一种主动式批量设备关断的无线光伏系统及方法

技术领域

本发明涉及光伏领域，特别是涉及一种主动式批量设备关断的无线光伏系统及方法。

背景技术

光伏是一种利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将太阳辐射能量转换成电能的一种新型发电系统。光伏系统主要由光伏组件、控制器和逆变器三大主要部分组成。光伏组件往往由多个太阳能板串联而成，因此能够输出很高的功率，但光伏系统在意外情况下如出现火灾等，由于光伏组件携带高电压高电流，会给维修人员或救援人员带来生命危险。为了安全起见，光伏系统往往都配有能关断光伏组件和逆变器的设备，如关断器，但是如何快速和大范围性地控制关断器便是一个难题。大部分关断器设备都具有监控温度自行关断的机制，但是面对其他特殊情况往往无法自行关闭，因此，还需要一种能够确保光伏设备的绝对安全和主动关闭手段。

中国专利公开号CN113270893A，公开日2021年8月17日，发明创造的名称为一种光伏关断系统控制方法及其应用系统，该申请方案公开了一种光伏关断系统控制方法及其应用系统，其不足之处便是依旧通过电力线携带信息传输给光伏系统的功能电路，功能电路根据信息内容来控制关断器实现关闭光伏系统的效果，无法实现主动式的关闭光伏系统，同时关断系统和逆变系统连接，根据线路中电压变化，来判断是否控制关断器关断，需要频繁的检测电压，设置多种控制电路，复杂化了整个光伏系统。

发明内容

本发明解决了有线的方式工程实施复杂，容易产生数据出错的情况，PLC技术在电力线上传输数据上数据信号不精确，终端解析错误，大批量关断设备操作繁琐的问题，提供了一种主动式批量设备关断的无线光伏系统及方法，通过一个中央设备和若干子设备组成一个系统，各个子设备内部有应用处理器和无线通信模组，子设备连接至光伏系统的关断器，中央设备根据优质信道选择机制，选定若干工作信道，子设备根据微功率注册机制和自适应跳频机制，向中央设备获取注册信息并获取工作信道，在最优工作信道，监听心跳信号，中央设备会周期性无线发送广播心跳，同时子设备还设有生命维系机制，用以维系设备状态，保证无线光伏系统继续正常运行，以及判断是否执行控制关断器关断光伏组件设备的连接，中央设备还可以发送主动关断需求，实现光伏系统的主动式批量设备关断操作，提高了异常情况下的可靠关断能力。同时中央设备还支持自动对子设备进行在线查询，能否发现异常离线的设备并向中央服务器发出报警信号。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种主动式批量设备关断的无线光伏系统，包括：光伏组件，服务器，关断器，所述光伏组件连接所述关断器；中央设备，连接至服务器，接收服务器信号，发送心跳信号和主动关断信号，所述中央设备还设有优质信道选择机制；服务器，根据需求对中央设备下发主动关断需求；子设备，连接至关断器，接收和发送心跳信号，接收和发送主动关断信号，转发上报信号，所述子设备还设有生命维系机制和自适应跳频机制；该无线光伏系统通过一个中央和若干个子设备组成，利用无线通信技术，中央设备的广播心跳机制和优质信道选择机制，子设备的生命维系机制，自适应跳频机制和微功率注册机制，确保了各个设备之间不会相互干扰，实现了信号稳定接收和送达终端，提供了主动式的大批量设备关断能力，还提高了异常情况下的可靠关断能力，而且在复杂的地形环境中仍具有可行性。

作为优选，所述中央设备根据特有的优质信道选择机制，首次开机工作时，对所有预设信道进行信道质量扫描，然后根据信道RSSI和SNR信息，选定若干个优质信道作为工作信道，所述子设备根据自适应跳频机制，扫描若干所述工作信道，跳到最优的工作信道进入监听状态，并且所述子设备每次只在一个工作信道上等待心跳，在生命周期内，每一轮心跳周期超时未获取到心跳信息时，子设备便会重新扫描所述工作信道的质量，根据信道的RSSI和SNR的情况跳到最优的工作信道重新进入监听状态。

