一种基于ZigBee的光伏发电电能质量监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及光伏发电电能质量监测系统，具体涉及一种基于ZigBee的光伏发电电能质量监测系统及监测方法。

背景技术

电能质量是指电力系统中电能的质量。众所周知，理想的电压电流是频率为50Hz的正弦波形，在理想的三相系统中，各相的电压以及电流幅值相等、相位对称。但由于各元件在生产过程中并不一定能保证其理想性，比如发电机、变压器、线路在运行过程中参数的变化，这就导致了负荷的对称性以及线性度是不定的。同时在光伏发电中，由于大量非线性电力电子器件的投入和光照强度不断地变化导致光伏发电容易引起谐波、波形畸变等电能质量问题。

而大型的光伏电站由于各光伏组件分布分散，相应地，数据采集装置也比较分散，故信息传输的分支线路多、而且距离相对较近，再加上光伏电站建设地复杂的地理环境，以及有可能面临的太阳风、附近高压线路产生的干扰等电磁环境因素，布线较为困难，且不能保证可靠的通信。而传统的电能质量监测系统并不能解决上述问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种布线简单且通信可靠性高的光伏发电电能质量监测系统及监测方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于ZigBee的光伏发电电能质量监测系统，包括：

采集终端设备，用于采集电能质量监测数据，并将所述电能质量监测数据发送给ZigBee协调器；

路由设备，用于所述采集终端设备之间、采集终端设备与所述ZigBee协调器之间进行信号中继的通讯联络；

所述ZigBee协调器，用于接收所述路由设备发送的电能质量监测数据，包括：

处理器模块，用于将所述电能质量监测数据进行汇聚组帧；

供电模块，采用休眠模式供电；

通信模块，用于路由设备与ZigBee协调器及ZigBee协调器与监控后台之间的通讯连接；

监控后台，用于接收所述ZigBee协调器发送的电能质量监测数据并分析处理；

其中，所述采集终端设备、路由设备、ZigBee协调器之间采用网状拓扑结构进行无线组网。

在其中一个实施例中，所述采集终端设备安装在光伏阵列的逆变器上，用来采集逆变器所发的采样点数据。

在其中一个实施例中，所述采集终端设备具有路由功能。

在其中一个实施例中，所述网状拓扑结构包括：

一个ZigBee协调器节点，作为网络的主控节点，负责网络的建立和维护功能；

多个路由设备节点，用于信息的中继转发及维护网络的正常；

多个采集设备终端节点。

进一步地，所述ZigBee协调器节点与所述路由设备节点、所述采集设备终端节点进行通讯连接；

所述路由设备节点与所述采集终端设备节点进行通讯连接；

所述路由设备节点之间可直接进行通讯连接，构建了多路由通信通道。

在其中一个实施例中，具有路由功能的设备之间均可进行通讯连接。

在其中一个实施例中，上述基于ZigBee的光伏发电电能质量监测系统，还包括：

调度监控中心，包括计算机、智能手机、台式电脑等中的至少一种；

所述监控后台通过以太网通信、GPRS、3G、4G、5G中的至少一种通信方式与所述调度监控中心进行通讯连接，发送处理后的电能质量监测数据。

在其中一个实施例中，所述ZigBee协调器从休眠模式进入工作模式的时间为15ms。

本发明还提供了一种基于ZigBee的光伏发电电能质量监测方法，包括：

采集电能质量监测数据；

将所述电能质量监测数据通过路由设备发送给所述ZigBee协调器；

所述ZigBee协调器接收所述电能质量监测数据后进行汇聚组帧，发送至监控后台；

所述监控后台接收所述电能质量监测数据，进行数据解析、数据校验、数据分析并存储分析后的数据信息；

所述监控后台将分析后的数据信息发送给调度监控中心。

进一步地，所述ZigBee协调器接收所述电能质量监测数据后进行汇聚组帧之前，还包括：

监测接收的电能质量监测数据是否正确，若不正确，则重新接收所述电能质量监测数据。

上述基于ZigBee的光伏发电电能质量监测系统，通过所述采集终端设备、路由设备、ZigBee协调器之间采用网状拓扑结构进行无线组网，采集终端设备的电能质量监测数据可以通过多个路由设备进行传输，传输路径不是唯一的，因此增加了光伏电站的通信可靠性，而且通过路由设备还可起到延伸通讯信号的距离，进一步解决了现场布线困难的问题。此外，ZigBee协调器的供电模块采用休眠模式，进一步降低了协调器的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例的基于ZigBee的光伏发电电能质量监测系统结构示意图；

