專利名稱：一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置的制作方法
技術領域：
一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置技術領域[0001]本實用新型屬于光伏電池智能監(jiān)控技術領域，具體涉及一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置。
背景技術：
[0002]隨著新能源技術的不斷發(fā)展，人們對于太陽能這種綠色能源的關注度持續(xù)升溫。 基于太陽能光伏發(fā)電技術的逐步推廣，太陽能光伏匯流箱的需求正逐漸增加。在光伏發(fā)電 系統(tǒng)中，數(shù)量龐大的光伏電池組件進行串并組合才能達到需要的電壓電流值，以使發(fā)電效 率達到最佳。光伏匯流箱的主要作用就是對光伏電池陣列的輸入進行一級匯流，用于減少 光電池陣列接入到逆變器的連線，優(yōu)化系統(tǒng)結構，提高可靠性和可維護性。智能光伏匯流采 集裝置作為光伏匯流箱的重要元件，在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。智能光伏采 集裝置主要對光伏電池陣列的電流、電壓、功率進行測量，同時對斷流、過流等故障進行報 警。同時，還提供監(jiān)測輻照、風速、溫度、濕度等環(huán)境條件的功能，另外，還有開關量輸入、輸 出、通信等功能。如中國實用新型專利授權公告號CN201966832U公開了一種多回路光伏 直流匯流采集裝置，它采用隔離型霍爾電流傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式霍爾傳感器來進行光 電池電流檢測，減小了產品體積并大大降低了成本；同時在CPU電路外圍配置了通訊電路 和顯示設置電路，使該匯流采集裝置具有更多功能；另外采用多種方式進行信號輸入，大大 提高了其應用范圍。但該專利存在以下幾個缺點1.至多只能實現(xiàn)兩個采集模塊的擴展； 2.匯流采集模塊的模數(shù)轉換輸出與數(shù)據(jù)存儲電路復用后連接至微處理器的通用IO 口，這 樣就無法實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的軟件校驗，數(shù)據(jù)傳輸易受干擾，可靠性低；3.設計了信號放大電 路、模擬數(shù)字轉換電路、數(shù)據(jù)存儲電路和內部溫度測量電路，大大增加了設計成本。[0003]鑒于上述已有技術，有必要對現(xiàn)有的光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置進行改進，下面將要 介紹的技術方案就是在這樣的背景下產生的。發(fā)明內容[0004]本實用新型的目的在于提供一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置，能靈活的調整采集 模塊的路數(shù)，實現(xiàn)對電流、電壓、功率和環(huán)境參數(shù)的測量，并具有對斷流、過流、開入等故障 情況進行報警的功能，大大提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行管理能力，實現(xiàn)自我診斷；同時還具 有可擴展性。[0005]本實用新型的目的是這樣來達到的，一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置，特點是包 括一用于檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出以及對環(huán)境參數(shù)進行測量的主控采集模塊和一個或一 個以上用于對光伏各匯流回路的電流進行檢測的擴展數(shù)據(jù)采集模塊，主控采集模塊和擴展 數(shù)據(jù)采集模塊通過內部總線進行連接，內部總線至少包括一通信線路，實現(xiàn)主控采集模塊 和擴展數(shù)據(jù)采集模塊之間的數(shù)據(jù)交換。[0006]在本實用新型的一個具體的實施例中，所述的主控采集模塊包括第一微處理器電 路、輔助電源電路、第一接口電路、開入電路、開出電路、顯示電路、按鍵電路、通信電路和采集電路，所述第一微處理器電路與第一接口電路、開入電路、開出電路、顯示電路、按鍵電 路、通信電路以及采集電路連接，輔助電源電路與第一接口電路連接，通過第一接口電路為 擴展數(shù)據(jù)采集模塊提供電源；輔助電源電路還與第一微處理器電路、開入電路、開出電路、 顯示電路、按鍵電路、通信電路和采集電路連接，為各個電路提供電源。[0007]在本實用新型的另一個具體的實施例中，所述的采集電路包括DCO 1000V采集 電路、DCO (4) 20mA采集電路、DCO IOOmV采集電路、DCO IOV采集電路和PtlOO溫 度采集電路，DCO 1000V采集電路、DCO (4) 20mA采集電路、DCO IOOmV采集電路、 DCO IOV采集電路以及PtlOO溫度采集電路分別與第一微處理器電路連接。