一种分布式光伏发电微逆变器监控系统及方法与流程

本发明属于光伏发电检测技术领域，特别涉及一种分布式光伏发电微逆变器监控系统及方法。

背景技术：

由于光伏发电微电网一般布置在室外，家庭式光伏微电网一般安装在屋顶或者空旷地点，而目前对微电网的监控多是本地监控，通信距离有限，并且光伏发电微电网的光伏发电组件与光伏逆变器之间也存在较远的距离，本地监控通信方式布线距离长，成本高，且容易出现通讯不良的情况，日常维护时只能定期巡视设备，记录相关数据，造成人工成本增加，用户不能及时掌握设备运行信息，维修人员不能及时收到故障信息，无法达到随时随地监控光伏发电系统的目的。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种分布式光伏发电微逆变器监控系统及方法，采用zigbee、gprs、云计算等技术，实时检测光伏发电微系统微逆变器的运行状态，电网实时参数、统计微电网发电量，及时的推送系统故障，方便用户及时掌握设备运行信息以及维修人员及时排除故障，达到随时随地监控光伏发电系统目的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种分布式光伏发电微逆变器监控系统，包括：zigbee通信网络、gprs通信网络、通信网关模块、云端mqtt代理服务器和监控app；

所述zigbee通信网络用于将多个光伏微逆变器的检测数据传输到通信网关模块，所述通信网关模块将检测数据进行解析并打包，所述gprs通信网络用于获取分布式光伏发电系统的定位信息，所述gprs通信网络采用mqtt协议，将定位信息及通信网关模块解析打包后的检测数据传输到云端mqtt代理服务器，所述云端mqtt代理服务器采用mqtt协议定制主题，向监控app发送检测数据，所述监控app显示云端mqtt代理服务器转发的检测数据。

作为优选的技术方案，所述通信网关模块包括网关主控电路模块、zigbee通信电路模块、gprs通信电路模块、程序调试电路模块、eeprom电路模块和电源供电电路模块；

所述zigbee通信电路模块将光伏微逆变器的检测数据传输至网关主控电路模块，网关主控电路模块将检测数据通过gprs通信电路模块传至云端mqtt代理服务器；

所述程序调试电路模块用于网关主控电路模块与上位机进行程序调试，所述eeprom电路模块设有通过spi通信协议外扩的存储芯片，用于存储发送失败数据信息，所述电源供电电路模块通过降压和整流，将电压转换成通信网关模块内各个芯片的工作电压，各个芯片单独供电。

作为优选的技术方案，所述网关主控电路模块设有网关主控芯片，所述网关主控芯片采用stmf32f103c8t6芯片，外接8mhz、32.76khz晶振，并采用isp的方式烧写程序，所述网关主控芯片设有三个usart串口，分别为gprs通信接口、zigbee通信接口和spi协议通道接口。

作为优选的技术方案，所述gprs通信电路模块采用sim800c模块，sim800c模块的rxd、txd引脚分别与网关主控电路模块的txd、rxd引脚相连。

作为优选的技术方案，所述zigbee通信电路模块采用zm5168模块，zm5168模块txd、rxd引脚分别与网关主控电路模块的txd、rxd引脚相连，link管脚与网关主控电路模块的i/o管脚相连接。

作为优选的技术方案，所述云端mqtt代理服务器部署linux系统开放端口，同时安装java环境、ecclipse、mosquitto和mysql软件。

作为优选的技术方案，所述监控app设置有运行主界面、实时运行数据的详细界面、故障界面和历史数据界面。

本发明还提供一种分布式光伏发电微逆变器监控方法，包括下述步骤：

zigbee通信网络配置为星型拓扑结构，将通信网关模块的zigbee通信网络模块配置为主模块，将微逆变器的zigbee通信网络模块配置为从模块；

网关主控电路模块进行初始化；

初始化完成后，网关主控电路模块向配置后的zigbee通信电路模块发送通信请求指令，同时网关主控电路模块向gprs通信网络发送定位指令，并且将返回的定位数据解析得到经纬度；

