CN202455294U - 基于wia无线传感网络的光伏汇流箱监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了 一种基于 WIA 无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，它包括光伏组件串列（ 11 ）、无线光伏汇流箱（ 12 ）、无线网关（ 14 ）和监控中心计算机（ 15 ），光伏组件串列（ 11 ）与无线光伏汇流箱（ 12 ）连接，无线网关（ 14 ）通过工业无线 WIA 网络连接无线光伏汇流箱（ 12 ），无线网关（ 14 ）与监控中心计算机（ 15 ）通过 RS232/RS485/TCP-IP 协议进行通信。本实用新型能减少光伏电站通信电缆的铺设线路，简化系统安装维护的操作，节省成本和降低功耗，并且所使用的协议简单，能提高监控中心与光伏汇流箱之间的信号传输的可靠性。

Description

基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，属于光伏发电系统技术领域和通信领域。

背景技术

太阳能光伏发电有许多经济、社会和环境保护的积极意义，是国家重点支持研究的技术领域，随着光伏发电技术不断发展，整个系统中可以增加很多方便、提高可靠性与安全性的设计。

光伏汇流箱监测系统是面向太阳能光伏发电厂生产管理层的自动化信息监测平台，实现对光伏阵列电流信息的采集、处理和监测管理。在大型光伏电站中，光伏汇流箱分布非常分散且数量较多，汇流箱与监控站之间需要铺设大量的通信线缆，用以数据采集及信号传输，存在着布线麻烦、功耗大、成本高的缺点。即使采用传统的无线数据采集及传输方式，也存在协议复杂、信号传输不可靠、系统成本高及功耗大的缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，它能减少光伏电站通信电缆的铺设线路，简化系统安装维护的操作，节省成本和降低功耗，并且所使用的协议简单，能提高监控中心与光伏汇流箱之间的信号传输的可靠性。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：一种基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，包括光伏组件串列、无线光伏汇流箱、无线网关和监控中心计算机，光伏组件串列与无线光伏汇流箱连接，无线网关通过工业无线WIA网络连接无线光伏汇流箱，通过工业无线WIA网络使用IEEE802.15.4标准协议向无线光伏汇流箱发送上报数据指令，无线网关与监控中心计算机通过RS232/RS485/TCP-IP协议进行通信。

前述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统中，无线网关包括以太网接口和以太网协议处理器，以太网协议处理器与节点管理模块对接，构成WIA-PA网关。以太网接口收到的以太网数据包，通过某种类型的工业以太网协议处理器解包成应用层数据帧，并通过通用外设接口模块（如RS232/RS485），将数据发送至节点管理模块的中央处理单元，中央处理器单元打包成WIA应用层对象帧格式发送到WIA-PA协议处理器，通过无线收发模块发送到传感器网络中。相反，从无线收发模块收到的WIA-PA网络数据，也在中央处理器中解包出应用数据，通过通用外设接口（如RS232/RS485），在以太网协议处理器中打包成以太网帧，返回给监控中心计算机，无线网关完成WIA无线报文与TCP/IP协议报文之间的转换。

前述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统中，所述监控中心计算机上设有监控软件、数据库。监控软件具有人机交互画面，用来显示太阳能电池阵列与汇流箱的连接示意图，和下一级子界面的导航图标，标示各个汇流箱运行状态及关键参数（如电流值），可以查看各个汇流箱对应的各个光伏组件串列（电池组件串）的状态和关键参数，实现对各个汇流箱电池组件串支路的监控，同时可生成报表；数据库具有存储和处理数据等功能。

前述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统中，所述系统还包括无线中继路由器，无线光伏汇流箱、无线中继路由器和无线网关组成自组织多跳的Mesh网络，无线网关可以根据无线光伏汇流箱的MAC地址来决定是否允许该汇流箱加入该网络，当无线光伏汇流箱与无线网关的距离较远时，可通过无线中继路由器进行转发。

前述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统中，所述无线光伏汇流箱包括采集通讯控制器、防反二极管、直流高压熔丝、汇流接线盒、高压断路器、防雷模块和光伏组件串列接入的正接线端、负接线端，从正接线端输入的电流依次经过直流高压熔丝、防反二极管、采集通讯控制器、汇流接线盒、高压断路器和防雷模块之后输出，从负接线端输入的电流依次经过直流高压熔丝、汇流接线盒、高压断路器和防雷模块之后输出。

