CN111130220A - 一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置 - Google Patents

一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置 Download PDF

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Abstract

一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置，涉及光伏电站的技术领域，其结构为：主要由硬件***和软件***构成；硬件***基于32位ARM9微处理器的工业级嵌入式核心板实现，由核心板、电源管理单元、时钟管理单元、存储单元、液晶显示单元和外设接口单元组；软件***分为***支撑层、业务支撑层和应用层，信息通过下行数据采集模块采集，经过数据统计管理模块处理，再通过数据上传通讯模块的数据上传及监控信息传送完成信息采集与监控。本发明的有益效果在于：采用适用于分布式光伏电站全站数据监测的数据时效性检验技术、数据完整性检查技术、以及数据自修复技术，确保采集的数据具有时效性，完整性和准确性。

Description

一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置
技术领域
本发明涉及光伏电站的技术领域，特别是涉及一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置。
背景技术
为推进能源生产和消费革命，倡导清洁低碳、安全高效能源体系，建设魅力中国的总体战略部署，国家出台了一系列政策鼓励和支持分布式能源发展，对分布式能源并网系列标准将分别发布，我国的分布式能源起步较晚，分布式能源项目多数由于电力并网、效益或技术等问题处于停顿状态。目前大部分分布式光伏电站没有有效通讯能力和远程监测管理能力，少部分电站配备光伏信息采集装置，但也只能采集逆变器等少数几个设备的少量信息，无法满足电力自动化管理的需要。由于光伏监测数据具有数量大，种类多，数据结构复杂等特征，传统的光伏信息采集装置难以良好适应本场景的需求。
发明内容
根据上述技术的不足，本发明提供一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置，其结构为：主要由硬件***和软件***构成；
硬件***基于32位ARM9微处理器的工业级嵌入式核心板实现，由核心板、电源管理单元、时钟管理单元、存储单元、液晶显示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***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，6路RS485口，1路USB，1路RS232；
软件***分为3层，分别是***支撑层、业务支撑层和应用层：
***支撑层是整个装置的底层基础，为业务支撑层和应用层提供基础的***服务，包括任务调度模块、***监控模块、电源监控管理模块和告警管理模块：
任务调度模块负责***子任务的注册、接口调用和注销管理，并为***子任务提供循环调用服务和定时调用服务，同时管理全局的***资源，合理安排***子任务对全局***资源的利用；
***监控模块实时监控***子任务的运行状态，处理***子任务运行期间出现的异常情况，重启异常***子任务；
电源监控管理模块实时监控双路电源的供电状态，对任意一路电源的供电异常给出告警提示，当双路电源同时出现供电异常时，启用终端内置的超级电容供电，并通知***子任务停止运行和进行存取的操作，保障***在紧急掉电情况下不会丢失数据或处理错误；
告警管理模块处理***中的各类告警信息，包括***内部异常告警、外部设备异常告警、电源异常告警、下行通讯异常告警、上行通讯异常告警等，并根据告警级别以及告警来源，触发相应处理动作；
业务支撑层整合***的各类通讯资源以及数据资源，为上层应用层提供统一的通讯接口服务以及数据管理服务，包括通讯管理模块和数据库管理模块：
通讯管理模块管理装置内所有通讯接口的创建、注销、发送数据、接收数据等操作，所述所有的通讯接口包括串口、以太网、GPRS/4G等；
数据库管理模块负责业务数据库的创建、删除、增加、修改，提供统一的数据库操作接口；
应用层是装置的主要业务应用体现，包括数据上传通讯模块、下行数据采集模块、数据统计管理模块和远程维护管理模块：
数据上传通讯模块管理终端内所有已注册主站的通讯流程，包括与主站通道的建立、与主站通讯流程的维护、主站通讯规约的解析以及主站通道的断开；
下行数据采集模块负责终端内已注册的所有测量点的数据采集，包括各测量点采集通道的建立、采集报文的组帧、解析以及采集通道的断开；
