CN212322085U - 一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置 - Google Patents

Abstract

一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置，涉及新能源采集与监控的技术邻域，其结构为：整个系统架构由两个对等的子系统单元通过系统总线连接构成一个分布式系统；两个子系统单元分别为单元A和单元B,单元A和单元B内都有单独的CPU、RAM、I/O、OS,单元A和单元B独立地执行各自的任务，互不影响，它们之间通过节点互联机制进行信息交互；子系统单元的硬件结构主要由电源管理单元、时钟单元、主板MPU（ARM9）、存储单元和外设接口单元组成。本实用新型的有益效果在于：实现了大规模数据的采集、存储和处理，从而很好地满足了新能源运行数据的快速采集和多状态，为复杂工况下的新能源机组的稳定运行提供了大数据支撑与分析。

Description

一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置

技术领域

本实用新型涉及新能源采集与监控装置的技术邻域，特别是涉及一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置。

背景技术

随着光伏发电、风力发电等新能源发电技术及储能技术的快速发展，新能源机组装机容量不断增大，高比例可再生能源渗透率不断增大，新能源的迅速发展在很大程度上缓解了环境污染问题，同时也提高了能源的实际利用率，增加了社会效益，为社会的进步奠定了基础。然而，新能源相对传统化石能源的最大区别在于其分散性和不稳定性，其中分散性指单台发电单元发电规模较小，位置比较分散，并且和电力用户距离不远，可以单独给用户提供电能；不稳定性，当前电力系统的运行经验表明，风电光伏新能源的可用发电能力受制于瞬息万变的实时天气条件，难以人为控制，具有发电功率预测误差大、波动性强的特征，其产生的电能如果直接输入电网将对电网的稳定运行产生严重的影响，制约了可再生能源的并网利用和进一步的发展。同时也由于其分布性和不稳定性，导致新能源机组并网运行时出现消纳能力较差，存在严重的弃风弃光现象。此外由于新能源机组均采用电力电子装置，具有典型的低惯量、弱阻尼特征，在应对电网故障时，新能源机组无法良好的应对电网故障带来的负面冲击，难以安全平稳的完成故障穿越，更难以良好的对电网提供有效的支撑和恢复。与此同时，近年来由于新能源机组与受端电网距离越来越远，输电线路阻抗变得不可忽略，随之而来的是新能源机组与带阻抗弱电网之间由于阻抗不匹配导致的稳定性问题，次同步/超同步振荡在实际新能源机组运行中出现越来越频繁，振荡问题不仅会导致新能源发电质量变差，甚至会产生严重的电力系统失稳现象，造成大量并网设备脱网，甚至导致并网设备出现严重的安全事故，影响电力系统安全运行，带来人力物力的严重损失。而当前的电能量采集终端，由于采用“采集+集中控制”技术，在新能源这种特殊的需求下遇到了技术瓶颈，面临既无法有效监控新能源状态也无法快速采集新能源大量运行数据的困境。因此迫切需要一种专门针对新能源资源特点的新型采集监控装置来解决传统电能量采集终端的难题。

发明内容

根据上述的技术问题，开发一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置，为了促进新能源消纳、保证新能源机组并网安全运行、为复杂工况下的新能源机组的稳定运行提供大数据支撑与分析开展新能源资源监测与大规模数据采集/存储意义重大。

本实用新型提供一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置，其结构为：完全对等无共享的分布式架构：整个系统架构由两个完全对等子系统单元通过系统总线连接构成一个分布式系统；两个子系统单元分别为单元A和单元B,单元A和单元B内都有单独的CPU、RAM、I/O、OS,单元A和单元B独立地执行各自的任务，互不影响，它们之间通过节点互联机制进行信息交互；子系统单元的硬件结构主要由电源管理单元、时钟单元、主板MPU（ARM9）、存储单元和外设接口单元组成；

所述电源管理单元分别连接时钟单元、主板MPU（ARM9）、存储单元和外设接口单元，以12V作为主电源和备用电源的输入，通过电源转换电路实现12V转5V、5V转4V、5V转3.3V的功能，为其提供稳定工作电源；

所述时钟单元，通过时钟管理电路产生整个系统内各个模块单元所需的时钟信号，采用具有温度补偿功能的晶体振荡器，通过相应补偿的控制位，可以实现不同间隔的温度补偿功能，从而大大提高时钟的精度；

所述主板MPU（ARM9）分别与时钟、存储单元和外设接口单元相互连接，进行数据交互；是以一ARM9微处理器为主芯片的核心板，该主芯片内置64KB的ROM，32KB的SRAM，32位的扩展总线，主频最高可达到133MHz。