前述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统中，防雷模块采用光伏专用的高压防雷器，能满足正极对地、负极对地、正负极之间都防雷的要求，其额定电流≥15kA，最大电流≥40kA，Up值不高于3.9kV；高压断路器采用正负极分别串联的四极断路器，提高直流耐压，能够承受1000V直流；直流高压熔丝对每路光伏组串进行保护，即1个16 路输入的汇流箱带16 路的熔丝保护，保险丝耐压达到直流1000V 以上（含1000V）。

前述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统中，所述无线光伏汇流箱上还设有双路RS485通信端口，外接的WIA无线通讯装置通过RS485通信端口与无线光伏汇流箱连接，WIA无线通讯装置是由WIA无线通讯模块、3~5V电源接口和RS485通讯底板构成，并与发射天线连接。

前述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统中，所述无线光伏汇流箱上还设有WIA无线通讯模块，WIA无线通讯模块通过硬件管脚与采集通讯控制器连接通讯，具有天线接口，发射天线从无线光伏汇流箱的不锈钢外壳引出；具有3.3V电源接口，可直接从采集通讯控制器上取电。所述无线光伏汇流箱采用不锈钢机箱，外接WIA天线，能满足室外安装的壁挂式密封型机柜的要求，其防护等级能达到IP54 以上。

前述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统中，所述WIA无线通讯模块通过工业无线WIA网络连接其它无线光伏汇流箱的WIA无线通讯模块，实现无线光伏汇流箱与无线光伏汇流箱之间的自组织多跳路由，自动寻找最优路径，实现无线汇流箱与无线汇流箱之间的数据转发，因此无线光伏汇流箱本身可以充当路由功能。

前述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统中，所述采集通讯控制器采用性能可靠的霍尼韦尔霍尔元件（直流CT传感器）、高可靠性的ARM 处理器，对每一路的光伏组件串列进行独立的电流监测、报警和本地故障定位；设有双路RS485有线接口，支持MODBUS-RTU通讯和WIA无线通讯装置的接入；通过无线或有线方式与监控中心计算机通讯。

前述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统中，所述光伏组件串列为16路光伏组件串列，光伏组件串列分别接入无线光伏汇流箱的正接线端、负接线端，正接线端、负接线端各具有1－16路的独立电流接入。所述的16路光伏组件串列可根据实际需要，进行1－16路范围的调整和缩减。

与现有技术相比，本实用新型汇流箱具有WIA无线通讯模块和RS485接口，RS485接口可用于连接WIA无线节点装置，监测系统采用WIA无线网络技术，可将实时监测的电流数据信息经由无线中继路由和无线网关构成的WIA无线传感器监控网络，传输给监控中心进行可视化显示，可自动采集、分析和处理各个节点的数据，实现了监控中心与无线光伏汇流箱之间的信号传输，减少光伏电站通信电缆的铺设线路，且无线装置安装维护简单易用，节省了成本和降低了功耗，并且所使用的WIA无线协议简单，能提高监控中心与光伏汇流箱之间信号传输的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的一种实施例的系统示例性网络结构图；

图2是本实用新型的一种实施例的无线光伏汇流箱的结构原理图。

附图标记：11-光伏组件串列，12-无线光伏汇流箱，13-无线中继路由器，14-无线网关，15-监控中心计算机，20-正接线端，21-直流高压熔丝，22-防反二极管，23-采集通讯控制器，24-WIA无线通讯模块，25-WIA无线通信装置，26-汇流接线盒，27-高压断路器，28-防雷模块，29-负接线端，30-双路RS485通信端口，31-发射天线。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。

具体实施方式

本实用新型的实施例：一种基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，其系统示例性网络结构图如图1所示，包括光伏组件串列11、无线光伏汇流箱12、无线网关14和监控中心计算机15，光伏组件串列11与无线光伏汇流箱12连接，无线网关14通过工业无线WIA网络连接无线光伏汇流箱12，通过工业无线WIA网络使用IEEE802.15.4标准协议向无线光伏汇流箱12发送上报数据指令，无线网关14与监控中心计算机15通过RS232/RS485/TCP-IP协议进行通信。

