专利名称:一种户用屋顶光伏层次化管理系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种户用屋顶光伏层次化管理系统，包括：由用户端监控设备和ZigBee无线通信模块组成的用户监控终端，由ZigBee网络协调器、MCU、环境检测传感器、GPRS模块组成的区域监控子站，由控制计算机和web服务器组成的远程管理中心。本实用新型采用ZigBee/GPRS网络进行通信，避免了布线的繁琐，网络容量大、安全性高；利用LabVIEW虚拟仪器开发平台进行管理界面的开发，使得系统的可视化程度高，操作方便；该系统实现了针对集中分布、多点接入的户用屋顶光伏项目的智能化管理。
【专利说明】一种户用屋顶光伏层次化管理系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及ZigBee和GPRS无线通信技术、LabVIEW虚拟仪器技术，尤其涉及基于以上技术的户用屋顶光伏管理系统，用于集中分布、多点接入的小区或农村户用屋顶光伏项目的监测和管理。
【背景技术】
[0002]随着分布式光伏发电技术的发展，户用屋顶光伏项目正逐步走入千家万户，特别是在某些房屋集中的城市小区或农村，越来越多的家庭开始选择使用屋顶光伏作为家庭用电的辅助甚至主要供电设施。大规模的分布式屋顶光伏的接入给电网公司的管理带来了困难和挑战，因此，有必要针对这种情况下的光伏项目进行集中式的监测和管理，以提高家庭供电的安全性和可靠性。
[0003]目前已有的光伏监控系统大多是针对大型光伏电站的近距离监控，与上位机之间通过总线进行串口通信传输数据，传输距离短，网络结构简单。这种监控系统以监测功能为主，其监测指标繁多、监测数据量大，且需要专门的服务器进行数据的存储和上报，造成系统维护困难、运营成本高。因此，现有的光伏监控系统并不适用于大规模户用屋顶光伏项目的管理。
[0004]采用ZigBee技术与GPRS技术相结合的无线数据传输方式，在许多领域得到了应用，例如污水处理过程监控系统、城市路灯照明的管理系统、远程无线抄表系统等方面，其技术较为成熟，且十分适合应用在户用屋顶光伏管理系统中，但目前尚未有这方面的研宄成果或专利。
[0005]现有的光伏监控系统主要注重对电能指标的采集和电能质量的计算方面，其上位机软件主要实现显示和存储功能，对于大规模的户用屋顶光伏接入电网，户与户之间的协调和调度、电网故障或用户侧故障的及时发现和投切等控制功能的实现尤为重要，目前还缺乏具有上述功能的光伏管理系统。
【发明内容】
[0006]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适用于集中分布、多点接入的户用屋顶光伏的管理系统，该系统能够提供近距离的无线通信以及远距离的数据传输，实现对各区域、各家庭的层次化监测和管理，确保供电的安全性和可靠性。
[0007]为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种户用屋顶光伏层次化管理系统，该系统由用户监控终端、区域监控子站、远程管理中心三个层次组成。用户监控终端与区域监控子站间通过ZigBee网络进行通信，实现监控数据的上传和控制指令的接收；区域监控子站与远程控制中心间通过GPRS网络进行通信，实现区域数据的发送和控制指令的接收；远程控制中心通过LabVIEW管理界面实现对区域内系统运行状况的监测和管理。
[0008]用户监控终端包括用户端监控设备和ZigBee无线通信模块，用户端监控设备采集逆变器和蓄电池的电压、电流、电量、温度等信息，将其显示给用户并将这些数据整理通过ZigBee无线通信模块上传到区域监控子站；同时，ZigBee无线通信模块接收区域监控子站传达的指令，并通过用户端监控设备控制屋顶光伏设备的工作。
