一种基于北斗的光伏阵列系统安全运行状态检测装置

1.本发明涉及光伏发电领域，尤其涉及一种基于北斗的光伏阵列系统安全运行状态检测装置。


背景技术：

2.光-储-充一体化充电站的光伏阵列系统是光-储-充一体化充电站的重要设备，它主要由光伏组件通过串并联组成的光伏阵列和汇流箱组成，对其进行故障诊断和运维管理非常重要。由于光伏阵列系统常年运行在户外，工作环境比较恶劣，在使用过程中会受到各种外界环境因素的影响，如：高温、雨、雪、风沙、异物遮挡等，容易引起光伏组件开路、线间短路、遮阴、异常老化，光伏阵列汇流箱的进线接线端子松动、阻塞二极管老化、出线短路、汇流箱内部温度与湿度升高，直流系统对地绝缘降低等异常与故障。这些异常与故障若不及时发现，将导致光伏阵列系统不能正常运行，直接影响到整个光-储-充一体化充电站的工作效率，严重时会引发火灾，造成安全事故发生。因此，对光储充电站光伏阵列系统的工作状态进行实时在线检测，及时发现其运行过程中出现的异常现象与故障源，将能够防止故障扩散，避免安全事故的发生，减少因光伏阵列系统不正常运行而带来的能量损失，提高光伏系统全生命周期内的安全性及总发电量。


技术实现要素：

3.本发明目的是针对上述问题，提供一种可以对光伏阵列系统的运行状态进行远程检测的基于北斗的光伏阵列系统安全运行状态检测装置。
4.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于北斗的光伏阵列系统安全运行状态检测装置，包括光伏阵列安全运行状态信息检测模块、光伏阵列汇流箱运行状态信息检测模块、漏电电流检测模块、信息处理模块、北斗通信模块；所述光伏阵列安全运行状态信息检测模块的信号端与信息处理模块的信号端双向连接，光伏阵列汇流箱运行状态信息检测模块、漏电电流检测模块的信号输出端与信息处理模块的信号输入端相连接，信息处理模块的信号输出端与北斗通信模块的信号输入端相连接，北斗通信模块的信号输出端与北斗天线相连接。
5.进一步的，所述光伏阵列安全运行状态信息检测模块包括第一数字模拟开关、第二数字模拟开关，第一数字模拟开关和第二数字模拟开关的x0引脚、x2引脚、x4引脚、x6引脚分别与八个检测支路电流的电流传感器相连接，第一数字模拟开关和第二数字模拟开关的x1引脚、x3引脚、x5引脚、x7引脚分别通过射极跟随器与八个检测支路电压的电压传感器相连接；第一数字模拟开关和第二数字模拟开关的a引脚经连接端子与信息处理模块的pbo4引脚相连接，第一数字模拟开关和第二数字模拟开关的b引脚经连接端子与信息处理模块的pbo5引脚相连接，第一数字模拟开关和第二数字模拟开关的c引脚经连接端子与信息处理模块的pbo6引脚相连接，第一数字模拟开关的ea引脚经连接端子与信息处理模块的pbo7引脚相连接，第二数字模拟开关的ea引脚经反相器后通过连接端子与信息处理模块的
pbo7引脚相连接，第一数字模拟开关和第二数字模拟开关的x引脚经连接端子与信息处理模块的pbo0引脚相连接。
6.进一步的，所述光伏阵列汇流箱运行状态信息检测模块包括两个用于检测汇流箱进线接线端状态的红外传感器、一个用于检测汇流箱出线直流电压的电压传感器、一个用于检测汇流箱出线直流电流的电流传感器、一个用于检测汇流箱内部温度的温度传感器、一个用于检测汇流箱内部湿度的湿度传感器；两个红外传感器的信号输出端经运算放大电路后分别通过连接端子与信息处理模块的pa00引脚、pa01引脚相连接；电压传感器的信号输出端经射极跟随器后通过连接端子与信息处理模块的pa02引脚相连接；电流传感器的aout引脚通过连接端子与信息处理模块的pa03引脚相连接；温度传感器的dq引脚通过连接端子与信息处理模块的pa04引脚相连接；湿度传感器的data引脚通过连接端子与信息处理模块的pa05引脚相连接。
7.进一步的，所述漏电电流检测模块包括电流传感器，电流传感器的aout引脚通过连接端子与信息处理模块的pa06引脚相连接。
