CN201449412U - 太阳能发电监测报警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种太阳能发电监测报警装置，包括主机、从机及环境传感器，主机与从机采用RS485或RS232总线连接，环境传感器与主机采用环境采样接口连接；从机包括电流传感器、RS485或RS232通讯接口、通讯地址设置开关、电流量程等级设置开关及CPU，电流传感器包括线圈(1)、开口磁环(2)及线性霍尔(3)，线圈两端串入太阳能发电系统的每一个太阳能电池板的串联回路与汇流箱之间，通过线性霍尔输出模拟量数据连接至CPU的AD端口进行采样，电流传感器设置了16种不同线圈圈数的电流传感器；主机包括CPU、存储器、时钟芯片、扬声器、LCD、键盘、RS485通讯接口、环境采样接口和网络接口。本实用新型能够精确测量不同电流量程太阳能组件的发电电流，同时将外部环境检测整合接入系统。

Description

太阳能发电监测报警装置

(一)技术领域

本实用新型涉及一种应用于太阳能光伏发电系统运行的太阳能发电监测报警装置。

(二)背景技术

当前太阳能光伏发电系统运行最短设计使用寿命为25年，整个项目经济收益由投资部分、运行维护费、发电收益费组成。在没有寻求到更好的能够提高太阳能系统发电效率的方法时，价格成本是制约光伏发展的重要因素，因此如何提高系统的有效运行率，是提高发电效率，实现投资利益最大化的良好方法之一。

目前，国外市场上只有极少数相关的系统产品存在于市场，国内市场上也有一些太阳能发电方面监测系统，但直到目前为止，还没有稳定可靠的商业化的产品出现，主要原因是功能可靠性达不到要求，在技术及管理上存在着以下两个方面的难点：

(1)太阳能发电组件目前一般有单晶、多晶及非晶三种，各种组件之间的饱和发电电流等性能存在着很大的差异，如果采用统一量程的传感器检测方法，只能选择量程较大的传感器进行统一检测，则造成在测量电流较小的组件时，引起较大的测量误差；如果为不同的组件采用不同量程的电流传感器进行检测，则对采样出的数据需要进行分别处理，技术及管理上存在着较高的要求。

(2)太阳能发电数据跟外部环境之间密切相关，在监测太阳能发电数据时，如果单一将测量的数据进行判断处理，从而得出结论发电是否正常，往往会出现误报警，所以必须将外部环境检测整合接入系统，技术及管理上也存在着较高的要求。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于克服上述难点，提供一种能够精确测量不同电流量程太阳能组件的发电电流、同时将外部环境检测整合接入系统的太阳能发电监测报警装置。

本实用新型的目的是这样实现的：一种太阳能发电监测报警装置，所述装置包括主机、从机及环境传感器，主机与从机之间采用RS485或RS232总线连接，环境传感器与主机之间采用环境采样接口连接；

所述从机包括电流传感器、RS485或RS232通讯接口、通讯地址设置开关、电流量程等级设置开关及CPU，电流传感器包括线圈、开口磁环及线性霍尔，线圈绕于开口磁环上，线性霍尔置于开口磁环开口处，线圈两端串入太阳能发电系统的每一个太阳能电池板的串联回路与汇流箱之间，通过线性霍尔输出模拟量数据连接至CPU的AD端口进行采样，所述电流传感器设置了16种不同线圈圈数的电流传感器，其最大测量电流从1A-16A不等，在安装了不同量程电流传感器的从机上设定0-15之间的16种电流量程，所述通讯地址设置开关及电流量程等级设置开关都与CPU的IO端口相连，RS485或RS232通讯接口外接485或232总线，与主机进行数据通讯，所述CPU采用一种通用的带AD采样端口的51系列单片机，该CPU自带串口通讯接口，外接一个RS485或232通讯模块，所述CPU共设8个寄存器用于存放采样的电流值，定时每5秒钟采样一次电流，依次存放于8个寄存器中，第9次采样值再从1号寄存器开始存放，覆盖旧值；