作为优选，所述子设备还设有微功率注册机制，所述子设备上电需要先靠近中央设备，所述子设备上电会以很低的功率与所述中央设备通信，向中央设备注册信息并获取工作信道。低功率的目的是为了防止子设备意外注册到其他远处的中央设备去，同时避免对其他子设备进行干扰。

作为优选，所述中央设备还设有设备在线确认机制，所述中央设备每一次广播时，广播包中除了附带心跳信息外，还会额外附带一个子设备的地址信息，该地址信息会随着广播一直扩散到目标子设备，所述目标子设备则会在本轮心跳广播的末尾主动发送上报信息，通过原心跳广播路径向上传播给所述中央设备。

作为优选，所述无线光伏系统包括一个中央设备和若干子设备，所述子设备内部由微控制器和无线通信模组组成，用于处理来自其他子设备或中央设备的信号，以及用于向其他子设备或中央设备接收和发送信号，所述各个子设备都单独连接一个无线光伏系统的关断器，所述子设备内部微控制器用于控制无线通信模组，发出广播心跳信号或者接收广播心跳信号，转发上报信号，以及控制无线光伏系统的关断器。

作为优选，所述中央设备和子设备均采用无线通信技术进行数据通信，如LoRa、FSK等Sub-G无线通信技术，通过无线通信的方式避免了有线方式工程实施复杂，对地形环境要求高，信号损耗大，易产生数据出错的问题。

所述子设备的有效无线通信范围内至少存在另一个子设备或中央设备，用于确保所述子设备在有效无线通信范围内能够将心跳广播信号通过无线通信技术传递给另一个子设备或者中央设备，保护数据信号的准确，让信号可以稳定送达终端。

作为优选，所述子设备接收到广播心跳信号后，在所述的选定的若干工作信道上延迟再次无线发送广播心跳信号扩散到其他设备，形成多级扩散传播的方式，广播心跳机制还可以根据要求选择固定路径传播的方式，来实现多级传播，传播方式可以多样化定制。

一种主动式批量设备关断的无线光伏方法，包括以下步骤：

S1、中央设备开机工作，信道质量扫描，选定工作信道；

S2、子设备向中央设备注册信息，获取工作信道；

S3、中央设备在工作信道上周期性发送心跳信号；

S4、子设备接收心跳信号，在工作信道上延迟向其他子设备发送心跳信号，扫描工作信道质量，跳到最优工作信道。

作为优选，所述步骤S4中，所述子设备根据生命维系机制，接收到广播心跳信号后更新生命周期，维系设备状态，用以保证所述的无线光伏系统继续正常运行，若一定间内没有正常接收到心跳信号致使生命周期结束，则控制关断器断开光伏组件和逆变器等设备的连接，所述子设备的生命周期是至少三次心跳周期，所述生命周期不固定，根据无线光伏系统应用的环境所决定，也可以根据需求的不同，进行预先设置，出于无线光伏系统的安全和稳定性考虑，还可以大幅度的扩大生命周期涵盖更多轮心跳，避免心跳信号的丢失。

作为优选，所述步骤S4中，所述子设备的生命维系机制中还额外设有心跳补救功能，通过所述心跳补救功能，在生命周期即将结束时，所述子设备会向外发送心跳补救信号，周边的设备收到心跳补救信号后会向该设备发送其自身收到的最后一条心跳设备的时间信息，子设备收到补救信号应答后，会根据应答信息中的心跳时间重新更新自己的生命周期来继续维持工作状态，若心跳时间信息仍超出正常生命周期的时间节点，则正常结束生命周期，关断光伏系统进行保护，能很好的确保无线光伏系统的稳定性，降低信号被干扰导致意外事故的可能性。

