CN202887435U

CN202887435U - 一种风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置

Info

Publication number: CN202887435U
Application number: CN 201220624237
Authority: CN
Inventors: 陈治国; 韦文生; 夏鹏
Original assignee: Wenzhou University
Current assignee: Wenzhou University
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2022-11-21

Abstract

本实用新型提供了一种风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置，包括以无线方式相连的上位机和下位机；所述上位机包括单片机，以及与单片机相连的信号采集模块和无线发射模块；单片机用于把信号采集模块采集到的模拟信号进行AD转换后通过单片机的SPI接口传输给无线发射模块进行数据的发送；所述下位机包括无线接收模块和监测模块，无线接收模块用于接收上位机发送的数据；监测模块用于通过用户界面的方式显示上位机采集到的实时数据。本实用新型通过采用无线传输的方式实现了风光互补发电系统数据的处理与传输；与传统的有线传输监测相比，省去了大量的布线，具有成本低，组网方式灵活，信号传输速率快且稳定、拓展简便，易于维护管理的优点。

Description

一种风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置

技术领域

本实用新型属于风光互补发电领域，具体涉及一种风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置。

背景技术

随着社会经济和科技的迅猛发展，人们对于通信业务的依赖性日益增长，扩大通信网络的覆盖率也成为了运营商提高服务质量和竞争力的当务之急，而远离电网的边远山区、海岛等地的通信基站电力保障问题是制约基站建设的主要因素。受地理条件限制，铺设电网或者采用柴油机发电为这些地区的基站供电成本高，维护困难，稳定性差。合理利用当地的风能和太阳能能够很好地解决这些问题，风光互补发电系统作为独立电源，架设调试简单，可靠性好，成本较低，非常适合用于边远地区的通信基站电力供应。

风光互补发电系统由风力发电机、太阳能光伏电池、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分构成，集风能、太阳能及蓄电池等发电技术及智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统，系统结构如图1所示。光照充足的条件下，光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电。风力机则将将风能转换为机械能，再将机械能转换为电能，最后通过控制器对蓄电池充电。逆变系统把蓄电池中的直流电变成标准的220V交流电，保证交流电负载设备的正常使用，同时也具有自动稳压功能，可提高风光互补发电系统的供电质量。蓄电池组是风光互补供电系统的储能元件，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用，它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，当阳光和风能不足时，蓄电池的电能可以直接为负载供电。控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载，另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器切换工作模式，由蓄电池向负载供电，保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

由于风力资源和阳光资源在不同季节、天气条件下的分布不同，负载功耗的变化，风光互补发电系统的风电系统与光伏系统联合工作、蓄电池组单独工作、风电系统单独工作、光伏系统单独工作四种工作模式也会相应地变化，根据系统运行状态及负载变化，需要对系统的最大功率控制、负载功率跟踪控制和超速保护3种控制方式及时准确地进行切换，提高系统整体效率及实现可靠运行。

风光互补发电系统中大多采用铅酸蓄电池作为储能装置，但蓄电池严格的充放电电流限制要求必须对电池的充放进行实时准确的控制，以延长电池的使用年限，保证系统的稳定工作。风光互补发电系统由于大多应用于交通不便的偏僻地区，在系统的设计中，需要对光伏发电及风力发电组成的供电系统的电压、电流、温度、功率以及光照强度、风力等级等数据进行实时采集，传送到监控中心进行处理分析，以掌握系统的实时运行情况，为及时根据环境变量和负载条件切换系统运行状态，保护电路以及故障排除提供依据。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有技术的不足，提供了一种组网方式灵活、易于维护管理的风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置。

本实用新型是通过如下技术实用新型实现的：

一种风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置，包括以无线方式相连的上位机和下位机；

所述上位机包括单片机，以及与单片机相连的信号采集模块和无线发射模块；信号采集模块用于实时采集风速、光照强度、温度以及电压电流数据，并输出至单片机；单片机用于把信号采集模块采集到的模拟信号进行AD转换后通过单片机的SPI接口传输给无线发射模块进行数据的发送；