所述主机包括CPU、存储器、时钟芯片、扬声器、LCD、键盘、RS485通讯接口、环境采样接口和网络接口，CPU采用TI公司推出的C2000平台下的TMS320LF2407DSP，存储器采用4M的串口FLASH存储器，与CPU自带的SPI模块连接，时钟芯片采用DS1232芯片与CPU的两个通用I/O口连接，实行串行数据交换，采用电源块及后备电池双电源供电，扬声器通过CPU的一个通用I/O口驱动三极管进行控制，LCD采用128*64点阵的模块，连至CPU的总线，CPU采用自带的SCI模块通过RS485通讯接口与外部485或232总线相连，实现主机与从机之间的通讯，环境采样接口通过CPU的AD采样端口来实现环境传感器的采样，网络接口采用WIZnet公司生产的W5100芯片，与CPU有并口或串口两种连接方式，网络接口内部集成有10/100以太网控制器，W5100内部集成了TCP/IP协议栈、以太网介质传输层和物理层，W5100内部还集成有16KB存储器；

装置工作原理：

装置出厂后在正常运行前设定一些必要的参数，如当前时间、查询时间间隔、从机数量、本机IP地址和选程主机IP地址，从机在安装时按从小到大顺序设定好从机的通讯地址，同一个子系统中，地址从1开始设置，最大地址250；超过250时，将其余的从机接入另一个子系统；

主机与从机之前采用串口多机通讯模式，地址00及255用作主机的广播命令，00命令所有从机停止采样，255命令所有从机开始采样；

在一个子系统中，主机隔一段时间查询从机采样的电流数据，查询方法为轮询法。

本实用新型的有益效果是：

从机的方式，通过每个从机采样系统定时检测采样，并将采样的数据通过通讯接口RS485或RS232传送至主机，主机集成环境检测接口，并将接收到的数据汇总，按设定的规则进行分析计算，最后得出发电综合状态检测结果，判断是否输出报警。

本实用新型将从机的电流采样端口，接在发电系统每一个太阳能电池板的串联回路与汇流箱之间，采样其发电电流数据，再通过RS485或RS232端口将各串联回路的电流数据汇总至主机，由主机将汇总的数据按软件预定的规则进行分析处理，当有数据达到或超过设定范围时，主机将发出报警信号驱动扬声器报警，同时将故障存入FLASH存储器中，并通过自带的网络接口，将报警信息发至远程主机，供用户远程查询监测。

本实用新型可应用于各种规模的光伏电站，无论是独立系统、并网系统，还是混合系统。通过最早发现系统错误和最快实施维修来提高每个光伏系经济回报性，降低维护成本。

(四)附图说明

图1为本实用新型涉及的电流传感器结构示意图。

图2为本实用新型涉及的从机结构示意图。

图3为本实用新型涉及的主机结构示意图。

图中附图标记：

线圈1、开口磁环2、线性霍尔3。

(五)具体实施方式

本实用新型太阳能发电监测报警装置，该系统由主机、从机、及环境传感器(温度、辐射)组成，主机与从机之间采用RS485或RS232总线连接，环境传感器与主机之间采用环境采样接口连接。

参见图2，图2为本实用新型涉及的从机结构示意图。由图2可以看出，从机由电流传感器、RS485或RS232通讯接口、通讯地址设置开关、电流量程等级设置开关及CPU组成。电流传感器由线圈1、开口磁环2及线性霍尔3组成(图1)。线圈1绕于开口磁环2上，线性霍尔3置于开口磁环2开口处。具体工作原理：线圈两端串入太阳能发电系统的每一个太阳能电池板的串联回路与汇流箱之间，通过线性霍尔输出模拟量数据连接至CPU的AD端口进行采样，再通过RS485或RS232端口将各串联回路的电流数据汇总至主机，