图2为一实施例的ZigBee协调器的内部结构示意图；

图3为一实施例的网状拓扑结构示意图；

图4为另一实施例的基于ZigBee的光伏发电电能质量监测系统结构示意图；

图5为一实施例的基于ZigBee的光伏发电电能质量监测方法流程示意图；

图6为基于载波通信的光伏发电电能质量监测系统结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

大型光伏电站一般采用分块发电、集中并网的方案，光伏电池是将光能转换成直流电输出，在逆变前后都是采用低电压传输电能，不宜进行大功率长距离传输。而0.5MWp的光伏电能在汇集后电流将达到近千安，为了降低逆变前后交直流电缆线路的成本和损耗，电站建设应尽量缩短逆变器到汇流箱的距离，因此并网逆变器和箱式升压变应尽量布置在各子系统电池方阵的中心位置。这也就决定了大型光伏电站所需要的数据传输距离近，分支线路多，再加上光伏电站建设地复杂的地理环境，以及有可能面临的太阳风、附近高压线路产生的干扰等电磁环境因素，都对电站的通信提出了更高的要求。

而ZigBee通信技术与蓝牙、WiFi、红外等常用的无线通信技术相比，具有以下优势：(1)低成本，其芯片价格不到蓝牙的1/10；(2)低功耗，由于速率低，且采用休眠模式，一般2节5号电池可工作半年以上；(3)“近距离”，虽然其标准距离只有75米，但通过增加天线的发射功率，其传输距离可增加到1～3km，通过增加路由节点可传输更远；(4)高可靠，由于采用了防碰撞及问题包重发策略，其数据传输更加可靠；(5)更安全，由于采用了加密算法及CRC循环冗余码校验，其数据传输更加安全；(6)大容量，单一主节点下可以管理243个子节点，主节点又可由上一级节点管理，最终可达到形成64000个节点的大网；(7)短延时，节点从休眠到工作只需15ms，搜索进入网络只需30ms，是WiFi、蓝牙的1/10。

基于此，本发明提供了一种基于ZigBee的光伏发电电能质量监测系统，包括：

采集终端设备，用于采集电能质量监测数据，并将所述电能质量监测数据发送给ZigBee协调器；

路由设备，用于所述采集终端设备之间、采集终端设备与所述ZigBee协调器之间进行信号中继的通讯联络；

所述ZigBee协调器，用于接收所述路由设备发送的电能质量监测数据，包括：

处理器模块，用于将所述电能质量监测数据进行汇聚组帧；

供电模块，采用休眠模式供电；

通信模块，用于路由设备与ZigBee协调器及ZigBee协调器与监控后台之间的通讯连接；

监控后台，用于接收所述ZigBee协调器发送的ZigBee协调器并分析处理；

其中，所述采集终端设备、路由设备、ZigBee协调器之间采用网状拓扑结构进行无线组网。

通过所述采集终端设备、路由设备、ZigBee协调器之间采用网状拓扑结构进行无线组网，采集终端设备的电能质量监测数据可以通过多个路由设备进行传输，传输路径不是唯一的，因此增加了光伏电站的通信可靠性，而且通过路由设备还可起到延伸通讯信号的距离，进一步解决了现场布线困难的问题。此外，ZigBee协调器的供电模块采用休眠模式，进一步降低了协调器的功耗。

