一种光伏组件分布式监测系统的融合通信体系架构的制作方法

本发明涉及光伏组件分布式监测系统的通信技术领域，特别是涉及光伏组件分布式监测系统的融合通信体系架构。

背景技术：

近年来，我国光伏发电产业步入快速发展阶段，光伏电站正向规模化和大型化发展，若干兆瓦级并网光伏电站相继在青海、甘肃、宁夏等地运行。截至2015年底，我国光伏发电装机已经超过德国，成为世界上光伏累计装机容量最大的国家。

目前，越来越多的光伏电站将组件纳入到电站状态监测系统中。作为光伏组件分布式监测系统中实现监测数据双向交互的关键环节，被监测系统的拓扑结构在很大程度上决定了通信网络体系的结构。由于光伏组件内不同设备的铺设规模、运行环境、安装位置以及应用需求各不相同，其通信方式的配置也比较灵活。在传统的光伏组件管理和监控系统中，一般仅有无线与互联网融合或rs485有线与互联网融合等通信方式，其通信手段单一、对异构网的融合程度较低，难以适应光伏电站发电规模的不断扩展，以及不断增加的业务需求。

因此希望有一种光伏组件分布式监测系统的融合通信体系架构以解决现有技术中光伏组件分布式监测系统监测点多、现有监测系统的通信方式落后单一的现状。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适合于光伏组件分布式监测系统的融合通信体系架构，用于解决由于光伏组件监测目标点数量巨大、现有通信方式落后单一造成的监测系统效率低下的问题。

本发明公开了一种光伏组件分布式监测系统的融合通信体系架构，所述监测系统的融合通信体系的拓扑结构为分布式树形结构，所述监测系统的融合通信体系架构包括：组件监测模块、汇流箱监测模块、直流配电柜监测模块和管理中心；组件监测模块通过433mhz无线通信网与汇流箱监测模块建立通信联系；汇流箱监测模块通过zigbee无线自组网与直流配电柜监测模块建立通信联系；直流配电柜监测模块通过光纤以太网与管理中心建立通信联系。

优选地,每个所述组件监测模块包括1个主组件监测模块和多个从组件监测模块，主组件采用433mhz无线通信方式与所述汇流箱监测模块进行信息交换，主组件监测模块与从组件监测模块利用载波信号的耦合电路、采用直流导线载波通信方式进行信息交换。

优选地,所述汇流箱监测模块负责接收所述直流配电柜监测模块转发来自所述管理中心的测试命令，向所述主组件监测模块转发测试命令，并接收所述主组件监测模块的测试结果数据，进而转发测试结果数据上传至所述直流配电柜监测模块，并经所述直流配电柜监测模块上传至所述管理中心。

优选地,所述直流配电柜监测模块负责接收所述管理中心发来的测试命令，向所述汇流箱监测模块转发测试命令，并接收所述汇流箱监测模块转发的来自所述主组件监测模块的测试结果数据，进而转发上传至所述管理中心。

优选地，所述管理中心负责测试命令发送、测试结果接收，所述管理中心通过以太网的传输、所述直流配电柜监测模块、所述zigbee无线自组网的传输、所述汇流箱监测模块、所述433mhz无线通信网的传输、所述组件监测模块及直流导线载波通信对光伏组件运行参数测试，将测试结果保存至系统数据库中，对组件运行状态进行智能分析并进行组件运行状态展示。

本发明公开的光伏组件分布式监测系统的融合通信体系架构具有以下有益效果：

1.在监测点数量众多的光伏组件监测模块之间采用直流导线载波通信技术，现场无需新的布线且数据传输的可靠性高；在光伏组件的主组件监测模块与汇流箱模块之间采用433mhz无线通信技术，并选用成熟的成品模块，频段开放、开发成本低且价格低廉；在汇流箱模块与直流柜模块之间采用2.4ghzzigbee无线自组织网络通信技术，不仅频段开放而且组网更加灵活，遵循ieee802.15.4标准，并选用成熟的成品模块，易于实现与光纤以太网之间的tcp/ip传输协议的转换。