分布式光伏发电微逆变器对通信请求指令进行crc16校验，校验判断是否为通信请求指令，若是，则将实时采集的数据通过zigbee通信电路模块通过zigbee无线网络发送给通信网关模块；

通信网关模块对接收到的实时采集的数据进行crc校验，并将数据解析打包为json数据格式，采用mqtt协议的方式将数据发送到云端mqtt代理服务器；

云端mqtt代理服务器开放端口，建立tcp长连接，保持客户端与云端mqtt代理服务器之间的心跳包，并根据标准mqtt协议定制主题,通信网关模块配置为发布端,android手机客户端为订阅端，进行消息的发布与订阅推送，云端mqtt代理服务器采用回滚机制将数据写入mysql数据库；

监控app采用mqtt协议订阅云端mqtt代理服务器的主题，实现网关到app的数据实现显示，对数据进行可视化处理。

作为优选的技术方案，所述网关主控电路模块进行初始化的具体步骤为：

网关主控电路模块控制gprs通信电路模块、zigbee通信电路模块、网关主控芯片进行初始化，设置堆栈大小，分配内存；

网关主控电路模块发送控制指令到gprs通信电路模块，gprs通信电路模块进行设置,gprs通信电路模块接收指令后根据返回的数据进行模块功能自检，验证控制指令是否发送成功。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用zigbee通信网络负责微逆变器与网关通信模块的通信，微逆变器与通信网关模块的zigbee通信网络配置为星型拓扑，zigbee是一种可以大规模组网的中短距离无线通信方式，而且在一定范围内信息丢包率极小，zigbee通信网络配置简单、灵活，提高了系统整体的灵活性。

(2)本发明采用云端mqtt代理服务器部署linux系统开放端口，同时安装java环境、ecclipse、mosquitto、mysql等软件，云端mqtt代理服务器采用mqtt协议定制主题，向监控app发送数据，达到了通信网关模块与客户端之间数据主动推送，及时更新的效果。

(3)本发明采用通信网关模块完成数据收发及数据打包，通信网关模块集成了gprs、zigbee技术，负责多台微逆变器与云端mqtt代理服务器进行数据交互，通信网关模块内采用stm32f103芯片，stm32f103芯片在通信上具有明显的硬件优势，能够提高系统控制效率。

(4)本发明采用监控app直观地向用户展示微逆变器的运行状态、参数、历史数据以及故障诊断，用户可以第一时间获取系统运行状态，提高了系统整体可读性。

(5)本发明采用gprs通信网络获取分布式光伏发电系统的定位信息，解决了分布式光伏发电系统定位问题，达到了准确定位与节约成本的效果。

附图说明

图1为本实施例分布式光伏发电微逆变器监控系统的总体框架示意图；

图2为本实施例通信网关模块的整体结构框图；

图3为本实施例通信网关模块的网关主控电路模块原理示意图；

图4为本实施例通信网关模块的gprs通信电路模块原理示意图；

图5为本实施例通信网关模块的zigbee通信电路模块原理示意图；

图6为本实施例通信网关模块的工作流程示意图；

图7为本实施例监控app的运行主界面示意图；

图8为本实施例监控app的实时运行数据的详细界面示意图；

图9为本实施例监控app的故障界面示意图；

图10为本实施例监控app的运行历史数据界面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，在本实施例中，分布式光伏发电微逆变器监控系统对并网硬件系统进行采样检测，并网硬件系统包括光伏发电组件、分布式光伏发电微逆变器和电网，分布式光伏发电微逆变器进行光伏系统的dc-ac转换，这个过程需要对一系列的参数进行采样检测，如输入电压、输入电流、输出电压、输出电流以及电网的电压和频率。