当太阳能电池板发电时，在线圈内产生电流，由于线圈绕于开口磁环上，由于电流作用在开口磁环内部产生磁场，电流越大，磁场也越强，线圈圈数越大，磁场也越强，线性霍尔受到磁场的感应，就输出一定的电压，磁场越强，电压也越大。为了使不同电流量程的太阳能组件的发电电流都能精确测量，设置了16种不同线圈圈数的电流传感器，其最大测量电流从1A-16A不等(一般太阳能电池组件的发电最大电流不超过10A)。通过这些传感器，能够精确测量不同电流量程太阳能组件的发电电流。RS485或RS232通讯接口外接485或232总线。通讯地址设置开关及电流量程等级设置开关可采用DIP开关或跳线的方式进行硬件设置，通讯地址设置开关的通讯地址采用8位开关，使得RS485或232总线上主机能区分250台以上的从机。电流量程等级设置开关采用4位开关设定，在安装了不同量程电流传感器的从机上设定0-15之间的16种电流量程。通讯地址设置开关及电流量程等级设置开关都与CPU的IO端口相连。CPU采用一种通用的带AD采样端口的51系列单片机，该类单片机具有成本低、应用广等特点，自带串口通讯接口，外接一个RS485或232通讯模块即可与外界通讯。

从机模块控制软件工作原理：CPU共设8个寄存器用于存放采样的电流值，定时每5秒钟采样一次电流，依次存放于8个寄存器中，第9次采样值再从1号寄存器开始存放，覆盖旧值，采用这种办法，使这8个寄存器中保存的永远是最近的8次采样值。当主机索取时，送出8次采样的平均值及本从机设定的电流量程值，大大减小的单次采样误差。

当从机接收到主机发出停止采样命令时，CPU定时器停止计时，并停止采样电流数据，直到接收到主机发出开始采样命令时，才恢复正常工作，通过这种方式，大大降低了整个系统夜间所产生的无用能耗。

参见图3，图3为本实用新型涉及的主机结构示意图.由图3可以看出，主机由CPU、存储器、时钟芯片、扬声器、LCD、键盘、RS485通讯接口、环境采样接口和网络接口组成.CPU采用TI公司推出的C2000平台下的TMS320LF2407DSP，与传统的CPU相比，该芯片具有处理性能更好、外设集成度更高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等特点，能轻松实现主机所需要的运算及控制功能；存储器采用4M的串口FLASH存储器，与CPU自带的SPI模块连接，用来保存系统的一些参数(系统节点数、通讯及网络方面的一些参数)及20000条以上的系统运行故障记录；时钟芯片采用DS1232芯片与CPU的两个通用I/O口连接，实行串行数据交换，用来给系统提供一个时间基准，采用电源块及后备电池双电源供电(以备市电停电后系统时间继续运行)；扬声器通过CPU的一个通用I/O口驱动三极管进行控制，用来当系统运行过程中检测到发电数据异常时输出报警声音，以此来提醒工作人员去查询相关异常信息；LCD采用128*64点阵的模块，连至CPU的总线，用来显示系统的一些工作状态、数据、故障信息等，配合键盘使用提供给客户一个人机接口，让用户来设定系统时间、节点数等一些系统参数；CPU采用自带的SCI模块通过RS485通讯接口与外部485或232总线相连，实现主机与从机之间的通讯，从而从每台从机获取采样的电流数据；环境采样接口主要用来采样外界环境的温度、辐射量等，主要由一些信号调整电路及信号放大电路组成，通过CPU的AD采样端口来实现环境传感器的采样；网络接口主要用来提供系统的一个对外接口，可以通过此接口与远程主机(电脑)通讯，实现太阳能发电数据的远程监测.此接口采用WIZnet公司生产的W5100芯片，W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，与CPU有两种连接方式，(并口或串口)，内部集成有10/100以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中，W5100内部集成了TCP/IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY).硬件TCP/IP协议栈支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE，W5100内部还集成有16KB存储器用于数据传输.使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口(Socket)编程.轻松实现数据远程传输.