作为优选，所述服务器对所述中央设备发送主动关断需求时，所述一种主动式批量设备关断的无线光伏方法中的步骤S1至步骤S4主体不变，发送的信号改变，具体的，所述中央设备无线发送主动关断信号，停止周期性发送广播心跳，所述子设备收到中央设备的关断信号后直接控制关断器断开光伏组件设备的连接，而且即使关断信号未成功送达某个子设备，所述各个子设备也因为广播心跳的停发而触发生命维系机制，致使生命维系机制的生命周期结束，断开光伏组件设备的连接。

并且关断状态的所述子设备在重新收到广播心跳信号后，所述子设备控制关断器恢复光伏组件设备的连接，用以恢复无线光伏系统的正常运行。

本发明的有益效果为：一种主动式批量设备关断的无线光伏系统，包括：光伏组件，服务器，关断器，中央设备和子设备，该无线光伏系统主要功能通过一个中央和若干个子设备实现，利用无线通信技术，通过中央设备的广播心跳机制和优质信道选择机制，选取若干优质工作信道，在多条优质工作信道上周期性无线广播心跳信号，通过子设备的生命维系机制，自适应跳频机制和微功率注册机制，子设备会将接收到的心跳信号延迟发送到其他设备上，形成多级扩散传播的方式，该子设备的各种机制确保了各个设备之间不会相互干扰，大幅度提高心跳信号的稳定性，扩大了设备的有效控制范围，还能够很好的保证无线光伏系统的安全性。

而且无线通信方式解决了有线的实施复杂的问题，在复杂的地形环境仍有可行性，同时通过主动关断光伏系统，在一些特殊情况下可以满足设备大范围停止以便后续的检查或者操作。

中央设备还设有设备在线确认机制，设备在线确认机制可以让服务器确定离线的具体设备，方便对异常设备的快速定位，检修和维护。子设备设有的微功率注册机制还具有避免子设备错误注册到其他中央设备的作用，大大降低了设备之间的干扰，解决了信号稳定送达终端的问题。

附图说明

图1是本发明的中央设备工作流程图；

图2是本发明的子设备的工作流程图；

图3是本发明的无线光伏系统框图；

图4是本发明的微功率注册机制示意图；

图5是本发明的心跳补救功能示意图；

图6是本发明的设备在线确认机制示意图；

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

在本实施例中，如图1所示，本发明的无线光伏系统，中央设备根据特有的优质信道选择机制，首次开机工作时，对所有预设信道进行信道质量扫描，然后根据信道RSSI和SNR信息，选定了3个优质信道作为工作信道，子设备根据自适应跳频机制，扫描3个工作信道，跳到最优的工作信道进入监听状态，并且子设备每次只在一个工作信道上等待心跳，在生命周期内，每一轮心跳周期超时未获取到心跳信息时，子设备便会重新扫描工作信道的质量，根据信道的RSSI和SNR的情况跳到最优的工作信道重新进入监听状态。

在本实施例中，如图4所示，子设备还设有微功率注册机制，子设备上电需要先靠近中央设备，子设备上电会以很低的功率与中央设备通信，向中央设备注册信息并获取工作信道。低功率的目的是为了防止子设备意外注册到其他远处的中央设备去，同时避免对其他子设备进行干扰。

在本实施例中，如图5所示，子设备的生命维系机制中还额外设有心跳补救功能，通过心跳补救功能，在生命周期即将结束时，子设备会向外发送心跳补救信号，周边的设备收到心跳补救信号后会向该设备发送其自身收到的最后一条心跳设备的时间信息，子设备收到补救信号应答后，会根据应答信息中的心跳时间重新更新自己的生命周期来继续维持工作状态，若心跳时间信息仍超出正常生命周期的时间节点，则正常结束生命周期，关断光伏系统进行保护，能很好的确保无线光伏系统的稳定性，降低信号被干扰导致意外事故的可能性。