数据统计管理模块统一管理终端中的所有采集数据，并根据各设备运行数据之间的关联性分析统计整个电站的运行数据；
远程维护管理模块采用基于XML技术的配置架构，负责与上位机维护软件的交互工作，实时监测维护通讯口发来的上位机请求并及时反馈。
所述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，使得分布式光伏电站信息采集与监控装置具有存储容量大、可靠性高、稳定性好、实时性强等特点，支持主流的操作***，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。
所述接口类型多样，装置具有6路RS485接口、2路以太网接口、1路GPRS/4G通道，采用多规约采集模块，支持多种上下行通讯协议，同时内嵌电站现场设备通讯规约，可实现接口转换和规约转换；
下行通讯协议包括MODBUS-TCP、MODBUS-RTU、DL/T645（07版和97版）、威胜、DLMS、IEC1107、EDMI等，可根据现场需求扩展；
上行通讯协议包括IEC870-104、IEC870-102、Q/GDW 1376.1-2013等，可根据现场需求扩展。
所述采集数据包括逆变器运行数据、汇流箱运行数据、箱变运行数据、高压柜运行数据、电能表运行数据等：
逆变器运行数据包括直流侧电压、电流、功率，交流侧各相电压、电流、功率、功率因数、频率、温度、日期、发电量等；
汇流箱运行数据包括输入电压、支路输入电流、汇流母线电压、直流母线电压、总功率、组件状态、告警等；
箱变运行数据包括开关状态、告警状态、三相电压/电流、有功功率、无功功率等；
高压柜运行数据包括三相电压/电流、零序电压/电流、频率、开关状态、保护状态、告警、故障等；
电能表运行数据包括总电量、分时电量、象限无功、最大需量、瞬时电压/电流/功率/功率/因数、失压、上月底码、上月需量、负荷曲线等；
所述装置采用壁挂式结构设计，采用可靠的供电设计，安装方便且具备极高的环境适应能力：
壁挂式结构，长×宽×高：270mm×183mm×90mm,密封式设计，ABS防水防紫外线阻燃材料，符合IP54防护标准；
两路支持交、直流同时供电，并支持可靠地自动切换；交流电源电压输入范围为100V～260V、直流电源电压输入范围为100V～300V；
正常工作相对湿度范围为5％～95％；
正常工作温度范围－40℃～＋70℃；极限工作温度范围－45℃～＋85℃，可在高原、严寒等恶劣地理环境中正常工作。
所述信息采集基于XML技术的信息配置方式，针对现场被采集设备种类繁多，采集量繁杂且不统一的特点，本发明利用XML技术各平台通用、可移植性好、可读性强、可扩展性好等特点，将现场的被采集设备以及被采集量的相关信息统一到XML配置文件中，使得现场的采集配置简单、易读，保证现场配置的准确和高效。
本发明的原理及使用方法：下行数据采集模块通过多种本地通讯方式以固定的时间间隔通过RS485或以太网接口采集分布式电站内的设备数据，包括逆变器、汇流箱、箱变、高压柜以及电能表的数据，采集到的数据通过数据统计管理模块统计分析，将统计分析的数据存储在数据管理模块中，并将统计分析的数据通过上传通讯模块上传至远方的主站或场站或第三方应用等，完成***的数据信息采集和存储功能；上传通讯模块将统计分析的数据传送至通讯管理模块，任务调度模块、***监控模块、告警管理模块和电源监控管理模块接收通讯管理模块的数据信息，如有异常信息，任务调度模块、***监控模块、告警管理模块和电源监控管理模块将监控调节信息通过通讯管理模块和上传通讯模块反应给远程维护管理模块，远程维护管理模块做出相应的维护处理，完成***的监控。
本发明的有益效果在于：采用适用于分布式光伏电站全站数据监测的数据时效性检验技术、数据完整性检查技术、以及数据自修复技术，确保采集的数据具有时效性，完整性和准确性。装置通过分布式光伏电站全量信息的采集和上传，可提高分布式电站输出功率预测的准确性，便于电网负荷调整，为优化可再生能源***调度运行、优化新能源开发建设布局提供支撑，有效缓解弃光状况，提高资源利用效率，促进可再生能源产业持续健康发展，为分布式电源接入电网***提供助力。结合分布式光伏电站监测数据特点，采用特殊的数据分类、数据储存及数据传输技术突破了现有技术的瓶颈，实现了分布式光伏电站全量数据的采集、存储和分析，为分布式光伏电站的监管、调度及运维提供稳定可靠的数据支撑。
附图说明
图1为本发明软件架构图；
图2为本发明硬件原理图；
图3为本发明信息流程图；
图4为本发明业务流程图；
图5为本发明应用场景图。
具体实施方式
实施例1，如图1所示，为一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置的软件结构图，软件整体分为3层，分别是***支撑层、业务支撑层和应用层。