[0009]区域监控子站包括ZigBee网络协调器、MCU、环境检测传感器、GPRS模块，ZigBee网络协调理器负责接收区域内各用户监控终端传来的数据以及区域内ZigBee网络的组建和维护，环境检测传感器负责对区域内日照、温度等天气情况的监测，MCU负责对需要发送给远程管理中心的数据进行格式转换并发送给GPRS模块，GPRS模块负责给远程管理中心发送数据并接收来自远程控制中心的控制指令。远程控制中心包括控制计算机和web服务器，利用由LabVIEW软件开发的管理界面对区域监控子站上报的数据进行显示和存储，管理人员通过管理界面发送控制指令给区域监控子站，同时建立数据库对用户数据进行存储和管理，通过web服务器将数据上传上级管理单位。
[0010]上述的用户端监控设备包括数据采集器、串口通信电路、MCU、显示屏、控制按键、电源模块。
[0011]上述的LabVIEW管理界面包括系统启动界面、系统主控界面、系统设置界面、实时显示界面、历史数据界面、故障报警界面。
[0012]上述的服务器数据库采用关系数据库与内存数据库相结合的方式，对各区域、各用户的信息进行分层次的存储，方便本地管理中心和上级管理单位对数据的查询和调用。
[0013]本实用新型的有益效果在于:用户监控终端采用ZigBee无线通信方式进行采集数据的上报和控制信号的接收，只需对现有的用户端监控设备加装ZigBee无线通信模块，改造成本低，避免了布线的繁琐，且该技术具有网络容量大、安全性高、功耗小等优点，特别适合于集中分布、多点接入的户用屋顶光伏项目。
[0014]区域监控子站不仅具有通信信号的转换作用，更重要的是实现了区域内ZigBee无线网络的组建和管理，方便远程管理中心对各个区域进行整体的监测和管理。
[0015]采用LabVIEW虚拟仪器开发平台进行管理界面的开发，使得系统的可视化程度高，操作方便，便于系统功能的维护和拓展。通过远程管理中心直接调用各区域或各用户的数据，了解其运行状态，及时发送控制命令或进行电网调度，实现了智能化管理，大大提高了管理效率。
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型实施例中户用屋顶光伏管理系统的通信网络结构框图；
[0017]图2为本实用新型实施例中区域监控子站硬件构图；
[0018]图3为本实用新型实施例中远程管理中心的结构图。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图和实施例对本实用新型的结构和特点进行详细说明，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的保护范围。
[0020]图1为本实用新型实施例中系统的结构框图。如图1所示，本实施例中，户用屋顶光伏管理系统包括一个远程管理中心、多个区域监控子站和若干的用户监控终端。远程管理中心和区域监控子站间通过现有的GPRS网络进行通信，区域监控子站和用户终端间通过ZigBee无线网络进行通信。
[0021]本实施例中的整个管理系统的通信网络采用树形拓扑结构，树状网络结构较网状网路结构简单，成本低，路由成本少，时间延迟相对也较少，不易造成大面积故障产生且方便及时处理，适用于与本例机构相似的系统。在节点较多，特别是多管理中心、多区域间需要相互通信的系统中，也可以采用可靠性更高的网状网络，但其成本相对更高。
[0022]用户监控终端包括用户端监控设备和ZigBee无线通信模块。
[0023]本实施例中，用户端监控设备由数据采集器、串口通信电路、基于8051的MCU开发板、LCD显示屏、控制按键、电源模块组成，数据采集器采集逆变器、蓄电池的电压、电流、电量、温度等信息，通过串口通信电路上传给MCU的内部存储单元，实现用户端的显示和控制。
[0024]本实施例中，选用TI公司的二代2.4GHz ZigBee/IEEE 802.15.4射频收发器CC2520作为用户监控终端的ZigBee无线通信芯片，其价格相对较低、性能稳定，CC2520通过串口与MCU通信，将数据按照ZigBee通信协议规范发送给区域监控子站，同时，ZigBee无线通信模块接收区域监控子站传达的指令，并通过用户端监控设备控制屋顶光伏设备的工作。