在本实施例中，如图6所示，中央设备还设有设备在线确认机制，中央设备每一次广播时，广播包中除了附带心跳信息外，还会额外附带一个子设备的地址信息，该地址信息会随着广播一直扩散到目标子设备，目标子设备则会在本轮心跳广播的末尾主动发送上报信息，通过原心跳广播路径向上传播给中央设备。具体的，央设备本轮广播携带子设备9的地址信息，广播最终送达子设备9后，子设备9在本轮广播末尾，根据心跳原扩散路径(子设备5和子设备6)，随机选定设备6发送上报信号，子设备6收到子设备9的上报信号，同样在原路径(设备2和子设备3)中随机选择子设备3转发上报信号，最终子设备3再将上报信号转发至中央设备。最终中央设备确认收到了子设备9的上报信号，确定该设备正常在线。中央设备每一轮心跳广播均会按照上述流程进行一次单设备的在线确认，最终通过一定次数的广播遍历确认完所有子设备的在线情况。当子设备因为异常或者其他原因断线，中央设备始终没有收到在线确认信息返回，则汇报给中央服务器，可以得知某个设备异常下线，便可以明确是具体哪个设备异常，方便维修人员快速定位和抵达现场。

在本实施例中，如图3所示，本发明的无线光伏系统分为两个部分，分别由一个中央设备和多个子设备组成，每一个设备内部由一个MCU微控制和一个无线通信模组组成，各个子设备都单独连接至各个光伏设备的关断器，主要负责控制关断器，中央设备连接服务器，接收服务器的信号，各个子设备的有效无线通信范围内至少存在另一个子设备或者中央设备，用于确保子设备在有效无线通信范围内能够将心跳广播信号通过无线通信技术传递给另一个子设备或者中央设备，保护数据信号的准确，让信号可以稳定送达终端。

在本实施例中，如图3所示，子设备内部微控制器用于控制无线通信模组，发出广播心跳信号或者接收到接收广播心跳信号，无线通信模组采用了LoRa/FSK无线通信技术。

在本实施例中，如图2所示，子设备根据生命维系机制，接收到广播心跳信号后更新生命周期，维系设备状态，用以保证的无线光伏系统继续正常运行，若一定间内没有正常接收到心跳信号致使生命周期结束，则控制关断器断开光伏组件和逆变器等设备的连接，子设备的生命周期是至少三次心跳周期，生命周期不固定，根据无线光伏系统应用的环境所决定，也可以根据需求的不同，进行预先设置，出于无线光伏系统的安全和稳定性考虑，还可以大幅度的扩大生命周期涵盖更多轮心跳，避免心跳信号的丢失。

子设备接收到广播心跳信号后，在的选定的若干工作信道上延迟再次无线发送广播心跳信号扩散到其他设备，形成多级扩散传播的方式，广播心跳机制还可以根据要求选择固定路径传播的方式，来实现多级传播，传播方式可以多样化定制。

在本实施例中，图1是本发明中央设备的工作流程图，中央设备开机工作时，首先扫描所有预设信道并选择3个优质信道作为工作信道，之后中央设备判断是否有收到主动关断请求，若收到主动关断请求，中央设备无线发送关断信号，然后中央设备进入下一步判断是否收到恢复广播心跳信号，若收到恢复广播心跳信号则回到初始流程，判断是否收到有主动关断请求，若没有收到恢复广播心跳信号则一直进行判断过程直到收到广播心跳；若没有收到主动关断请求则进入下一步，中央设备判断是否收到注册信息，若收到注册信息，应答设备附带工作信道信息并记录设备信息，然后进入下一步，中央设备判断是否收到主动上报；若没有收到注册信息，则中央设备直接进入下一步，中央设备判断是否收到主动上报，若收到主动上报，更新该设备的在线计时，再进入下一步；若没有收到主动上报，则直接进入下一步，检查所有子设备的在线计时，超时设备向中央服务器发送离线报警，中央设备进入下一步流程，判断心跳周期是否到达，若心跳周期到达则无线发送广播按序选择携带一个设备的地址然后进入下一步回到初始流程，判断是否收到主动关断请求；若心跳周期没有到达，中央设备再回到初始流程，判断是否收到主动关断请求。