所述外设接口单元设计的接口类型有RS232、USB、网口、RS485；所述RS232接口数量两路以上，USB接口数量两路以上，网口接口数量四路以上，RS485接口数量十路以上；其中一个子系统单元USB接口与4G模块采用USB通信协议的方式连接提供整个系统GPRS/4G通道。

所述装置的远程通信方式，支持以太网、GPRS/4G、北斗的远程通信方式，实现新能源和主站（场站或第三方应用）的多种远程数据交互。

所述新能源数据的采集，系统对新能源数据的采集涵盖了现有新能源所能提供的所有数据项，包括：

逆变器运行数据：直流侧电压、电流、功率，交流侧各相电压、电流、功率、功率因数、频率，状态、故障、告警，温度、每日（月、年）发电量等；

蓄电池运行数据：蓄电池充放电状态，蓄电池组充、放电压，充、放电流，每日（月、年）充、放电量，蓄电池组温度等；

控制柜运行数据：控制柜的启停、控制柜的故障、告警信息，各路光伏组件的充电电压、充电电流、光伏组件的运行温度等；

气象环境监测数据：太阳总辐射、直接辐射、散射辐射、环境温度、风速、风向等。

所述一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置有良好的环境适应能力，包括：

相对湿度适用范围：5％～95％；

正常工作温度适用范围：－40℃～＋70℃；

极限工作温度适用范围：－45℃～＋85℃。

工业级外型/结构:1U标准工业机箱，长×宽×高：344mm×482mm×44mm。该外形/结构设计，使其不但支持户内应用，而且支持户外应用，具有安装方便、防护等级高的工业型特点。

装置应用场合广泛: 适合接入现场设备种类较多、通信通道多样的各类新能源用户。

一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置良好的环境适应能力使其即使在高原、严寒等复杂恶劣的地理环境中也能胜任工作。

本实用新型的有益效果在于：一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置突破了电能量采集终端现有技术的瓶颈，采用了分布式架构，扩展了外部通信接口，提升了数据采集的效率以及数据处理的速度，实现了新能源电站大规模数据的采集、存储和处理，从而很好地满足了新能源运行数据的快速采集和多状态/多部件的有效监控的要求，为复杂工况下的新能源机组的稳定运行提供了大数据支撑与分析。近期利益上保证了新能源机组安全运行，远期利益上可提升新能源消纳、促进新能源发展。

本实用新型的原理及使用方法：基于分布式架构的新能源采集与监控装置部署在新能源工作现场，利用装置丰富的通讯接口，通过装置的数据采集模块采集现场多种类的运行设备数据，包括逆变器、汇流箱、蓄电池、控制柜、箱变、气象站、电能表等，然后将采集到数据通过存储模块存储到装置的数据库中；同时装置内的数据上传模块通过多种上传通道，如以太网、4G无线网络、北斗短报文等与远方主站（场站/第三方应用等）建立连接并上传数据。另一方面基于主站下发的各部件的控制模型和控制算法，根据实时采集的数据，通过分析计算形成控制指令，并下发实现对新能源现场监控部件的调控，完成系统的数据处理/监控功能。

附图说明

图1为本实用新型的系统构架图；

图2为本实用新型的子系统单元硬件原理图；

图3为本实用新型的数据流向图；

图4为本实用新型的应用连接图；

图5数据采集/存储子系统功能模块软件流程图；

图6数据处理/监控子系统功能模块软件流程图。

具体实施方式

实施例1，如图1所示，为一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置的系统构架图，由两个完全对等的子节点单元通过系统总线连接构成一个分布式系统，系统对外为一逻辑整体，通过统一的访问机制提供服务，而内部则是物理上分布的子系统单元在并行的工作，实现大规模数据的采集、存储、处理和监控，从而有效提高系统整体性能，很好的完成了新能源运行数据采集和监控功能。系统中的每个单元，为一个子系统单元，对应装置中的一个采集监控模块，基于嵌入式平台设计，都有自己的CPU、内存、存储、I/O、嵌入式操作系统等，只访问自己的本地资源(内存、存储等)，彼此不共享资源，单元之间通过节点互联机制实现信息交互。

如图2所示，为一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置子系统单元硬件构架图（A单元或B单元），由核心板、电源管理单元、时钟单元、存储单元和外设接口单元组成。核心板以一ARM9微处理器为主芯片，该主芯片内置64KB的ROM，32KB的SRAM，32位的扩展总线，主频最高可达到133MHz。电源管理单元以12V作为主电源和备用电源的输入，通过电源转换电路实现12V转5V、5V转4V、5V转3.3V的功能，可为硬件系统其他单元进行供电。时钟单元采用具有温度补偿功能的晶体振荡器，通过相应补偿的控制位，可以实现不同间隔的温度补偿功能，从而大大提高时钟的精度。存储单元包括256M的SDRAM，2G的NANDFLASH和SD卡存储模块。外设接口单元设计了2路网口，5路RS485口，1路USB，1路RS232。装置中所有芯片均为工业级产品，是真正的全工业产品，这样的设计，使得新能源资源监测装置具有存储容量大、可靠性高、稳定性好、实时性强等特点，支持主流的linux操作系统，通过多种通讯方式可实现对新能源场站内多种不同类型设备的数据采集、存储和远方传输。