[0025]如图2所示，在区域监控子站的设计中，选用TI公司用于2.4GHz IEEE802.15.4-2006和ZigBee应用的强大片上系统CC2538作为主芯片，这款产品包含基于ARM Cortex M3的强大的MCU系统，具有高达32KB的片上RAM和高达512KB的片上闪存以及可靠的IEEE 802.15.4射频功能，能够处理涉及安全性、要求严格的应用以及无线下载的复杂网络堆栈，32个通用输入和输出(GP1)以及串行外设接口可实现到电路板其它部分的简单连接。
[0026]GPRS模块采用的是Siemens公司的MC35i模块，其尺寸很小，方便集成到其他设备中，能得到永久在线连接、快速数据存储和更快的数据下载速度。
[0027]区域监控子站还包括外部存储模块、环境检测传感器、数据采集器、串口通信电路、电源模块。环境检测传感器负责对区域内日照、温度等天气情况的监测，通过数据采集器将数据传给由CC2538组成的MCU，MCU完成对数据的存储和转换。
[0028]GPRS模块和CC2538通信采用UART接口。CC2538首先对模块进行串口参数设置，接着进行模块参数设置，GPRS模块成功接入网络后，CC2538将需要发送的数据封装成TCP/IP帧格式，经串口发送给GPRS模块，数据经GPRS网络发送至远程管理中心。
[0029]远程管理中心的上位机选用西门子工业控制计算机，上位机与区域子站间通过GPRS网络进行实时的数据传输。如图3所示，利用LabVIEW软件开发管理界面，LabVIEW中的TCP/IP协议模块可以接受来自监控子站的GPRS信号，将接收到的数据进过格式转换后可直接利用LabVIEW中的控件和虚拟仪表进行显示和操作。
[0030]利用LabVIEW软件设计系统启动界面、系统王控界面、系统设置界面、实时显不界面、历史数据界面、故障报警界面，LabVIEW方便的图形化显示功能为管理人员提供了专业的可视化操作，管理人员可以通过管理界面观察各区域、各用户的运行情况，并及时发送控制命令。
[0031]采用关系数据库与内存数据库相结合的方式利用SQL建立用户数据库，通过LabVIEW接口模块对用户数据进行存储和管理，并将用户数据上传web服务器，方便上级管理单位的查看和调用。
[0032]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，但其他基于本实用新型技术方案的结构变化、替代和修改也应包括在本实用新型权利要求的保护范围内，具体保护范围由所附的权利要求范围为准。
【权利要求】
1.一种户用屋顶光伏层次化管理系统，其特征在于:该系统由用户监控终端、区域监控子站、远程管理中心三个层次组成，其中:用户监控终端与区域监控子站间通过ZigBee网络进行通信，实现监控数据的上传和控制指令的接收；区域监控子站与远程控制中心间通过GPRS网络进行通信，实现区域数据的发送和控制指令的接收；远程控制中心通过LabVIEW管理界面实现对区域内系统运行状况的监测和管理。2.根据权利要求1所述的一种户用屋顶光伏层次化管理系统，其特征在于用户监控终端包括用户端监控设备和ZigBee无线通信模块。3.根据权利要求1所述的一种户用屋顶光伏层次化管理系统，其特征在于区域监控子站包括ZigBee网络协调器、MCU、环境检测传感器、GPRS模块。4.根据权利要求1所述的一种户用屋顶光伏层次化管理系统，其特征在于远程控制中心包括控制计算机和web服务器。5.根据权利要求1所述的一种户用屋顶光伏层次化管理系统，其特征在于用户端监控设备包括数据采集器、串口通信电路、MCU、显示屏、控制按键、电源模块。6.根据权利要求1所述的一种户用屋顶光伏层次化管理系统，其特征在于LabVIEW管理界面包括系统启动界面、系统主控界面、系统设置界面、实时显示界面、历史数据界面、故障报警界面。7.根据权利要求1所述的一种户用屋顶光伏层次化管理系统，其特征在于数据库服务器采用关系数据库与内存数据库相结合的方式，对各区域、各用户的信息进行分层次的存储。
【文档编号】G05B19-418GK204270126SQ201420750714
【发明者】刘彦超, 周瑞, 杨学君 [申请人]中国矿业大学