8.进一步的，所述信息处理模块包括处理芯片，处理芯片的pb00引脚、pb04引脚、pb05引脚、pb06引脚、pb07引脚通过连接端子与光伏阵列安全运行状态信息检测模块相连接；处理芯片的pa00引脚、pa01引脚、pa02引脚、pa03引脚、pa04引脚、pa05引脚通过连接端子与光伏阵列汇流箱运行状态信息检测模块相连接；处理芯片的pa06引脚通过连接端子与漏电电流检测模块相连接；处理芯片的pa09引脚、pa10引脚通过连接端子与北斗通信模块相连接；处理芯片的pdo引脚、pdi引脚与系统时钟电路相连接，处理芯片的pc14引脚、pc15引脚与次级时钟电路相连接，处理芯片的nrst引脚与复位电路相连接，处理芯片的vbat引脚、vdd-1引脚、vdd-2引脚、vdd-3引脚、vdd-4引脚、vdda引脚与滤波电路相连接。
9.进一步的，所述系统时钟电路包括电容c1、晶体振荡器y1，处理芯片的pdo引脚分别与电容c1的一端、晶体振荡器y1的一端相连接，晶体振荡器y1的另一端分别与处理芯片的pdi引脚、电容c2的一端相连接，电容c1、电容c2的另一端均接地。
10.进一步的，所述次级时钟电路包括电容c3、晶体振荡器y2，处理芯片的pc14引脚分别与电容c3的一端、晶体振荡器y2的一端相连接，晶体振荡器y2的另一端分别与处理芯片的pc15引脚、电容c4的一端相连接，电容c3、电容c4的另一端均接地。
11.进一步的，所述复位电路包括复位开关，处理芯片的nrst引脚分别与电阻r1的一端、电容c6的一端相连接，电阻r1的另一端分别与电容c5的一端、复位开关的一端、电阻r2的一端相连接，电阻r2的另一端与3.3v电源相连接，复位开关的另一端、电容c5的另一端、电容c6的另一端均接地。
12.进一步的，所述滤波电路包括电阻r3，电阻r3的一端、处理芯片的vbat引脚、vdd-1引脚、vdd-2引脚、vdd-3引脚、vdd-4引脚均与3.3v电源相连接，电阻r3的另一端分别与处理芯片的vdda引脚、电容c7的一端、电容c8的一端相连接，电容c7的另一端、电容c8的另一端、处理芯片的vssa引脚均接地。
13.进一步的，所述北斗通信模块的txd引脚通过连接端子与处理芯片的pa09引脚相连接，北斗通信模块的rxd引脚通过连接端子与处理芯片的pa10引脚相连接，北斗通信模块的s引脚、l引脚通过连接端子与北斗天线相连接。
14.与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明能够实时检测的信号包括：反映光伏阵列中8路光伏组件串联支路中的光伏组件开路、线间短路、遮阴、异常老化等异常与故障的电压和电流信号；反映光伏阵列汇流箱的进线接线端子松动的红外温度信号，反映熔断器状态、阻塞二极管状态、断路器状态的汇流箱出线电压与电流，以及汇流箱内部温度与湿度信号；反映直流系统对地绝缘状态的漏电电流信号，同时本发明采用北斗rdss通信技术，通过北斗通信网络将上述采集到的信号传输到远程监测终端服务器，实现远程检测管理操作；其检测的信号多，接线简单，可靠性高，能够及时发现光-储-充一体化充电站的光伏阵列系统运行过程中出现的异常现象与故障源，可以避免电气安全事故发生，保证了光伏阵列系统的安全可靠运行。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明的框架结构图；图2为光伏阵列安全运行状态信息检测模块的电路结构图；图3为光伏阵列汇流箱运行状态信息检测模块的电路结构图；图4为漏电电流检测模块的电路结构图；图5为信息处理模块的电路结构图；图6为北斗通信模块的电路结构图。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