本实施例提供一种分布式光伏发电微逆变器监控系统，包括：zigbee通信网络、gprs通信网络、通信网关模块、云端mqtt代理服务器和监控app；

在本实施例中，分布式光伏发电微逆变器的主控芯片dspic将检测的数据通过zigbee通信网络发送到通信网关模块，通信网关模块将从zigbee通信网络传输来的数据进行解析并打包成json数据，所述gprs通信网络用于获取分布式光伏发电系统的定位信息，所述gprs通信网络采用mqtt协议，将定位信息及通信网关模块解析打包后的检测数据以mqtt标准报文方式传输到云端mqtt代理服务器，云端mqtt代理服务器将数据存储在云端数据库并且转发数据到监控app，所述云端mqtt代理服务器采用mqtt协议定制主题，向监控app发送数据，所述监控app显示云端mqtt代理服务器转发的检测数据，本实施例实现了通信网关模块到监控app之间的消息订阅/发布功能。

如图2所示，通信网关模块包括网关主控电路模块、zigbee通信电路模块、gprs通信电路模块、程序调试电路模块、eeprom电路模块和电源供电电路模块；所述zigbee通信电路模块将光伏微逆变器的检测数据传输至网关主控电路模块，网关主控电路模块将检测数据通过gprs通信电路模块传至云端mqtt代理服务器；其中网关主控电路模块控制zigbee通信和gprs通信两种无线通信方式，程序调试电路用于网关主控电路模块的网关主控芯片与上位机进行程序调试；eeprom电路模块设有通过spi通信协议外扩的存储芯片，用于存储发送失败信息；电源供电电路模块通过降压和整流，将电压转换成各芯片的工作电压，是芯片正常工作的保障，同时为了保障芯片之间不产生供电干扰，各个芯片单独供电。

如图3所示，在本实施例中，网关主控电路模块采用了stmf32f103c8t6作为网关主控芯片，该芯片基于armcortex-m3架构。stm32f103c8t6芯片供电电压为3.3v，通信网关模块接入电压为5v，所以需要对供电电路进行降压、整流。该芯片需要外接8mhz、32.76khz晶振，保障芯片工作周期正常，芯片通过isp的方式烧写程序。通信网关模块需要提供两种通信方式以及一个spi协议通道至eeprom电路，因此，网关主控芯片需要用到三个usart串口。

如图4所示，在本实施例中，gprs通信电路模块采用sim800c模块，sim800c模块工作频率为gsm/gprs850/900/1800/1900mhz，可以低功耗实现语音、sms和数据信息的传输,启动sim800c模块需要对该模块的14与15引脚进行短接。该模块通过rxd、txd引脚与stm32f103c8t6芯片的pb10、pb11管脚直接连接进行通信。模块的rxd负责接收来自stm32f103的信息，txd用于发送信息到stm32f103。

如图5所示，在本实施例中，zigbee通信电路模块选用zm5168模块，zm5168模块具有uart、spi两种通信方式，本实施例的通信网关模块采用了uart通信方式。其中，zm5168模块txd、rxd管脚分别与网关主控芯片pa9、pa10管脚相连接；state管脚与led电路相连接，通过led展示zm5168模块工作状态。resetn管脚与按键复位电路相连接；link管脚与网关主控芯片i/o管脚相连接，以方便网关主控芯片识别通信连接状态。本实施例的zigbee通信网络负责微逆变器与网关通信模块的通信，微逆变器与通信网关模块的zigbee通信网络配置为星型拓扑，zigbee是一种可以大规模组网的中短距离无线通信方式，而且在一定范围内信息丢包率极小，zigbee通信网络配置简单、灵活，提高了系统整体的灵活性。

在本实施例中还提供一种分布式光伏发电微逆变器监控方法，结合图6所示，工作流程如下所述：

首先需要对zigbee网络进行点对多点配置，配置为星型拓扑结构，将通信网关模块的zigbee通信网络模块配置为主模块，将微逆变器的zigbee通信网络模块配置为从模块，保证zigbee网络能够正确的通信。