[0008]在本實用新型的又一個具體的實施例中，所述的擴展數(shù)據(jù)采集模塊包括電源電 路、第二接口電路、第二微處理器電路和一個或一個以上的電流采集電路，電源電路與第二 接口電路以及第二微處理器電路連接，第二微處理器電路與第二接口電路以及電流采集電 路連接。[0009]在本實用新型的再一個具體的實施例中，所述的內部總線的通信線路為I2C、SPI 和RS485總線中的一種或一種以上。[0010]本實用新型由于采用了上述結構，與現(xiàn)有技術相比，具有的有益效果是采用模塊 化設計，可選用多個擴展數(shù)據(jù)采集模塊進行電流采集通道的擴展，從而可以實現(xiàn)4路、8路、 12路、16路及以上的電流采集，方便用戶的選用，提高了使用的靈活性；主控采集模塊和擴 展數(shù)據(jù)采集模塊之間的數(shù)據(jù)通信具有可靠的數(shù)據(jù)校驗功能，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；?用內部集成有PGA、SDAD、溫度采集模塊和EEPROM FLASH等功能的微處理器，精簡了外圍電 路，提高了系統(tǒng)可靠性并大大降低了成本；通過主控采集模塊中的采集電路能對光伏發(fā)電 系統(tǒng)DC1000V及以下的輸出電壓進行檢測，并能對光伏發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)如輻照、溫度、 濕度、風速等進行測量，還可實現(xiàn)對多路電流、功率等的檢測，精度可達O. 5%;具有開關量 輸入功能，能檢測直流斷路器和浪涌保護器的工作狀態(tài)；具有開關量輸出功能，能輸出繼電器節(jié)點信號。


[0011]圖1為本實用新型的原理框圖。[0012]圖2為主控采集模塊的電路框圖。[0013]圖3為主控采集模塊的輔助電源電路的電路圖。[0014]圖4為主控采集模塊中的采集電路的電路圖。[0015]圖5為主控采集模塊中的第一微處理器電路的電路圖。[0016]圖6為擴展數(shù)據(jù)采集模塊的電路框圖。[0017]圖7為擴展數(shù)據(jù)采集模塊的電源電路的電路圖。[0018]圖8為擴展數(shù)據(jù)采集模塊中的電流采集電路的電路圖。
具體實施方式
[0019]為了使公眾能充分了解本實用新型的技術實質和有益效果，申請人將在
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
詳細描述，但申請人對實施例的描述不是對技術方案的 限制，任何依據(jù)本實用新型構思作形式而非實質的變化都應當視為本實用新型的保護范[0020]請參閱圖1，一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置包括一用于檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸 出以及對環(huán)境參數(shù)進行測量的主控采集模塊I和一個或一個以上用于對光伏各匯流回路 的電流進行檢測的擴展數(shù)據(jù)采集模塊2，主控采集模塊I和擴展數(shù)據(jù)采集模塊2通過內部 總線3進行連接，內部總線3至少包括一通信線路，實現(xiàn)主控采集模塊I和擴展數(shù)據(jù)采集模 塊2之間的數(shù)據(jù)交換。所述的主控采集模塊I主要提供對輻照、風速、溫度、濕度等環(huán)境條 件的測量；對光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓進行檢測；查詢擴展數(shù)據(jù)采集模塊2各匯流回路的 電流；實現(xiàn)開關量輸入狀態(tài)的檢測以及開關量輸出的控制；實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)通信以及 測量參數(shù)的顯示和參數(shù)的設置。擴展數(shù)據(jù)采集模塊2主要完成各匯流回路電流的檢測，并 將電流檢測結果通過內部總線3送至主控采集模塊I進行處理。內部總線3的通信線路為 I2C, SPI和RS485總線中的一種或一種以上。[0021]請參閱圖2，所述的主控采集模塊I包括第一微處理器電路11、輔助電源電路12、 第一接口電路13、開入電路14、開出電路15、顯示電路16、按鍵電路17、通信電路18和采集 電路19。輔助電源電路12與第一接口電路13連接，通過第一接口電路13為擴展數(shù)據(jù)采集 模塊2提供電源；同時，輔助電源電路12還與主控采集模塊I的其他各個電路連接，為其他 各個電路提供電源。所述第一微處理器電路11與第一接口電路13連接，通過第一接口電 路13查詢擴展數(shù)據(jù)采集模塊2各匯流回路的電流，實現(xiàn)主控采集模塊I與擴展數(shù)據(jù)采集模 塊2之間的通信。第一微處理器電路11與開入電路14和開出電路15連接，進行開入量采 集和開出量的處理；第一微處理器電路11與顯示電路16、按鍵電路17以及通信電路18連 接，其中，顯示電路11用于測量值的顯示，按鍵電路17作為人機操作的接口可進行參數(shù)設 置，通信電路18提供與上位機的通信接口。