在本实施例中，图2是本发明的子设备的工作流程图，子设备开始工作时，首先判断子设备的生命周期是否结束，若生命周期结束，子设备控制关断器关断设备，然后子设备进入下一步，判断是否接收到广播心跳，若子设备接收到心跳信号则直接更新生命周期，控制关断器保存连接，若子设备判断没有收到广播心跳，则一直重复进行判断过程；若没有结束，子设备进入下一步，判断是否接收到关断信号，若接到关断信号，子设备控制关断器关断设备；若没有接到关断信号，子设备进入下一步，判断是否收到心跳补救信号，若收到则发送最后一次心跳的时间节点，回到最初工作流程，子设备再次判断生命周期是否结束；若没有收到心跳补救信号，子设备进入下一步，判断是否收到上报信号，若收到上报信号，子设备随机选择最后一次心跳路径向上转发，再回到最初工作流程；若子设备没有收到上报信号，则进入下一步，子设备判断是否接收到广播心跳，若没有接收到广播心跳，再回到最初工作流程；若子设备接收到广播心跳，子设备进入下一步，子设备更新生命周期，控制关断器保存连接，维持无线光伏系统的正常运行，子设备在进入下一步，子设备会扩散广播心跳，子设备再判断是否携带自身地址，若没有携带自身地址则回到最初工作流程；若子设备携带自身地址，子设备进入下一步，随机选择心跳路径发送上报信息，然后回到最初工作流程，判断生命周期是否结束。

在本实施例中，如图1和2共同所示，服务器对中央设备发送主动关断需求时，中央设备无线发送主动关断信号，停止周期性发送广播心跳，子设备收到中央设备的关断信号后直接控制关断器断开光伏组件设备的连接，而且即使关断信号未成功送达某个子设备，各个子设备也因为广播心跳的停发而触发生命维系机制，致使生命维系机制的生命周期结束，断开光伏组件设备的连接。

并且关断状态的子设备在重新收到广播心跳信号后，子设备控制关断器恢复光伏组件设备的连接，用以恢复无线光伏系统的正常运行。

在本实施例中，如图1至图3共同所示，本发明的无线光伏系统的主要工作步骤如下：

中央设备首次开机，扫描所有预设信道并选择最优的3个信道作为工作信道。

中央设备的MCU周期性控制无线模组在3个工作信道上发送广播心跳信号。每一次广播中携带一个已注册的设备地址进行在线确认。

子设备首次开机，靠近中央设备进行设备自动注册，获取到中央设备的工作信道，中央设备获取到子设备的设备信息。

子设备安装至正常位置上电工作进入监听状态，子设备接收到广播心跳信号，更新生命周期维系工作状态，维持关断器连接的状态。

子设备接收到广播心跳信号后，再次将广播心跳在3个信道上通过无线发送出去，进行心跳扩散，每个子设备最多扩散一次心跳信号。扩散后重新扫描3个信道质量，根据信道RSSI和SNR信息跳到最优的信道上监听。

子设备在生命周期末尾仍然没有接收到广播心跳，则启用心跳补救功能，向周围设备发送心跳补救信号，根据应答的心跳信息更新自己的生命周期。

子设备若生命周期结束，则控制关断器断开光伏组件。

子设备若收到的心跳广播中存在自身的设备地址信息，则在广播末尾，选择心跳扩散的原路径中的一条进行主动上报信息，其他子设备收到后同样进行原路径转发。

中央设备一定周期内没有收到某个设备的在线确认信号，则向中央服务器发送设备断线警告。

服务器主动发送关断请求的信号给中央设备，中央设备停止周期性无线广播心跳发送，同时即刻无线发送一帧关断信号。

子设备收到无线关断信号后主动控制关断器断开光伏组件的连接，并将关断信号再次无线发送进行扩散。