2.融合了直流导线载波通信、433mhz无线通信、zigbee无线自组织网络通信和光纤以太网三种不同传输媒介、四种通信技术。充分发挥了直流导线载波通信无需新的布线、数据传输可靠性高的优越性。无线通信技术不用铺设专用通信线路，组网灵活，选用低功耗、开放、免费的无线频段，有成熟的成品电路模块；特别是zigbee无线自组织网络通信的节点布置灵活、覆盖面广，易于网络规模的扩展、易于实现与光纤以太网之间的tcp/ip传输协议的转换等优越性。充分利用光伏组件内的传输可靠性高、应用广泛的企业内部光纤以太网资源。

附图说明

图1是本发明的光伏组件的融合通信网络总体网络架构示意图。

图2是本发明的光伏组件的融合通信体系架构示意图。

图3是本发明的从组件监测模块的参数测试及直流导线载波通信示意图。

图4是本发明的主组件监测模块中433mhz无线通信与直流导线载波通信的融合示意图。

图5是本发明的汇流箱监测模块中zigbee无线自组网与433mhz无线通信网的融合示意图。

图6是本发明的直流配电柜监测模块中以太网与zigbee无线自组网的融合通信示意图。

图7是本发明的管理中心中以太网的层次结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

光伏组件分布式监测系统的融合通信体系总体网络架构如附图1所示。该系统包括：光伏组件监测模块(pvsm，简称组件模块，pvsm1为主组件监测模块，pvsm2为从组件监测模块)、汇流箱监测模块(简称汇流箱模块)、直流配电柜监测模块(简称直流柜模块)及管理中心，该系统拓扑呈现典型的分布式树形结构。

由于光伏组件需检测的目标组件数量巨大、现有监测系统通信方式单一落后，因此本发明设计了如附图2所示的多通信方式融合的通信体系架构。其中，主组件监测模块通过直流导线载波通信可以与本串列内其它从组件监测模块建立通信联系；汇流箱模块通过433mhz无线通信网与组件的主组件监测模块建立通信联系；直流柜模块通过zigbee无线自组网与汇流箱模块建立通信联系；管理中心通过企业内部的光纤以太网与直流配电柜模块建立通信联系。

从组件监测模块对光伏组件的监测及直流导线载波通信：从组件监测模块负责接收由主组件监测模块发来的载波测试命令，通过采集电路测试本组件的运行参数，并将测试结果数据上报给主组件监测模块，由主组件监测模块上报给汇流箱模块，并经汇流箱模块上传给直流柜模块以致管理中心。从组件监测模块与主组件监测模块之间采用直流导线载波通信方式。

从组件监测模块完成的对本组件运行参数的测试，以及与主组件监测模块间的直流导线载波通信，所具有的层次结构和功能如附图7所示。

附图3中，由主组件监测模块向从组件监测模块发送的载波命令，经主组件监测模块与从组件监测模块间的直流导线载波通信耦合电路以及所经过的光伏组件的载波传输，由从组件监测模块接收。从组件监测模块中的耦合电路接收电路完成对直流单导线载波信号的接收，经可选的bask、bpsk、bask+扩频和bpsk+扩频之一的载波信号解调方式之一，完成载波信号的解调、放大滤波及电平变换后，cpu通过普通i/o接口接收到载波命令数据。

cpu收到主组件监测模块发来的载波命令后，通过相应的采集电路采集本组件的电压、电流、温度及水浸运行参数，并形成载波上报数据，经电平变换、可选的bask、bpsk、bask+扩频和bpsk+扩频之一的载波信号调制方式之一，完成直流导线载波信号的调制及放大滤波后，再经耦合电路发送电路并通过直流导线及经过的从光伏组件进行直流导线载波通信，已调制的载波信号，经直流导线载波通信的传输，被主组件监测模块所接收。