图1所示为一实施例中基于ZigBee的光伏发电电能质量监测系统结构示意图。所述监测系统包括：采集终端设备100、路由设备200、ZigBee协调器300、监控后台400、光伏阵列501、逆变器502。采集终端设备100采集到的电能质量监测数据通过无线电波发送给路由设备200，路由设备200通过无线电波的方式将接收到的电能质量监测数据发送给ZigBee协调器300。可选的，采集终端设备100安装在与光伏阵列501连接的逆变器502上，用来采集逆变器502所发的采样点数据。在大型的光伏电站一般拥有多个逆变器，而随逆变器安装的采集终端设备100一般也有多个。可选的，若采集终端设备100与所述ZigBee协调器300之间相距很远时，可以增加多个路由设备进行通讯中继联络。可选地，采集终端设备100可以具有路由功能。

路由设备200是指用于采集终端设备与采集终端设备之间、或采集终端设备与ZigBee协调器之间进行信号中继的联络设备，不需要集成电流电压采集、A/D转换等回路。在其他实施例中，不考虑成本的情况下，路由设备200也可集成采集终端设备100中的一些电路设置，在此不做限定。

ZigBee协调器300对接收的电能质量监测数据首先进行汇聚组帧，然后通过串口即有线通信将数据送到监控后台400，可选地，若ZigBee协调器300距离监控室距离较远时，可通过增加路由设备进行ZigBee协调器与监控后台之间的通信连接；若ZigBee协调器距离监控室很远时，超出了路由设备的覆盖范围时，也可通过GPRS、3G、4G、5G等通信方式进行通信连接。可选地，ZigBee协调器还可配置电流电压模拟量采集回路，可兼作电能质量采集终端设备使用。

监控后台400用于接收所述ZigBee协调器发送的电能质量监测数据并分析处理。可选地，所述分析处理过程包括对所述电能质量监测数据进行数据解析、数据校验、数据分析并存储分析后的数据信息；可选地，还可以通过数据库的功能进行人机交互设计，后台监控人员可通过数据库可视化界面进行分析及查看光伏发电系统的电能质量状态。

图2为一实施例的ZigBee协调器的内部结构示意图。ZigBee协调器300包括处理器模块301、供电模块302、通信模块303，所述处理器模块301用于将所述电能质量监测数据进行汇聚组帧，可选地，在处理器模块对接收到的所述电能质量监测数据进行汇聚组帧之前还需要进行数据校验，检验接收到的数据正确与否，若不正确，则重新开始接收。

所述供电模块302采用休眠模式供电，可选地，所述ZigBee协调器300从休眠模式到工作模式只需15ms，搜索进入网络只需30ms。可选地，供电模块可使用蓄电池、交流电源供电。

可选地，所述通信模块303集成ZigBee和GPRS通讯单元，同时还具有RS232/RS485通讯接口，对上可接监控后台，对下可无线连接路由设备和采集终端设备。

ZigBee有三种标准网络拓扑结构，每一种网络最多包含三种不同功能的节点，即ZigBee协调器、路由设备(全功能设备)和采集终端设备(精简功能设备)。ZigBee协调器是网络的组织者，负责整个网络的建立和维护，也作为整个网络的主控节点；路由设备具有信息中继转发和辅助ZigBee协调器维护网络的功能，起到延伸无线信号传输距离的作用，可选地，路由器既可以用作网络协调器，也可以用作采集终端设备。但是一个ZigBee网络只能有1个ZigBee协调器，但可以有多个路由设备和多个采集终端设备。

上述采集终端设备、路由设备、ZigBee协调器之间采用网状拓扑结构进行无线组网，如图3所示，所述网状拓扑结构包括：一个ZigBee协调器节点，作为网络的主控节点，负责网络的建立和维护功能；多个路由设备节点，用于信息的中继转发及维护网络的正常；多个采集设备终端节点。