所述下位机包括无线接收模块和监测模块，无线接收模块用于接收上位机发送的数据，并输出至监测模块；监测模块用于通过用户界面的方式显示上位机采集到的实时数据。

进一步的，信号采集模块通过风速仪、照度计、测温传感器和电流电压互感器实时采集风速、光照强度、温度以及电压电流数据。

进一步的，所述无线发射模块和无线接收模块采用的芯片为nRF2401芯片。

进一步的，所述下位机还包括一告警模块，用于当风光互补发电系统运行不正常时可及时给出告警指示；所述告警模块与监测模块相连。

进一步的，所述无线发射模块还与一滤波电路相连。

本实用新型所述的风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置，通过采用无线传输的方式实现了风光互补发电系统数据的处理与传输；与传统的有线传输监测方式相比，省去了大量的布线，具有成本低，组网方式灵活，信号传输速率快且稳定、拓展简便，易于维护管理的优点。

本实用新型可以很好地满足对于风光互补发电系统的监测要求，对风光互补系统的设计、运行、维护提供了一个稳定的数据记录开发平台，为远离电网的边远地区的风光互补供电系统的无人值守和远程监控提供一种可行的实用新型，可以减少地理条件恶劣地区供电系统的人工维护。本实用新型所涉及到的原件比较常见易用，使得基于nRF2401设计的信号采集与无线传输系统可以广泛应用在如汽车发动机测速、水域状况监测以及空气质量采集、无线抄表等工业监测控制系统中。

附图说明

图1为本实用新型所述风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置的结构框图；

图2为电压互感器的电路图；

图3为电流互感器的电路图；

图4为温度检测模块的电路图；

图5为单片机、nRF2401及传感器的连接图；

图6为单片机内置A/D转换电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型提供了一种风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置，包括以无线方式相连的上位机和下位机；所述上位机包括单片机，以及与单片机相连的信号采集模块和无线发射模块；信号采集模块用于通过风速仪、照度计、测温传感器和电流电压互感器实时采集风速、光照强度、温度以及电压电流数据，并输出至单片机；单片机用于把信号采集模块采集到的模拟信号进行AD转换后通过单片机的SPI接口传输给无线发射模块进行数据的发送；所述下位机包括无线接收模块和监测模块，无线接收模块用于接收上位机发送的数据，并输出至监测模块；监测模块用于通过用户界面的方式显示上位机采集到的实时数据。所述下位机还包括一告警模块，用于当风光互补发电系统运行不正常时可及时给出告警指示；所述告警模块与监测模块相连。比如可用报警指示灯对超出设定值的监测数据进行告警，同时在下位机使用存储器对接收的数据进行存储记录，便于今后的查询与分析。

所述无线发射模块和无线接收模块优选采用的芯片为nRF2401芯片，nRF2401具有通信协议简单，可自动适配频率，与C51系列单片机组成的信号采集与传输系统体积小、成本低、功耗低、软硬件设计简单、工作稳定的优点。nRF2401芯片采用全球开放的2.4GHz频段，有125个频点，可满足多频及调频需要，可以有效避免基站中大量通信设备可能产生的同频干扰；它的工作电压1.9V~3.6V，功耗低；可以直接接串口；无需曼彻斯特编码，效率高；最高通信速率可达1Mbit/s，数据收发能力可满足大量数据吞吐要求；外围器件少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路，设计简单；发射功率和工作频率等参数可以通过软件设置，调试简单；工作温度范围-40℃~+85℃，可在极端环境下工作；内置CRC纠检错硬件电路和协议，保证数据传输的正确无误。

由于无线收发模块本身存在一定的工作电流及电压，从而造成的轻微扰动，因此本实用新型在无线发射模块加上一个滤波电路，当信号强度低于一定值的时候通过单片机将此时的数值置0即可防止扰动。

本实用新型所述的电压互感器可以选取简单的分压电阻，只要选取的电阻在几十千欧姆，这样流过电阻的电流小，误差小，就能够满足设计要求。考虑到采样电流范围在0~10A的直流电，而且本系统电流互感器的选取要考虑抗干扰能力、采样精度、简单方便等因素，采用一般的采样电阻，会给系统制作带来困难。原因有三：第一，为了减少采样造成的损耗，电阻必须选得很小，这样器件的成本提高；第二由于连接的导线自身有电阻存在，对检测的精度有影响；第三，电阻检测不能进行电气隔离。ACS712模块作为具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，它是通过将磁性信号靠近霍尔传感器，实现器件精确度优化。内部传导通路的内电阻通常是mΩ级，低损耗。将它应用于直流电流感测中，使得本系统具有低损耗，精确度高，抗干扰能力强的特点。