***支撑层是整个装置的底层基础，为业务支撑层和应用层提供基础的***服务，包括任务调度模块、***监控模块、电源监控管理模块和告警管理模块，任务调度模块负责***子任务的注册、接口调用和注销管理，并为***子任务提供循环调用服务和定时调用服务，同时管理全局的***资源，合理安排***子任务对全局***资源的利用；***监控模块实时监控***子任务的运行状态，处理***子任务运行期间出现的异常情况，重启异常***子任务；电源监控管理模块实时监控双路电源的供电状态，对任意一路电源的供电异常给出告警提示，当双路电源同时出现供电异常时，启用终端内置的超级电容供电，并通知***子任务停止运行和进行存取的操作，保障***在紧急掉电情况下不会丢失数据或处理错误；告警管理模块处理***中的各类告警信息，包括***内部异常告警、外部设备异常告警、电源异常告警、下行通讯异常告警、上行通讯异常告警等，并根据告警级别以及告警来源，触发相应处理动作。
业务支撑层整合***的各类通讯资源以及数据资源，为上层应用层提供统一的通讯接口服务以及数据管理服务，包括通讯管理模块以及数据库管理模块。通讯管理模块管理装置内所有通讯接口的创建、注销、发送数据、接收数据等操作，包括串口、以太网、GPRS/4G等；数据库管理模块负责业务数据库的创建、删除、增加、修改，提供统一的数据库操作接口。
应用层是装置的主要业务应用体现，包括数据上传通讯模块、下行数据采集模块、数据统计管理模块和远程维护管理模块。数据上传通讯模块管理终端内所有已注册主站的通讯流程，包括与主站通道的建立、与主站通讯流程的维护、主站通讯规约的解析以及主站通道的断开；下行数据采集模块负责终端内已注册的所有测量点的数据采集，包括各测量点采集通道的建立、采集报文的组帧、解析以及采集通道的断开；数据统计管理模块统一管理终端中的所有采集数据，并根据各设备运行数据之间的关联性分析统计整个电站的运行数据；远程维护管理模块采用基于XML技术的配置架构，负责与上位机维护软件的交互工作，实时监测维护通讯口发来的上位机请求并及时反馈。
如图2所示，为一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置的硬件结构图，整个硬件***基于32位ARM9微处理器的工业级嵌入式核心板实现，由核心板、电源管理单元、时钟管理单元、存储单元、液晶显示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***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，6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，使得分布式光伏电站信息采集与监控装置具有存储容量大、可靠性高、稳定性好、实时性强等特点，支持主流的操作***，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，为一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置的信息流程图，下行数据采集模块通过多种本地通讯方式以固定的时间间隔通过RS485或以太网接口采集分布式电站内的设备数据，包括逆变器、汇流箱、箱变、高压柜以及电能表的数据，采集到的数据通过数据统计管理模块统计分析，将统计分析的数据存储在数据管理模块中，并将统计分析的数据通过上传通讯模块上传至远方的主站或场站或第三方应用等，完成***的数据信息采集和存储功能；上传通讯模块将统计分析的数据传送至通讯管理模块，任务调度模块、***监控模块、告警管理模块和电源监控管理模块接收通讯管理模块的数据信息，如有异常信息，任务调度模块、***监控模块、告警管理模块和电源监控管理模块将监控调节信息通过通讯管理模块和上传通讯模块反应给远程维护管理模块，远程维护管理模块做出相应的维护处理，完成***的监控。
如图4所示，一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置的业务流程图，下行数据采集模块以固定的时间间隔通过RS485或以太网接口采集分布式电站内的设备数据，包括逆变器、汇流箱、箱变、高压柜以及电能表；数据统计管理模块统计分析下行通讯模块采集上来的原始数据，并将分析结构上送至上行通讯模块；数据上传通讯模块等待主站通过GPRS/4G或者以太网接口发送的请求数据，并将数据从数据统计模块中提取出来响应给请求方。
如图5所示，为一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置的应用场景图，在该场景中，分布式光伏电站信息采集与监控装置部署在分布式光伏电站，通过多种本地通讯方式一方面采集光伏电站内的运行数据（包括光伏逆变器、汇流箱、箱变、高压柜、气象站等数据）并存储，同时通过上行通讯方式上传至远方的主站（场站/第三方应用等），完成***的数据采集/存储功能。