18.如图1所示，本实施例公开了一种基于北斗的光伏阵列系统安全运行状态检测装置，其包括光伏阵列安全运行状态信息检测模块1，光伏阵列汇流箱运行状态信息检测模块2，漏电电流检测模块3，数据信息处理模块4，北斗通信模块5。其中，光伏阵列安全运行状态信息检测模块1的第一输入/输出端口101连接数据信息处理模块4的第一输入/输出端口401；光伏阵列汇流箱运行状态信息检测模块2的第一输出端口201连接数据信息处理模块4的第二输入端口402，第二输出端口202连接数据信息处理模块4的第三输入端口403，第三输出端口203连接数据信息处理模块4的第四输入端口404，第四输出端口204连接数据信息处理模块4的第五输入端口405，第五输出端口205连接数据信息处理模块4的第六输入端口406，第六输出端口206连接数据信息处理模块4的第七输入端口407；漏电电流检测模块3的第一输出端口301连接数据信息处理模块4的第八输入端口408；数据信息处理模块4的输出端409连接北斗通信模块5的第一输入端501；北斗通信模块5的输出端502外接北斗天线。
19.其工作原理为：数据信息处理模块4选用 stm32f407zgt6arm，数据信息处理模块4通过光伏阵列安全运行状态信息检测模块1得到反映光伏阵列的8条支路光伏组件的开路、
线间短路、遮阴、异常老化等异常与故障的8个电压信号和8个电流信号；通过光伏阵列汇流箱运行状态信息检测模块2得到反映光伏阵列汇流箱的进线接线端松动的红外温度信号，反映熔断器状态、阻塞二极管状态、断路器状态的汇流箱出线电压与电流，以及汇流箱内部温度与湿度信号；通过漏电电流检测模块3得到反映直流系统对地绝缘状态的漏电保护装置的漏电电流信号，最后将这些信号通过北斗通信模块5输送至北斗通信网，实现远程管理。
20.本发明中的光伏阵列安全运行状态信息检测模块1如图2所示，光伏阵列安全运行状态信息检测模块1用于实现光伏阵列的8条光伏组件支路的输出电流和输出电压等16个实时测量。为了节约硬件资源，16个测量信号共用一路a/d转换通道，选用2片型号为cd4051bc的单8通道数字控制模拟电子开关，对16个测量信号实现循环采样。cd4051bc的三个控制输入端a、b、c通过第一输入/输出端口101的a0、a1、a2端子分别接信息处理模块4中第一输入/输出端口401的端子pb04、pb05、pb06实现8通道模拟信号的选择；1号cd4051bc的片选ea信号由第一输入/输出端口101的端子a3提供，2号cd4051bc的片选ea信号由第一输入/输出端口101的端子a3经反向器提供，第一输入/输出端口101的端子a3接信息处理模块4中第一输入/输出端口401的端子pb07。cd4051bc的输出端子x将选中的模拟量信号，经第一输入/输出端口101的端子x送至信息处理模块4的输入端子pb00；图2中，选择8个型号为wcs2702型电流传感器，检测8条光伏组件支路的输出电流；选择8个型号为 lv25-p型电压传感器，检测8条光伏组件支路的输出电压，lv25-p型电压传感器的输出信号经射极跟随器送至模拟电子开关cd4051bc。
21.本发明中的光伏阵列汇流箱运行状态信息检测模块2如图3所示，当汇流箱进线接头发生松动或接触不良，其接触电阻增加将引起接线端子温度升高，从安全方面考虑，选用2个非接触式irtp20型智能红外传感器检测汇流箱进线接头的状态。2个红外传感器的输出信号分别经运算放大电路、第一输出端口201和第二输出端口202将信号送至信息处理模块4的第二输入端口402和第三输入端口403，然后再送至stm32f407zgt6arm的端子pa00、pa01；选择1个型号为 lv25-p型电压传感器检测汇流箱出线直流电压；选择1个型号为wcs2702型电流传感器检测汇流箱出线直流电流。电压传感器的输出信号经射极跟随器、第三输出端口203送至数据信息处理模块4的第四输入端口404，然后再送至stm32f407zgt6arm的端子pa02；电流传感器的输出信号经第四输出端口204送至数据信息处理模块4的第五输入端口405，然后再送至stm32f407zgt6arm的端子pa03。