如图3所示，为一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置的数据流向图，软件整体分为两大功能模块，数据采集/存储子系统功能模块和数据处理/监控子系统功能模块。一个为数据采集/存储子系统功能模块：负责采集新能源电站内的运行数据，并存储到数据库，同时负责外部应用（主站、场站和第三方应用）对数据的访问（对主站为召测）；数据副本基于系统架构采用两副本机制，这样每个子系统单元都存储整个系统的数据，互为备份，冗余的副本数据既保证了数据的可靠性，又提高了系统的整体访问性能；另一个为数据处理/监控子系统功能模块：负责处理采集的数据并基于分析处理后的数据实现对新能源受控组件的实时监控。

如图4所示，为一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置的应用连接图，在该场景中，基于分布式架构的新能源采集与监控装置部署在新能源工作现场，利用装置丰富的通讯接口，通过装置的数据采集模块采集现场多种类的运行设备数据，包括逆变器、汇流箱、蓄电池、控制柜、箱变、气象站、电能表等，然后将采集到数据通过存储模块存储到装置的数据库中；同时装置内的数据上传模块通过多种上传通道，如以太网、4G无线网络、北斗短报文等与远方主站（场站/第三方应用等）建立连接并上传数据。另一方面基于主站下发的各部件的控制模型和控制算法，根据实时采集的数据，通过分析计算形成控制指令，并下发实现对新能源现场监控部件的调控，完成系统的数据处理/监控功能。

如图5所示，为基于分布式架构的新能源采集与监控装置的数据采集/存储子系统功能模块软件流程图，数据采集/存储模块不断采集新能源各种运行数据并存储到数据库中，当有外部应用（主站/场站/第三方应用）请求数据时，将数据从对应数据库中提取出来响应给请求方。

如图6所示，为基于分布式架构的新能源采集与监控装置的数据处理/监控子系统功能模块软件流程图，数据处理/监控子系统功能模块基于主站下发的新能源各组件的控制模型和控制算法，根据数据采集/存储子系统功能模块采集存储的数据，通过分析计算形成控制指令后下发新能源受控组件，实现对新能源监控部件的有效调控。

Claims (5)

1.一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置，其特征在于：整个系统架构由两个对等的子系统单元通过系统总线连接构成一个分布式系统；两个子系统单元分别为单元A和单元B,单元A和单元B内都有单独的CPU、RAM、I/O、OS,单元A和单元B独立地执行各自的任务，互不影响，它们之间通过节点互联机制进行信息交互；子系统单元的硬件结构主要由电源管理单元、时钟单元、主板MPU、存储单元和外设接口单元组成；数据采集模块采集以下设备数据，包括逆变器、汇流箱、蓄电池、控制柜、箱变、气象站、电能表；采集到的数据通过存储模块存储到装置的数据库中；装置内的数据上传模块通过多种上传通道，既以太网、4G无线网络和北斗短报文；远方主站为场站或第三方应用建立连接并上传数据；另一方面基于主站下发的各部件的控制模型和控制算法，根据实时采集的数据，通过分析计算形成控制指令，并下发实现对新能源现场监控部件的调控，完成系统的数据处理或监控功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置，其特征在于：所述电源管理单元分别连接时钟单元、主板MPU、存储单元和外设接口单元，以12V作为主电源和备用电源的输入，通过电源转换电路实现12V转5V、5V转4V、5V转3.3V。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置，其特征在于：所述时钟单元，通过时钟管理电路产生整个系统内各个模块单元所需的时钟信号，采用具有温度补偿功能的晶体振荡器，通过相应补偿的控制位，可以实现不同间隔的温度补偿功能，从而大大提高时钟的精度。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置，其特征在于：所述主板MPU分别与时钟、存储单元和外设接口单元相互连接，进行数据交互；是以一ARM9微处理器为主芯片的核心板，该主芯片内置64KB的ROM，32KB的SRAM，32位的扩展总线，主频最高可达到133MHz。

5.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的新能源数据采集与监控装置，其特征在于：所述外设接口单元设计的接口类型有RS232、USB、网口、RS485；所述RS232接口数量两路以上，USB接口数量两路以上，网口接口数量四路以上，RS485接口数量十路以上；其中一个子系统单元USB接口与4G模块采用USB通信协议的方式连接提供整个系统GPRS/4G通道。

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