Claims (7)

1.一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置，其特征在于：主要由硬件***和软件***构成；
硬件***基于32位ARM9微处理器的工业级嵌入式核心板实现，包括核心板、电源管理单元、时钟管理单元、存储单元、液晶显示单元和外设接口单元：
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，为硬件***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，实现不同间隔的温度补偿功能；
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，6路RS485口，1路USB，1路RS232；
软件***分为3层，包括***支撑层、业务支撑层和应用层：
***支撑层是整个装置的底层基础，为业务支撑层和应用层提供基础的***服务，包括任务调度模块、***监控模块、电源监控管理模块和告警管理模块：
任务调度模块负责***子任务的注册、接口调用和注销管理，并为***子任务提供循环调用服务和定时调用服务，同时管理全局的***资源，合理安排***子任务对全局***资源的利用；
***监控模块实时监控***子任务的运行状态，处理***子任务运行期间出现的异常情况，重启异常***子任务；
电源监控管理模块实时监控双路电源的供电状态，对任意一路电源的供电异常给出告警提示，当双路电源同时出现供电异常时，启用终端内置的超级电容供电，并通知***子任务停止运行和进行存取的操作，保障***在紧急掉电情况下不会丢失数据或处理错误；
告警管理模块处理***中的各类告警信息，包括***内部异常告警、外部设备异常告警、电源异常告警、下行通讯异常告警、上行通讯异常告警，并根据告警级别以及告警来源，触发相应处理动作；
业务支撑层整合***的各类通讯资源以及数据资源，为上层应用层提供统一的通讯接口服务以及数据管理服务，包括通讯管理模块和数据库管理模块：
通讯管理模块管理装置内所有通讯接口的创建、注销、发送数据、接收数据操作，所述所有的通讯接口包括串口、以太网、GPRS/4G；
数据库管理模块负责业务数据库的创建、删除、增加、修改，提供统一的数据库操作接口；
应用层是装置的主要业务应用体现，包括数据上传通讯模块、下行数据采集模块、数据统计管理模块和远程维护管理模块：
数据上传通讯模块管理终端内所有已注册主站的通讯流程，包括与主站通道的建立、与主站通讯流程的维护、主站通讯规约的解析以及主站通道的断开；
下行数据采集模块负责终端内已注册的所有测量点的数据采集，包括各测量点采集通道的建立、采集报文的组帧、解析以及采集通道的断开；
数据统计管理模块统一管理终端中的所有采集数据，并根据各设备运行数据之间的关联性分析统计整个电站的运行数据；
远程维护管理模块采用基于XML技术的配置架构，负责与上位机维护软件的交互工作，实时监测维护通讯口发来的上位机请求并及时反馈。
2.一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置，其信息采集与监控的方法:下行数据采集模块通过多种本地通讯方式以固定的时间间隔通过RS485或以太网接口采集分布式电站内的设备数据，包括逆变器、汇流箱、箱变、高压柜以及电能表的数据，采集到的数据通过数据统计管理模块统计分析，将统计分析的数据存储在数据管理模块中，并将统计分析的数据通过上传通讯模块上传至远方的主站或场站或第三方应用，完成***的数据信息采集和存储功能；上传通讯模块将统计分析的数据传送至通讯管理模块，任务调度模块、***监控模块、告警管理模块和电源监控管理模块接收通讯管理模块的数据信息，如有异常信息，任务调度模块、***监控模块、告警管理模块和电源监控管理模块将监控调节信息通过通讯管理模块和上传通讯模块反应给远程维护管理模块，远程维护管理模块做出相应的维护处理，完成***的监控。
3.根据权利要求1所述的一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置，其特征在于：所述装置中所有芯片均为工业级产品，支持主流的linux操作***，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。
4.根据权利要求1所述的一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置，其特征在于：所述接口类型具有6路RS485接口、2路以太网接口、1路GPRS/4G通道，采用多规约采集模块，支持多种上下行通讯协议，同时内嵌电站现场设备通讯规约，可实现接口转换和规约转换；所述下行通讯协议包括MODBUS-TCP、MODBUS-RTU、DL/T645（07版和97版）、威胜、DLMS、IEC1107、EDMI，可根据现场需求扩展；所述上行通讯协议包括IEC870-104、IEC870-102、Q/GDW 1376.1-2013，可根据现场需求扩展。
5.根据权利要求1所述的一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置，其特征在于：所述采集数据包括逆变器运行数据、汇流箱运行数据、箱变运行数据、高压柜运行数据、电能表运行数据：
所述逆变器运行数据包括直流侧电压、电流、功率，交流侧各相电压、电流、功率、功率因数、频率、温度、日期、发电量；
所述汇流箱运行数据包括输入电压、支路输入电流、汇流母线电压、直流母线电压、总功率、组件状态、告警；
所述箱变运行数据包括开关状态、告警状态、三相电压/电流、有功功率、无功功率；
所述高压柜运行数据包括三相电压/电流、零序电压/电流、频率、开关状态、保护状态、告警、故障；
所述电能表运行数据包括总电量、分时电量、象限无功、最大需量、瞬时电压/电流/功率/功率/因数、失压、上月底码、上月需量、负荷曲线。
6.根据权利要求1所述的一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置，其特征在于：所述装置结构采用壁挂式结构设计，采用可靠的供电设计，安装方便且具备极高的环境适应能力：
壁挂式结构，长×宽×高：270mm×183mm×90mm,密封式设计，ABS防水防紫外线阻燃材料，符合IP54防护标准；
两路支持交、直流同时供电，并支持可靠地自动切换；交流电源电压输入范围为100V～260V、直流电源电压输入范围为100V～300V；
正常工作相对湿度范围为5％～95％；
正常工作温度范围－40℃～＋70℃；极限工作温度范围－45℃～＋85℃。
7.根据权利要求1所述的一种分布式光伏电站信息采集与监控的装置，其特征在于：所述信息采集基于XML技术的信息配置方式。
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