进一步地，所述ZigBee协调器节点与所述路由设备节点、所述采集设备终端节点进行通讯连接；所述路由设备节点与所述采集终端设备节点进行通讯连接；所述路由设备节点之间可直接进行通讯连接，构建了多路由通信通道。两个采集终端设备需要路由设备来中继无线信号的传输，若某一路由设备节点异常，可通过其他路由节点继续进行信号的传输工作，提高了通讯的可靠性。可选地，只要具有路由功能的设备之间均可进行通讯连接。可选地，所述采集终端设备也可嵌入ZigBee模块，集数据采集功能与通讯功能为一体，满足网状拓扑结构多路由通道传输信号的需要，极大增加了通讯的可靠性，给大型光伏电站解决了通讯方面的问题。而且ZigBee网路传输的“近距离”，其标准距离只有75米，但通过增加天线的发射功率，其传输距离可增加到1～3km，通过增加路由节点可传输更远，不需要特别复杂的布线，解决了光伏电站通讯布线困难的问题。

另一方面，ZigBee网状拓扑结构各节点收发信息功耗较低，而且采用了休眠模式，对于路由节点来说还是非常省电的，只需要两节5号电池就可以维持ZigBee模块供电长达半年左右。但对于需要进行电流电压采集的采集终端设备来说，若仅依赖两节5号电池进行供电，供电时长和供电可靠性都难于得到保证，因此需要考虑更加可靠的供电方式。而对于具有保护、测控等功能的设备来说，最可靠的供电方式是采用蓄电池供电，但对于地理环境恶劣的大型光伏电站而言，采用蓄电池供电方式是不现实的，由于采集终端设备一般都随逆变器安装，而逆变器经升压变接入了电网，其交流电源还是相对可靠的，因此可考虑交流(直流)输入电压经整流滤波稳压后对采集终端设备进行供电，同时采用充电电池作为其备用电源。ZigBee协调器一般都靠近监控室，交流电直接供电就很方便，可选地，也可选择使用蓄电池供电。

而ZigBee另外两种标准网络拓扑结构分别为：星形拓扑网络、树形拓扑网络。星形网络是最简单的一种拓扑结构，它以ZigBee协调器为中心节点，不设置路由节点，采集终端设备节点直接和ZigBee协调器相连，采集终端节点之间要想通信，只能通过ZigBee协调器转发，节点之间数据传输的路由是唯一的，每个终端节点只能置身于协调器的通信范围之内，网络灵活性较差，一般用于距离较近的场合；而树形拓扑网络可以看成是多个星形网络的集合，和星型网络相比，增加了许多路由节点，从而延伸了无线网络的覆盖范围，但信息传输的路径还是唯一的。

从通讯可靠性的角度去分析，一般大型光伏电站方圆数公里，一个光伏阵列发电单元的长度也都会超过200m(为避免阴影遮挡，其前后排间距一般在8m以上)，而电能质量采集终端设备都随逆变器安装，两个采集终端设备之间需要通过路由设备来中继无线信号的传输，显然星形拓扑网络是不适应大型光伏电站的；树形拓扑网络虽然能够满足传输要求，但由于每个终端设备信号传输路径是唯一的，对于现场地理环境恶劣、且传输距离很远的大型光伏电站来说，采用树形拓扑网络来传输电能质量监测数据，其可靠性是难于得到保证的，任一节点传输异常，都会影响后面串联的终端设备信号传输，而网状拓扑网络只要在有效通信半径之内，所有具备路由功能的节点之间都可以相互通信，而且具有网络自组织能力，网络协调器能够通过路由探索功能快速找到信息传输的最佳路径，信息传输路径不再有瓶颈。网状网络还具有故障自愈功能，网络中相关路由节点如果发生故障、位置改变、节点增加或删除，整个网络能够完成自我修复，不需要人为干预，就可以保障系统的正常运行。因此采用网状拓扑结构是最佳选择。

此外，图4所示为另一实施例中基于ZigBee的光伏发电电能质量监测系统结构示意图。所述监测系统包括：采集终端设备401、ZigBee协调器402、监控后台403、调度监控中心404。所述采集终端设备401具有路由功能，因此采集终端设备401采集到的电能质量监测数据通过无线电波发送给ZigBee协调器402。可选的，采集终端设备401安装在与光伏阵列连接的逆变器上，用来采集逆变器所发的采样点数据。在大型的光伏电站一般拥有多个逆变器，而随逆变器安装的采集终端设备401一般也有多个。可选的，若采集终端设备401与所述ZigBee协调器402之间相距很远时，可以增加多个路由设备进行通讯中继联络。路由设备是指用于采集终端设备与采集终端设备之间、或采集终端设备与ZigBee协调器之间进行信号中继的联络设备，不需要集成电流电压采集、A/D转换等回路。在其他实施例中，不考虑成本的情况下，路由设备也可集成采集终端设备401中的一些电路设置，在此不做限定。