从组件监测模块通过上述接收主组件监测模块发来的载波命令，通过采集电路测试本组件的运行参数，并将测试结果数据通过直流导线载波通信上报给主组件监测模块，所经历过的层次结构和功能，实现了对本组件运行参数的测试，以及与主组件监测模块间进行的直流导线载波通信。

主组件监测模块433mhz无线通信与直流导线载波通信的融合：组件当中的主组件监测模块负责接收由汇流箱模块转发来的测试命令，向所属组件中的从组件监测模块分别逐一地发送载波测试命令，并接收从组件监测模块的测试结果数据，将它们的测试结果数据全部收齐后，要加上本组件的测试结果数据上传给汇流箱模块，并经汇流箱模块上传给直流柜模块以致管理中心。主组件监测模块与汇流箱模块之间采用433mhz无线通信方式，与从组件监测模块之间采用直流导线载波通信方式。

主组件监测模块完成的433mhz无线通信与直流单导线载波通信的融合通信，所具有的层次结构和功能如附图4所示。

在附图4中，来自管理中心的测试命令，经直流柜模块和汇流箱模块的转发并通过433mhz无线通信网传送至主组件监测模块。主组件监测模块中的si4463433mhz无线通信模块中的射频电路完成对无线电磁波信号的接收，经可选的ook、ask、fsk、4fsk及msk解调方式之一，完成433mhz的射频信号的解调后，得到测试命令数据经spi接口送往cpu。cpu接收到该测试命令后，通过spi接口分别逐一地向其它组件监测模块发送载波命令，经电平变换、可选的调制方式bask、bpsk、bask+扩频和bpsk+扩频之一的载波信号调制和放大滤波，再经耦合电路发送电路并通过直流导线及经过的从光伏组件进行直流导线载波通信，携带有载波命令的已调制的载波信号经直流导线载波通信的传输，被本组件内的从组件监测模块所接收。经过上述过程，将汇流箱模块通过433mhz无线通信网转发来的测试命令，由主组件监测模块接收，并由主组件监测模块通过直流导线载波通信的传输，向所属组件的从组件监测模块发出载波命令。

而由所属组件的从组件监测模块发送载波上报数据，通过直流导线载波通信的传输，由主组件监测模块接收(主组件监测模块中称其为载波接收帧)。主组件监测模块中的耦合电路接收电路完成对载波信号的接收，经可选的bask、bpsk、bask+扩频和bpsk+扩频之一的载波信号解调方式之一，完成直流导线载波信号的解调、放大滤波及电平变换后，cpu通过普通i/o接口接收到载波接收数据。当cpu接收齐本组件内所有的从组件监测模块发送的载波上报数据后，主组件监测模块的采集电路采集本组件的电压、电流、温度和水浸参数，cpu将主组件采集的参数及从组件监测模块发送来的采集参数，形成无线上报数据，通过spi接口发送给si4463433mhz无线通信模块，433mhz无线通信模块经可选的ook、ask、fsk、4fsk及msk调制方式之一，完成433mhz的射频信号的调制，si4463模块中的射频电路完成对无线电磁波信号的发射。经过上述过程，主组件监测模块分别逐一地接收所属从组件监测模块的载波上报数据，将本组件的电压、电流、温度及水浸参数以及从组件监测模块发送来的参数一起形成无线上报数据后，通过433mhz无线通信网向汇流箱模块发送出去。

需要说明的是，如果主组件监测模块向所属从组件监测模块n次转发载波命令均不成功，则主组件监测模块将该组件的电压、电流、温度及水浸参数置零，并通过无线上报帧上报给汇流箱模块，并经直流柜模块的转发，最终传送给管理中心。

主组件监测模块通过上述接收汇流箱模块转发的测试命令，以及向本组件的从组件监测模块逐一发送载波测试命令，接收从组件监测模块上报的测试结果数据，并将本组件的所有测试结果数据上报给汇流箱模块，所经历过的层次结构和功能，实现了对组件运行参数的测试，并将测试结果数据上报，以及433mhz无线通信与直流单导线载波通信的融合通信。