本实用新型采用中泰ZT-FS01型风杯风速仪，可工作于大风、日晒、雨淋等恶劣天气，环境适应性强。它工作于50Hz的220V交流电，可由蓄电池组供电，风速测量范围为0~60m/s，测量误差不超过5%；输出采样信号电压范围在0~5V，与无线发送模块一致，无需进行放大或缩小就可以直接调制传输；输出频率f与风速v的对应关系为：v=1.5*f/13(m/s)。

对于蓄电池输出端的电压的测量，如图2，利用电压互感器即电阻的分压原理分压后，经过同向比例放大器将电压变化到一定的范围内，引入到单片机内置的A／D输入通道。再由单片机分析处理之后得到实际的电压。被测电压端接入需要测量的蓄电池端电压，V_AD端接入单片机A／D输入通道。单片机A／D采样输入要求2.2V以内，图2中电阻分压采用100 k欧和5 k欧使运放正相输入端24V*5/(100+5)=1.2V左右，V_AD最大输出1.2V*(10+8)/10=2.2V，满足单片机输入端要求。

对于蓄电池电流的测量，如图3所示，将要进行电流检测的线路串联进IP+，IP-管脚，输出接到单片机另一个A／D输入通道。再由单片机分析处理之后得到实际的电流。这里将Vo管脚分压是因为输出为2.5V~5V，为满足单片机输入要求，配置100 k欧和5 k欧，使单片机最大输入电压5V*2/(2+3)=2V。这里AD采样之后再进行软件滤波—平均值滤波，平均值滤波法能够去除因数据在平均值上下的波动干扰。

由于铅酸蓄电池会对测温元件造成腐蚀，这就要求应尽可能采用简单可靠的测温传感器。热敏电阻结构最简单，可靠性也较高，但其非线性校正较麻烦，一般采用软件中查表的方法得到温度值，精度不高。综合考虑，选用MCP9700作为测温传感器。MCP9700是Microchip公司的电压输出型测温元件，信号输出可直接与A/D转换器连接，不需要另外的信号处理电路。MCP9700的工作电压范围是2.3~5.5V，温度测量范围-40℃~125℃，在0~70℃范围内最大误差为±4℃，温度检测模块如图4。测温传感器通过单片机AT89C51与无线收发模块nRF2401组成的信号采集与发送的具体接线图，如图5所示。

由于风速仪、照度计及电压电流互感器等传感器采集到的信号均为模拟信号，而nRF2401芯片传输的信号为数字信号，故需要将采集到的模拟信号进行A/D转换后才能传送到nRF2401无线收发模块进行传输。本实用新型采用单片机内置A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号的方法，无需额外设计A/D转换电路，转换精度也符合蓄电池监测中±0.2V误差的要求，达到节约成本，使无线收发系统小型化的目的。单片机片内A/D转换是利用单片机的内置A/D模块，通过选择不同的模拟量通道进行A/D转换。可以将模拟量直接输入到单片机对应的输入脚，转换后的数据直接保存在片内寄存器中，可以通过单片机引脚直接读取到片外扩展元件如LED显示器和上位机软件中。用单片机实现的A/D转换电路，它只需要使用单片机的两个I/O脚与一个运算放大器即可实现，而且它可以很容易地扩展成带有4通道A/D转换功能，其A/D转换精度可达到8位或更高。图6为单片机内置A/D转换电路。

采用信号发生器产生信号模拟风光互补发电系统进行仿真，对本实用新型进行了初步测试并获得理想的效果，信号传输稳定准确，在此基础上进行了户外实地测试，系统运行情况良好，能够长时间连续工作，50米范围数据传输时延低于100毫秒，传输过程中的数据失真度小于系统最低要求的5%，上位机监测数值实时、准确、直观，当风光互补发电系统运行不正常时可及时给出告警指示，对及时排除系统故障，维护风光互补发电系统有较好的帮助。

本实用新型不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本实用新型公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本实用新型，因此，凡是采用本实用新型的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置，其特征在于，包括以无线方式相连的上位机和下位机；

2.根据权利要求1所述的风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置，其特征在于，信号采集模块通过风速仪、照度计、测温传感器和电流电压互感器实时采集风速、光照强度、温度以及电压电流数据。

3.根据权利要求1所述的风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置，其特征在于，所述无线发射模块和无线接收模块采用的芯片为nRF2401芯片。

4.根据权利要求1所述的风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置，其特征在于，所述下位机还包括一告警模块，用于当风光互补发电系统运行不正常时可及时给出告警指示；所述告警模块与监测模块相连。

5.根据权利要求1所述的风光互补发电系统的无线数据处理与传输装置，其特征在于，所述无线发射模块还与一滤波电路相连。