所述无线网关14包括以太网接口和以太网协议处理器，以太网协议处理器与节点管理模块对接，构成WIA-PA网关。以太网接口收到的以太网数据包，通过某种类型的工业以太网协议处理器解包成应用层数据帧，并通过通用外设接口模块（如RS232/RS485），将数据发送至节点管理模块的中央处理单元，中央处理器单元打包成WIA应用层对象帧格式发送到WIA-PA协议处理器，通过无线收发模块发送到传感器网络中。相反，从无线收发模块收到的WIA-PA网络数据，也在中央处理器中解包出应用数据，通过通用外设接口（如RS232/RS485），在以太网协议处理器中打包成以太网帧，返回给监控中心计算机15，无线网关14完成WIA无线报文与TCP/IP协议报文之间的转换。

所述监控中心计算机15上设有监控软件、数据库。监控软件具有人机交互画面，用来显示太阳能电池阵列与汇流箱的连接示意图，和下一级子界面的导航图标，标示各个汇流箱运行状态及关键参数（如电流值），可以查看各个汇流箱对应的各个光伏组件串列（电池组件串）的状态和关键参数，实现对各个汇流箱电池组件串支路的监控，同时可生成报表；数据库具有存储和处理数据等功能。

所述系统还包括无线中继路由器13，无线光伏汇流箱12、无线中继路由器13和无线网关14组成自组织多跳的Mesh网络，无线网关14可以根据无线光伏汇流箱12的MAC地址来决定是否允许该汇流箱加入该网络，当无线光伏汇流箱12与无线网关14的距离较远时，可通过无线中继路由器13进行转发。

所述无线光伏汇流箱12（其结构原理图如图2所示），包括采集通讯控制器23、防反二极管22、直流高压熔丝21、汇流接线盒26、高压断路器27、防雷模块28和光伏组件串列接入的正接线端20、负接线端29，从正接线端20输入的电流依次经过直流高压熔丝21、防反二极管22、采集通讯控制器23、汇流接线盒26、高压断路器27和防雷模块28之后输出，从负接线端29输入的电流依次经过直流高压熔丝21、汇流接线盒26、高压断路器27和防雷模块28之后输出。

所述防雷模块28采用光伏专用的高压防雷器，能满足正极对地、负极对地、正负极之间都防雷的要求，其额定电流≥15kA，最大电流≥40kA, Up值不高于3.9kV；高压断路器27采用正负极分别串联的四极断路器，提高直流耐压，能够承受1000V直流；直流高压熔丝21对每路光伏组串进行保护，即1个16 路输入的汇流箱带16 路的熔丝保护，保险丝耐压达到直流1000V 以上（含1000V）。

所述无线光伏汇流箱12上还设有双路RS485通信端口30，外接的WIA无线通讯装置25（由中科院沈阳自动化所提供）通过双路RS485通信端口30与无线光伏汇流箱12连接，WIA无线通讯装置25是由WIA无线通讯模块24、3~5V电源接口和RS485通讯底板构成，并与发射天线31连接。

所述无线光伏汇流箱12上还设有WIA无线通讯模块24，其型号为WIAPA-M1800，WIA无线通讯模块24通过硬件管脚与采集通讯控制器23连接通讯，具有天线接口，发射天线31从无线光伏汇流箱12的不锈钢外壳引出；具有3.3V电源接口，可直接从采集通讯控制器23上取电。所述无线光伏汇流箱12采用不锈钢机箱，外接WIA天线，能满足室外安装的壁挂式密封型机柜的要求，其防护等级能达到IP54 以上。

所述WIA无线通讯模块24通过工业无线WIA网络连接其它无线光伏汇流箱的WIA无线通讯模块24，实现无线光伏汇流箱12与无线光伏汇流箱12之间的自组织多跳路由，自动寻找最优路径，实现无线汇流箱之间的数据转发，因此无线光伏汇流箱12本身可以充当路由功能。

所述采集通讯控制器23采用性能可靠的霍尼韦尔霍尔元件（直流CT传感器）、高可靠性的ARM 处理器，对每一路的光伏组件串列进行独立的电流监测、报警和本地故障定位；设有双路RS485有线接口，支持MODBUS-RTU通讯和WIA无线通讯装置25的接入；通过无线或有线方式与监控中心计算机15通讯。

所述光伏组件串列11为16路光伏组件串列，光伏组件串列11分别接入无线光伏汇流箱12的正接线端20、负接线端29，正接线端20、负接线端29各具有1－16路的独立电流接入。所述的16路光伏组件串列可根据实际需要，进行1－16路范围的调整和缩减。