系统工作原理：

在一个电站中，可能有几百个或几千个串联回路，一台主机可以同时与250台从机相连，查询从机采样数据，(一台主机加上与其相连接的所有从机称为一个子系统)，所以，当串联回路较多时，可能需要多个子系统同时接入，这些子系统能通过各自的网络接口接入同一台远程服务器，由主机对整个电站实行发电数据统一监测。

系统出厂后在正常运行前须设定一些必要的参数，如当前时间、查询时间间隔、从机数量、本机IP地址、选程主机IP地址等，从机在安装时按从小到大顺序设定好从机的通讯地址(同一个子系统中，地址从1开始设置，最大地址250；超过250时，将其余的从机接入另一个子系统)。

主机与从机之前采用串口多机通讯模式，地址00及255用作主机的广播命令，00命令所有从机停止采样，255命令所有从机开始采样。

在一个子系统中，主机隔1分钟查询从机采样的电流数据(具体时间间隔可设定调整)，查询方法为轮询法，假设一台主机与1-50号从机相连接，具体操作如下：

主机先发送地址1，等待1号从机传回数据，再接收1号从机传来的电流数据，再发送地址2……以次类推，直到50号从机查询结束。

Claims (2)

1.一种太阳能发电监测报警装置，其特征在于所述装置包括主机、从机及环境传感器，主机与从机之间采用RS485或RS232总线连接，环境传感器与主机之间采用环境采样接口连接；

所述从机包括电流传感器、RS485或RS232通讯接口、通讯地址设置开关、电流量程等级设置开关及CPU，电流传感器包括线圈(1)、开口磁环(2)及线性霍尔(3)，线圈(1)绕于开口磁环(2)上，线性霍尔(3)置于开口磁环(2)开口处，线圈(1)两端串入太阳能发电系统的每一个太阳能电池板的串联回路与汇流箱之间，通过线性霍尔输出模拟量数据连接至CPU的AD端口，所述电流传感器设置了16种不同线圈圈数的电流传感器，其最大测量电流从1A-16A不等，在安装了不同量程电流传感器的从机上设定0-15之间的16种电流量程，所述通讯地址设置开关及电流量程等级设置开关都与CPU的IO端口相连，RS485或RS232通讯接口外接485或232总线，所述CPU采用一种通用的带AD采样端口的51系列单片机，该CPU自带串口通讯接口，外接一个RS485或232通讯模块，所述CPU共设8个寄存器用于存放采样的电流值，定时每5秒钟采样一次电流，依次存放于8个寄存器中，第9次采样值再从1号寄存器开始存放，覆盖旧值；

所述主机包括CPU、存储器、时钟芯片、扬声器、LCD、键盘、RS485通讯接口、环境采样接口和网络接口，CPU采用TI公司推出的C2000平台下的TMS320LF2407DSP，存储器采用4M的串口FLASH存储器，与CPU自带的SPI模块连接，时钟芯片采用DS1232芯片与CPU的两个通用I/O口连接，采用电源块及后备电池双电源供电，扬声器通过CPU的一个通用I/O口驱动三极管进行控制，L CD采用128*64点阵的模块，连至CPU的总线，CPU采用自带的SCI模块通过RS485通讯接口与外部485或232总线相连，环境采样接口与CPU的AD采样端口相连，网络接口采用WIZnet公司生产的W5100芯片，与CPU有并口或串口两种连接方式。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能发电监测报警装置，其特征在于所述网络接口内部集成有10/100以太网控制器，W5100内部集成了TCP/IP协议栈、以太网介质传输层和物理层，W5100内部还集成有16KB存储器；通讯地址设置开关及电流量程等级设置开关采用DIP开关或跳线的方式进行硬件设置，通讯地址设置开关的通讯地址采用8位开关，电流量程等级设置开关采用4位开关设定。

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