ZigBee协调器402对接收的电能质量监测数据首先进行汇聚组帧，然后通过串口即有线通信将数据送到监控后台403，可选地，若ZigBee协调器402距离监控室距离较远时，可通过增加路由设备进行ZigBee协调器402与监控后台403之间的通信连接；若ZigBee协调器402距离监控室很远时，超出了路由设备的覆盖范围时，也可通过GPRS、3G、4G、5G等通信方式进行通信连接。

监控后台403用于接收所述ZigBee协调器发送的电能质量监测数据并分析处理，进一步地，将分析处理后的电能质量监测数据发送给调度监控中心404。可选地，所述分析处理过程包括对所述电能质量监测数据进行数据解析、数据校验、数据分析并存储分析后的数据信息；可选地，还可以通过数据库的功能进行人机交互设计，后台监控人员可通过数据库可视化界面进行分析及查看光伏发电系统的电能质量状态。

所述调度监控中心404可通过以太网、GPRS/3G/4G/5G的通信方式与所述监控后台403进行通讯连接，接收所述监控后台403发送的数据信息。可选地，调度监控中心404还可通过访问上述数据库可视化界面进行分析及查看光伏发电系统的电能质量状态。可选地，所述调度监控中心404是终端设备，包括计算机、智能手机、台式电脑中的至少一种，在此不作限定。

相应地，本发明还提供了一种基于ZigBee的光伏发电电能质量监测方法，步骤包括：

S502、采集电能质量监测数据；

S504、将所述电能质量监测数据通过路由设备发送给所述ZigBee协调器；

S506、所述ZigBee协调器接收所述电能质量监测数据后进行汇聚组帧，发送至监控后台；

S508、所述监控后台接收所述电能质量监测数据，进行数据解析、数据校验、数据分析并存储分析后的数据信息；

S510、所述监控后台将分析后的数据信息发送给调度监控中心。

在步骤S506所述ZigBee协调器接收所述电能质量监测数据后进行汇聚组帧之前，还包括步骤：

监测接收的电能质量监测数据是否正确，若不正确，则重新接收所述电能质量监测数据。

图6所示为基于载波通信的光伏发电电能质量监测系统。所述监测系统包括：采集终端设备601、N侧载波机602、N侧耦合器603、M侧载波机604、M侧耦合器605、载波通信管理机606、监控主站607。所述采集终端设备601随各光伏阵列的逆变器安装，用于采集电能质量监测数据，通过有线的通讯方式将所述监测数据发送给N侧载波机602，由于载波通信使用电力线作为传输介质，但在电力线上复用通信与普通的通信线路不同，要获得最佳的载波信号传输效率且避免干扰，解决电力线与载波设备之间的连接问题，故需要使用耦合器解决载波信号传输效率及干扰问题。所述电能质量监测数据通过N侧载波机602、N侧耦合器603、M侧载波机604、M侧耦合器605传输至载波通信管理机606，监控主站607接收电能质量监测数据并分析处理。

电力线载波通信由于使用电力线作为传输媒介，省去了布线环节，而光伏电站电能质量采集终端设备分别安装在逆变器处，和35kV升压变在一起，而监控主站一般布置在110kV变电站，两地之间都有35kV线路联络，线路是一种非常可靠的通信路由，不需要重新布线，也不需要专门维护，理论上完全可以采用载波通信，但是也是存在一些缺陷，电力线载波通信这种方式受可用频谱的限制，且送电线路检修接地期间会发生通信中断，受系统短路接地故障影响大，抗干扰性能稍差，因此不利于光伏电站的监测任务。

综合来说，ZigBee通讯技术更适合光伏电站的监测任务。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。