通信网关模块上电后，网关主控电路模块控制gprs通信电路模块、zigbee通信电路模块、网关主控芯片进行初始化，设置堆栈大小，分配内存；

网关主控电路模块发送控制指令到gprs通信电路模块，gprs通信电路模块进行设置,gprs通信电路模块接收指令后根据返回的数据进行模块功能自检，验证控制指令是否发送成功，检测gprs通信电路模块功能是否正常。

初始化完成后，网关主控电路模块向配置后的zigbee通信电路模块发送通信请求指令，同时网关主控电路模块发送向gprs通信网络发送基站定位指令，并且将返回的定位数据解析得到经纬度；

分布式光伏发电微逆变器对通信请求指令进行crc16校验，校验判断是否为通信请求指令，若是，则将实时采集的数据通过zigbee通信电路模块通过zigbee通信网络发送给通信网关模块；

通信网关模块对接收到的实时采集的数据进行crc校验，并将数据解析打包为json数据格式，采用mqtt标准报文的方式将数据发送到云端mqtt代理服务器；

云端mqtt代理服务器开放端口，建立tcp长连接，保持客户端与云端mqtt代理服务器之间的心跳包，并根据标准mqtt协议定制主题,通信网关模块配置为发布端,android手机客户端为订阅端，进行消息的发布与订阅推送，云端mqtt代理服务器采用回滚机制将数据写入mysql数据库；

监控app采用mqtt协议订阅云端mqtt代理服务器的主题，实现网关到app的数据实现显示，对数据进行可视化处理。

在本实施例中，mqtt协议是基于tcp长连接进行数据传输，具有为gprs通信电路模块开启tcp工作方式；通信网关模块对微逆变器通过zigbee通信网络发送的数据进行crc校验，是为了保证接收的数据正确性和完整性；其中数据解析的步骤，具体是根据数据格式将两个16进制数转换成10进制数，再构造json数据格式。

本实施例的通信网关模块完成数据收发及数据打包，通信网关模块集成了gprs、zigbee技术，负责多台微逆变器与云端mqtt代理服务器进行数据交互，网关主控电路模块内采用stm32f103芯片，相比于低端单片机，stm32f103芯片在通信上具有明显的硬件优势，能够提高系统控制效率。

在本实施例中，云端mqtt代理服务器优选阿里云ecs服务器，服务器部署linux系统开放端口，同时安装java环境、ecclipse、mosquitto、mysql等软件，云端mqtt代理服务器具有数据存储、数据推送的功能，云端mqtt代理服务器起数据转发功能，监控app不需要从数据库读取数据。

在本实施例中，在云端mqtt代理服务器部署后台服务程序，并安装mysql数据库，在mysql数据库中建立对应的表格然后通过远程连接工具读取的数据与android客户端一致。

如图7所示，监控app的运行主界面能够显示微逆变器运行时的电网电压、频率参数、微逆变器的实时功率、历史发电量、当天的功率变换统计、以及显示实时及未来两天的天气信息等；

如图8所示，点击监控app运行主界面右侧的按键，进入发电系统实时运行数据的详细界面，该界面显示了电网信息、各个微逆变器的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流实时参数。

如图9所示，监控app故障界面能够显示微逆变器运行时的微逆变器故障机号以及故障类型，故障状况，以及维护热线等，方便用户以及维修人员快速的定位系统故障。

如图10所示，监控app历史数据界面可以显示微逆变器运行年与月数据的统计，以及对当月数据每天发电量的柱状统计图，同时可以对具体某一天的数据进行查询。

在本实施例中，监控app通过直观的方式向用户展示微逆逆变器运行状态、参数、历史数据、以及故障诊断。用户可以第一时间获取系统运行状态。提高了系统整体可读性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。