汇流箱模块zigbee无线自组网与433mhz无线通信的融合：汇流箱模块负责接收直流配电柜模块转发来自管理中心的测试命令，向所属组件监测模块转发测试命令，并接收组件监测模块的测试结果数据，转发的测试结果数据上传给直流柜模块，并经直流柜模块上传给管理中心。汇流箱模块与直流柜模块之间采用zigbee无线自组网通信方式，与所属组件监测模块之间采用433mhz无线通信方式。

汇流箱模块完成的zigbee无线自组网与433mhz无线通信网的融合通信，所具有的层次结构和功能如附图5所示。

在附图5中，来自管理中心的测试命令，经直流柜模块转发并通过zigbee无线自组网传送至汇流箱模块。汇流箱模块中的drf1605hzigbee无线自组网模块，完成zigbee射频电路对无线电磁波信号的接收，o-qpsk或o-qpsk+扩频的射频信号解调，以及zigbee数据帧的分拆，得到测试命令数据经串行接口送往cpu。cpu接收到该测试命令后，通过spi接口将该测试命令转发给si4463433mhz无线通信模块，si4463模块通过可选的ook、ask、fsk、4fsk及msk调制方式之一，完成433mhz的射频信号的调制，并通过433mhz射频电路完成对无线电磁波信号的发射，携带有测试命令数据的无线电磁波信号经433mhz无线通信网的传送，被组件的主组件监测模块所接收。经过上述过程，将直流柜模块通过zigbee无线自组网转发来的测试命令，由汇流箱模块接收，并通过433mhz无线通信网向所属组件的主组件监测模块转发出去。

而由所属组件的主组件监测模块发送的无线上报数据，通过433mhz无线通信网的传输，由汇流箱模块接收(汇流箱模块中称为接收帧)。汇流箱模块中的si4463433mhz无线通信模块中的射频电路完成对无线电磁波信号的接收，经可选的ook、ask、fsk、4fsk及msk解调方式之一，完成433mhz的射频信号的解调后，si4463模块通过spi接口将接收的433mhz接收数据传送给cpu。cpu接收到该接收数据后，通过对组件的电压、电流采集并计算功率(或计算组件的电压、电流及功率)，将电压、电流及功率的数值添加到接收数据中形成zigbee上传数据,由cpu通过串行接口将该上传数据传送给drf1605hzigbee无线自组网模块，由drf1605h模块完成zigbee数据的形成，o-qpsk或o-qpsk+扩频的射频信号的调制，以及zigbee射频电路对无线电磁波信号的发射。经过上述过程，汇流箱模块将所属组件的主组件监测模块、通过433mhz无线通信网发来的无线上报数据，添加组件的电压、电流及功率并形成上传数据后，通过zigbee无线自组网向直流柜模块转发出去。

需要说明的是，若汇流箱模块向所属组件的主监测模块n次转发测试命令均不成功，则汇流箱模块向直流柜模块发送的测试失败数据。

汇流箱模块通过上述的测试命令转发、接收测试结果数据并将测试结果数据上传，所经历过的层次结构和功能，实现了zigbee无线自组网与

433mhz无线通信网的融合通信。

直流配电柜模块监测模块中光纤以太网与zigbee无线自组网的融合：直流配电柜监测模块通过以太网交换机与公司内部的以太网相联接，负责接收管理中心发来的测试命令，向所属汇流箱模块转发测试命令，并接收汇流箱模块转发来自光伏组件组件监测模块的测试结果数据，转发的测试结果数据上传给管理中心。直流柜模块与管理中心之间采用以太网通信方式，与所属汇流箱模块之间采用zigbee无线自组网通信方式。