22.光伏阵列汇流箱内部温度检测选用ds18b20数字温度传感器，其输出端口dq接上拉电阻后，经第五端口205将信号送至信息处理模块4的第六输入端口406，然后再送至stm32f407zgt6arm的端子pa04；汇流箱内部湿度检测选用dht11湿度传感器，其输出端口data接上拉电阻后，经第六输出端口206将信号送至信息处理模块4的第七输入端口407，然后再送至stm32f407zgt6arm的端子pa05。
23.本发明中的漏电电流检测模块3如图4所示，对于光储充一体化充电站来说，光伏系统漏电已成为一个不可忽视的问题，目前光伏系统中防漏电危害而采取的措施主要为安装漏电保护装置，但漏电保护开关频繁跳脱和烧毁也时有发生。为此，选用型号为wcs2702型电流传感器检测漏电保护装置的漏电电流，反映光伏阵列系统对地绝缘状态和漏电保护开关动作情况。如图4所示，图中电流传感器的输出信号经第一输出端口301送至数据信息
处理模块4的第八输入端口408，然后再送至stm32f407zgt6arm的端子pa06。
24.本发明中的信息处理模块4如图5所示，数据信息处理模块4中的芯片选用stm32f407zgt6arm，电源为3.3v；模拟电源vdda，通过将3.3 v电源经滤波电路提供，保证了电源的稳定性。数据信息处理模块4的复位电路由r1、r2、c5、c6和复位按钮组成，接数据信息处理模块的端子nrst；系统时钟电路由c1、c2和晶体振荡器y1构成，y1为hse25 mhz 的晶体振荡器；次级时钟源电路由c3、c4和晶体振荡器y2构成，使用32.768 khz低速外部晶振(lse晶振)，用于驱动rtc时钟(rtcclk)。数据信息处理模块4的端子pa00~pa05接口通过第二输入端口402、第三输入端口403、第四输入端口404、第五输入端口405、第六输入端口406、第七输入端口407分别接光伏阵列汇流箱运行状态信息检测模块2的输出第一输出端口201、第二输出端口202、第三输出端口203、第四输出端口204、第五输出端口205、第六输出端口206；数据信息处理模块4的端子pa06通过第八输入端口408分别接漏电电流检测模块3的第一输出端口301；数据信息处理模块4的通信接口rx1、tx1通过输出端409接北斗通信模块5的第一输入端501；数据信息处理模块4的端子pb00、pb04~pb07通过第一输入/输出端口401接光伏阵列安全运行状态信息检测模块1的第一输入/输出端口101。
25.本发明中的北斗通信模块5如图6所示，为了满足光伏阵列系统安全运行状态检测装置的低功耗、成本低、开发周期短的需求，本发明选用型号为m100型低功耗rdss卫星通信数据、北斗短报文模块数传终端。m100型北斗短报文通信模块的txd和rxd通信接口经第一输入端501与数据信息处理模块4的输出端409进行数据交换；m100型北斗短报文通信模块的s和l引脚经输出端502接北斗天线。
26.本发明能够实时检测的信号包括：反映光伏阵列中8路光伏组件串联支路中的光伏组件开路、线间短路、遮阴、异常老化等异常与故障的电压和电流信号；反映光伏阵列汇流箱的进线接线端子松动的红外温度信号，反映熔断器状态、阻塞二极管状态、断路器状态的汇流箱出线电压与电流，以及汇流箱内部温度与湿度信号；反映直流系统对地绝缘状态的漏电电流信号，同时本发明采用北斗rdss通信技术，通过北斗通信网络将上述采集到的信号传输到远程监测终端服务器，实现远程检测管理操作；其检测的信号多，接线简单，可靠性高，能够及时发现光-储-充一体化充电站的光伏阵列系统运行过程中出现的异常现象与故障源，可以避免电气安全事故发生，保证了光伏阵列系统的安全可靠运行。