本实用新型实施例的工作原理：

无线光伏汇流箱12相当于电流传感器节点，通过该节点对光伏组件串列11各支路电流进行AD数据采集。无线光伏汇流箱12连接光伏组件串列11和逆变器，根据逆变器的直流输入电压范围，将1－16路串联的光伏组件串列11的正负端分别接入无线光伏汇流箱12的正接线端20、负接线端29，正接线端20接入的电流通过直流高压熔丝21后经由防反二极管22，经过采集通信控制器23后由汇流接线盒26汇流，负接线端29接入的电流通过直流高压熔丝21、汇流接线盒26汇流，这两股电流通过高压断路器27和防雷模块28输出，汇流后的直流电流经过配电柜后接入逆变器，进行并网发电。

当无线网关14向汇流箱发送上报数据指令时，无线光伏汇流箱12将采集的电流通过RS485接口连接到外接WIA无线通讯装置25，或直接通过汇流箱采集通讯控制器23上连接的WIA无线通讯模块24，以无线形式、十秒一次的频率，按照预先配置的数据刷新周期，定时将采集的电流数据和故障报警信息通过WIA协议向外发送到无线网关14，无线网关14通过TCP/IP协议将电流、故障信息转发给监控中心计算机15。当无线光伏汇流箱12与无线网关14的距离较远时，可通过无线中继路由器13进行转发。

监控中心计算机15上设有监控软件、数据库；监控软件具有人机交互画面，显示太阳能电池阵列与汇流箱的连接示意图，和下一级子界面的导航图标，标示各个汇流箱运行状态及关键参数（如电流值），可以查看各个汇流箱对应的各个电池组件串的状态和关键参数，实现对各个汇流箱电池组件串支路的监控，同时可生成报表；数据库具有存储和处理数据等功能。

Claims (8)

1.一种基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，其特征在于：包括光伏组件串列（11）、无线光伏汇流箱（12）、无线网关（14）和监控中心计算机（15），光伏组件串列（11）与无线光伏汇流箱（12）连接，无线网关（14）通过工业无线WIA网络连接无线光伏汇流箱（12），无线网关（14）与监控中心计算机（15）通过RS232/RS485/TCP-IP协议进行通信。

2.根据权利要求1所述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，其特征在于：还包括无线中继路由器（13），无线光伏汇流箱（12）、无线中继路由器（13）和无线网关（14）组成自组织多跳的Mesh网络。

3.根据权利要求1或2所述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，其特征在于：

所述无线光伏汇流箱（12）包括采集通讯控制器（23）、防反二极管（22）、直流高压熔丝（21）、汇流接线盒（26）、高压断路器（27）、防雷模块（28）和光伏组件串列接入的正接线端（20）、负接线端（29），从正接线端（20）输入的电流依次经过直流高压熔丝（21）、防反二极管（22）、采集通讯控制器（23）、汇流接线盒（26）、高压断路器（27）和防雷模块（28）之后输出，从负接线端（29）输入的电流依次经过直流高压熔丝（21）、汇流接线盒（26）、高压断路器（27）和防雷模块（28）之后输出。

4.根据权利要求3所述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，其特征在于：所述无线光伏汇流箱（12）上还设有双路RS485通信端口（30），外接的WIA无线通讯装置（25）通过双路RS485通信端口（30）与无线光伏汇流箱（12）连接。

5.根据权利要求4所述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，其特征在于：所述无线光伏汇流箱（12）上还设有WIA无线通讯模块（24），WIA无线通讯模块（24）通过硬件管脚与采集通讯控制器（23）连接通讯，具有天线接口，发射天线（31）从无线光伏汇流箱（12）的不锈钢外壳引出。

6.根据权利要求5所述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，其特征在于：所述WIA无线通讯模块（24）通过工业无线WIA网络连接其它无线光伏汇流箱（12）的WIA无线通讯模块（24），实现无线光伏汇流箱（12）与无线光伏汇流箱（12）之间的自组织多跳路由。

7.根据权利要求3所述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，其特征在于：所述采集通讯控制器（23）采用霍尼韦尔霍尔元件、ARM 处理器，对每一路的光伏组件串列（11）进行电流监测、报警和本地故障定位，通过无线或有线方式与监控中心计算机（15）通讯。

8.根据权利要求3所述的基于WIA无线传感网络的光伏汇流箱监测系统，其特征在于：所述光伏组件串列（11）为16路光伏组件串列，光伏组件串列（11）分别接入无线光伏汇流箱（12）的正接线端（20）、负接线端（29），正接线端（20）、负接线端（29）各具有1－16路的独立电流接入。

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