直流柜模块完成的以太网与zigbee无线自组网的融合通信，所具有的层次结构和功能如附图6所示。

在附图6中，管理中心通过企业内部的光纤以太网向直流柜模块发送来的测试命令，是通过以太网交换机传送给各直流柜模块的。而在以太网传输过程中采用的是tcp/ip协议，对测试命令进行了tcp/ip及以太网数据包的封装。因此，由直流柜模块中的w5500100m以太网通信模块完成以太网物理层的载波监听、线路解码等功能，完成tcp/ip及以太网数据包的拆包工作，即将以太网的首部、ip首部、tcp首部及以太网尾部去掉，w5500仅将测试命令数据通过spi接口传送给cpu。cpu接收到该测试命令后，通过串行接口转发该测试命令传送给drf1605hzigbee无线自组网模块，由drf1605h模块完成如下功能：1)zigbee数据包的形成；2)o-qpsk或o-qpsk+扩频的射频信号调制；3)zigbee射频电路对无线电磁波信号的发射。经过上述过程，将管理中心通过企业内部的光纤以太网发来的测试命令，由直流柜模块接收并通过zigbee无线自组网向汇流箱模块转发出去。

而由汇流箱模块通过zigbee无线自组网发来的测试结果的上传/测试失败数据，由直流柜模块接收。直流柜模块中的drf1605h模块完成zigbee射频电路对无线电磁波信号的接收，o-qpsk或o-qpsk+扩频的射频信号解调，以及zigbee数据包的分析，得到接收/测试失败数据，通过串行接口将其传送给cpu。cpu接收到该接收/测试失败数据后，将其作为上传/测试失败数据通过spi接口将其转发给w5500100m以太网通信模块，由w5500100m以太网通信模块完成tcp/ip及以太网数据包的打包，即在接收数据的基础上添加以太网的首部、ip首部、tcp首部及以太网尾部，再经以太网物理层的载波监听、线路编码等功能，将携带有测试结果的数据以tcp/ip及以太网数据包的形式，经企业内部的光纤以太网传送给管理中心。经过上述过程，直流柜模块将汇流箱模块通过zigbee无线自组网发送来的测试结果的上传数据，通过企业内部的光纤以太网向管理中心转发出去。

需要说明的是，如果直流柜模块向所属汇流箱模块n次转发测试命令均不成功，则直流柜模块向管理中心发送测试失败数据。

直流配电柜模块通过上述的测试命令转发、接收测试结果数据并将测试结果数据上传，所经历过的层次结构和功能，实现了光纤以太网与zigbee无线自组网的融合通信。

管理中心到以太网的层次结构：管理中心通过以太网交换机与公司内部的光纤以太网相联接，负责向被测光伏组件的监测模块发出测试命令，接收组件监测模块的测试结果数据。管理中心到以太网通信的层次结构如附图7所示。

管理中心是一台安装有以太网卡和数据库的服务器。管理中心的服务器程序发出的测试命令数据，经以太网卡内驻存的ieee802.2/802.3tcp/ip及以太网协议的处理，将数据包格式进行tcp/ip及以太网数据包的打包，并将测试命令经以太网向直流柜模块发送出去。

由直流柜模块转发的来自于光伏组件监测模块的测试结果数据，或汇流箱模块/直流柜模块发送的测试失败数据，经以太网的传输，由管理中心内的以太网卡接收。以太网卡完成以太网物理层的载波监听、线路解码等功能，经以太网卡内驻存的ieee802.2/802.3tcp/ip及以太网协议的处理，将数据包格式进行tcp/ip及以太网数据包的拆包，形成测试结果接收帧或测试失败帧数据格式。

管理中心通过上述的测试命令发送、接收测试结果的接收或测试失败数据，所经历过的层次结构和功能，并通过以太网的传输、直流柜模块、zigbee无线自组网的传输、汇流箱模块、433mhz无线通信网的传输、组件监测模块及直流单导线载波通信，实现了对光伏组件运行参数的测试，并将该数据存储至数据库，以备管理中心对光伏组件运行状态进行智能分析和状态展示。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。