)PLC电力线载波技术：

电力载波通讯即PLC，是英文Power line Communication的简称。电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。电力线载波通信中，PLC从机与PLC主机通过电力线建立网络关系，PLC主机将从机数据发送到外网。

针对太阳能组件的监控及关断场景，PLC从机装在各个组件上，PLC主机安装在太阳能串逆变器入口处。由于PLC利用组串直流电缆，直流电缆负载接入逆变器，而逆变器由于采用大量电力电子器件，会直接引入谐波“污染”直流电缆的电能质量，会影响PLC通信的信号质量，可能导致PLC从机无法与 PLC主机通信，尤其是最远端的PLC从机通信效果更差。

PLC优点：

施工建设简单：无需额外的电缆连接，安装及施工时无需特别注意，只需要将PLC主机安装在逆变器入口侧即可。

物理拓扑和通信拓扑吻合，由于电缆连接，物理拓扑与通信拓扑二合一，可完全吻合实际现场情况。

PLC缺点：

PLC模块需要与电力线耦合，需要考虑信号电路和高压、高电流之间的绝缘等问题，需要额外增加相关电路，保护芯片和通信模块不被外部电缆电能量冲击或损坏。

PLC模块理论通信与实际可靠通信相差大，与电缆上信号复杂度等息息相关，可能导致信号传输不稳定，不可靠。

PLC主机处于PLC网络最重要位置，一旦该设备崩溃，即整个PLC网络崩溃，网络风险较大。PLC主机除了与从机通信外，还肩负这与云平台、系统通信的任务。

(2)Zigbee自组织网络技术

ZigBee是一种崭新的，专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，也是目前嵌入式应用的一个大热点。近年来，ZigBee无线数据网络在我国应用越来越多。在很多地方取代了局域网。实际应用于楼宇监控系统、无线方式集中抄表以及矿山救援系统和家电控制等等。

在ZigBee网络中包含三种设备类型：即ZigBee网络协调器，ZigBee路由器以及ZigBee终端设备。ZigBee网络协调器是整个网络的中心，它负责的功能包括建立、维持和管理网络、分配网络地址等。因此，可以将ZigBee网络协调器称作为ZigBee网络的“大脑”。由于这个“大脑”担负了许多任务，负责管理这个“大脑”的控制器的性能必须高于网络中其他类型的设备。对于简单的网络和应用，ZigBee网络中的三种设备可以使用同样的控制器。但随着网络的扩展和应用复杂度的增加，网络协调器的负担加重，将渐渐超过单芯片的能力，从而在很大程度上限制了ZigBee应用的扩展。因此，ZigBee网络协调器应该使用与其他设备不同的控制器，并且对具有高性能控制器的需求日益提升。因此，ZigBee 网络中各类设备所用的控制器各式各样：ZigBee端设备因其功能相对简单，故将使用低成本和低功耗的控制器；ZigBee路由器将使用低成本的控制器；而对于ZigBee网络协调器所用的控制器，除了功耗和成本之外，还要着重考虑性能。

很明显，三种设备具有不同的任务分工，肩负了不同的职责，一旦在一个系统中第一步zigbee网络协调器如果建立网络不成功，则有可能影响后续zigbee 网络的使用；此外，按照目前zigbee协议，即便是zigbee协调器建立网络，在同一个区域内，zigbee终端设备也可能不连接指定的zigbee协调器，导致分区失败；此外，按照各功能职责分工，zigbee协调器随着网络终端数量增加，可能需要更高新能的芯片，否则不注意支撑其协调任务。此外，zigbee协调器在整个网络中起着中心作用，一旦协调器死机或失败，则整个网络有可能面临大面积瘫痪风险。

此外考虑到太阳能电站组件监控的实际应用场景，在每天日落后，由于组件不能发电，则zigbee网络停止工作；待日出组件恢复发电后，网络通过协调器重建zigbee网络。只有网络重建完成后才可以进行数据传输和控制。重建的过程与网络的节点数相关，按照实际重建情况，如果数量超过250个，重建时间将长达数分钟甚至无法建立网络，影响系统使用。

在安装施工组件的前，需要提前规划好不同类型的zigbee节点类型组件安装位置，需要设计公司提前设计好安装位置，设计公司的工作量会显著增加。此外，zigbee协调器需要提前指定，按照网络节点数量，协调器的硬件性能和运算能力均要高于路由器或终端节点，而该协调器集成在组件上后，在施工中需要特别注意和分辨。在太阳能组件安装及施工中，施工人员需要熟悉并分辨安装有不同节点类型的组件，并安装到合适的位置，这样给太阳能建设施工提高了难度，更专业的施工人员意味着需要更昂贵的施工费用。

Plc和zigbee技术共同面临的难题有以下几种：

1)设备固件升级困难

PLC和zigbee方便小量数据通信，固件升级并不是两个协议关注的重点，但是很多智能设备在出厂后，可能存在固件设计的需求。

针对设备升级，除了传统的下载线方式外，通过远程升级是未来发展方向。毕竟硬件一旦安装到现场后，通过打开设备外壳接入下载线后再下载，几乎成了不可能完成的任务。在远程升级方面，最近的相关专利提到了不同的远程固件升级方法，升级效果相对不理想。尤其是大的固件传输中，网络不稳定导致数据断点续传等问题十分困难，影响了设备固件可靠升级。

2)网络需要提前规划，施工需要特别注意。

不论是PLC还是zigbee的组件监控，均需要在施工前提前规划各种设备安装的位置，需要专业的技术人员进行专业的规划，实际通信效果差强人意。在施工的时候，需要特别分别不同种类设备的组件，给施工人员带来困扰。

3)中心式节点压力大，一旦失败则整个网络崩溃。

基于zigbee协议的网络重建中，均需要协调器完成网络建设，网络建设速度的快慢将直接影响数据传输。此外PLC通信，各终端节点需要与PLC接收机通信，PLC接收机的硬件或软件系统崩溃都将直接影响所有PLC网络终端数据传输。

4)需要至少两套不同硬件和两套不同软件程序。

Zigbee协调节点、路由节点及终端节点需要运行不同的程序，几乎很难集成到统一硬件。

5)PLC和zigbee网络如果需要与以太网、云平台通信，需要额外转发设备。

Zigbee节点和plc设备都属于网络接入层设备，如果要与以太网或云系统对联，需要网关类设备，该网关在zigbee网络或plc网络中也是中心节点，其失败或崩溃也将导致系统无法数据传输。

6)基于zigbee，lora等无线硬件的配置较难。

基于zigbee或lora无线设备可自动形成自组织网络，如果智能硬件数量大影响自组织网络稳定性，则需要进行自组织网络划分，需要进行现场配置，则需要借助其他功能或手段配置。

本发明提供一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信系统，包括安装在组件上的数据采集设备、网络构建单元、数据采集单元和通讯单元。

本实施例中，太阳能组件之间采用“肩并肩”安装，各组件之间可通过“搭桥”方式实现数据传送，因此可将太阳能组件分为多个通信段。如图1所示，将太阳能组件分为n个通信段，每个通信段的长度优选为50m，提高数据传输的速度。1表示第一通信段，2表示第二通信段，n-1表示第n-1通信段，n表示的第n通信段。

数据采集设备具有唯一编号，用于采集组件的检测数据，检测数据包括实时发电电压、电流、功率等相关信息。且每个数据采集设备都采用同一个型号的设备，即具备相同的硬件设备和软件设备。

网络构建单元，用于根据每个通信段中各个数据采集设备的信号质量、状态，计算得分，选择得分最大的数据采集设备为节点构建通信子网络，每个通信子网络长度优选为50m，提高数据传输的速度。

数据采集单元，用于发布采集命令给每个通信子网络中的节点，节点再将采集命令发送给对应的数据采集设备。

通讯单元，用于将通信子网络的检测数据传输到监控平台。

本实施例中，通讯单元的通讯方式包括无线和有线，无线包括wifi，zigbee，lora，有线包括PLC，数据传输速度可优选考虑1Mbps以上。

无线通信频率优先选择ISM频段。ISM频段(Industrial Scientific MedicalBand)主要是开放给工业、科学和医用3个主要机构使用的频段，属于无许可 (FreeLicense)频段，使用者无需许可证，没有所谓使用授权的限制。

本实施例中，考虑到太阳能组件发电电量增长率，如500w组件每天发电量约为1-2kwh，发电时间约为4-6小时，可考虑每个通信子网络中每隔5分钟汇集一次数据，各个通信子网络每隔30分钟发送数据到监控平台。

本系统在通信子网络构建前，不需要预先指定中心节点，各节点的角色及地位完全一致，不存在主、从节点。在构建通信网络的时候，主要是基于当时网络中各个节点的信号质量、各节点状态，利用算法计算自动选出网络中最佳的对外节点，由其提供对外服务。此外各节点采用同一套硬件和同一套软件，无需提前安排和区分，方便后期建设施工。

本发明提供一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信方法，包括：

S1：将太阳能组件分为n个通信段，每个太阳能组件上安装数据采集设备，数据采集设备用于采集组件的检测数据，n为正整数。

本实施例中，太阳能组件之间采用“肩并肩”安装，各组件之间可通过“搭桥”方式实现数据传送，因此可将太阳能组件分为n个通信段,每个通信段的距离不大于预设距离，例如预设距离为50米。

同时，每个数据采集设备具有唯一编号，用于采集组件的检测数据，检测数据包括实时发电电压、电流、功率等相关信息。

本实施例中，数据采集设备得分M的计算公式如下：

M＝10×lg^P，P表示发射功率，单位为mw。

例如当发射功率P为1mw，M＝0；

P为40W(4000mw)时，

M＝10×lg(40000)＝10×lg4+10×lg10+10×lg1000＝46。

本实施例中，太阳能组件由于只能日间发电，利用日间发电期间，给附着在组件上的智能设备提供电能。所以夜间不能实现通信，网络将自动停止。太阳能发电站建成组件首次发电后，数据采集设备处于待配置状态，但是不影响组件发电，即便是一直不配置，太阳能电站可工作在常规模式下，只是无法实现组件监控和关断。在日间开始发电时，将开始重建通信子网络，通信子网络网络一旦完成重建，太阳能组件数据可利用通信子网络发送数据到监控平台，监控平台也可将各种命令发送到组件，实现控制。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信系统，其特征在于，包括安装在组件上的数据采集设备、网络构建单元、数据采集单元；

所述数据采集设备，用于采集太阳能组件的检测数据；

2.如权利要求1所述的一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信系统，其特征在于，所述数据采集设备具有唯一地址编号。

3.如权利要求1所述的一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信系统，其特征在于，所述检测数据包括发电电压、电流、功率。

4.一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信方法，其特征在于，所述每个通信段的距离不大于预设距离。

6.如权利要求4所述的一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信方法，其特征在于，所述每个数据采集设备具有唯一编号，用于采集组件的检测数据，检测数据包括实时发电电压、电流、功率。

7.如权利要求4所述的一种基于去中心式节点的太阳能组件间通信方法，其特征在于，所述S2中，数据采集设备的对应得分M计算公式如下：

M＝10×lg^P，P表示发射功率，单位为mw。