請再次參閱圖2，所述的采集電路19包括DCO 1000V采集電路19UDC0 (4) 20mA采集電路192,DCO IOOmV采集電路193,DCO IOV 采集電路194和PtlOO溫度采集電路195，第一微處理器電路11與DCO 1000V采集電路 191、DCO (4) 20mA采集電路192、DCO IOOmV采集電路193、DCO IOV采集電路194 以及PtlOO溫度采集電路195連接，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓進行檢測，對輻照、風速、溫 度、濕度等環(huán)境參數(shù)進行測量。[0022]請參閱圖3為主控采集模塊I的輔助電源電路12的電路圖。所述的輔助電源電路 12 包括二極管 D2 D5、D11、D13 D16、電容 C8、C9、C10、CU、C24、C27、C28、C30 C43、 電阻 R37、R38、R46、R84、R85、R91、R93、R94、RlOO R103、R107、R108、R112、穩(wěn)壓二極管 FV1、FV2、D12、MOS晶體管V28、開關電源芯片N13、開關變壓器Tl、光耦N14、第一電源芯片 N3、電感L2、L3、電壓基準二極管N15、第二電源芯片N16、第一 DC-DC芯片P1、第二 DC-DC芯 片P2和線性降壓芯片N5。電路的輸入采用AC160 700V或DC200 1000V的外部電源， 外部電源經過開關變壓器Tl、MOS晶體管V28、開關電源芯片N13后生成三路輸出，一路經 二極管D13、第一電源芯片N3、電感L3后輸出24V直流電源+ 24V1，一路經二極管D15、電 感L2后生成5V直流電源+ 5V1，另一路經二極管D14、第二電源芯片N16生成12V直流電 源電源+ 12V。24V直流電源+ 24V1經第一 DC-DC芯片Pl生成第一直流隔離電源+24V2 ； 5V直流電源+ 5V1經第二 DC-DC芯片P2生成第二直流隔離電源+5V2 ； 5V直流電源+ 5V1 經線性降壓芯片N5生成3. 3V直流電源+3V3，二極管D2、D3、D4、D5在輸入交流電源時用于 整流，在輸入直流電源時用于防反接入保護。MOS晶體管V28的作用是當輸入電壓超過開關電源芯片N13的耐壓時對開關電源芯片N13承受的電壓進行分壓，從而保證開關電源芯片 N13承受的電壓始終在允許范圍內，保證整個電源的工作可靠性。在本實施例中，開關電源 芯片N13采用TNY27X，光耦N14采用PC817，第一電源芯片N3采用LM5007，第二電源芯片 N16采用78L12，第一 DC-DC芯片Pl采用B2424，第二 DC-DC芯片P2采用IB0505，線性降壓 芯片N5采用TPS76333。[0023]請參閱圖4，所述的采集電路19還包括第一多路選通電路，所述的第一多路選通 電路包括第一多路選通芯片N7、電阻R39 R41，三極管V25 V27。采集電路19的各采集 電路信號經第一多路選通電路選通后通過三極管V25 V27的基極S2、S1、SO以及第一多 路選通芯片N7的3腳輸入第一微處理器電路11進行工作。在本實施例中，第一多路選通芯 片N7采用74HC4051D。所述的采集電路19以DCO 1000V采集電路191以及PtlOO溫度 采集電路195為例，所述的DCO 1000V采集電路191包括插座X14、電阻R87、R88、R105、 R106、Rl 11、電容C46、C47、線性光耦N20和運算放大器N17A、N17B、N18A，在本實施例中，線 性光藕N20采用HCNR201，線性光藕N20的作用是在保證信號安全隔離的前提下實現(xiàn)了對 輸入電壓的可靠測量。電路將通過插座X14輸入的O 1000V直流電壓信號經電阻R105、 R106分壓后送入運算放大器N17A、N17B，此處，運算放大器N17A被設計成電壓跟隨器，運算 放大器N17B被設計成線性光耦N20的負反饋輸入。線性光耦N20的輸出端接運算放大器 N18A，此處運算放大器N18A為電壓跟隨器，用于增加線性光藕輸出信號的驅動能力。運算 放大器N18A的I腳和2腳連接并成為該采集電路的輸出端，連接至第一多路選通電路的第 一多路選通芯片N7的13腳,輸出信號經第一多路選通電路選通后輸入第一微處理器電路 11進行工作。線性光藕N20的輸出系數(shù)可以通過電阻R88、Rlll進行調節(jié)。所述的PtlOO 溫度采集電路195包括插座Tl、電壓參考二極管N19、三極管V21和電阻R86、R92，在本實施 例中，電壓參考二極管N19采用LM285。熱敏電阻PtlOO通過插座X7的2腳與三極管V21 的集電極連接，并連接至第一多路選通電路中的第一多路選通芯片N7的2腳，經第一多路 選通電路選通后輸入第一微處理器電路11進行工作。在該電路中，使用了電壓參考二極管 N19的恒流源設計，保證熱敏電阻PtlOO上流過的電流恒定。在不同溫度下熱敏電阻PtlOO 的阻值的變化會引起采樣電壓的變化，從而實現(xiàn)對溫度的測量。[0024]請參閱圖5，所述的第一微處理器電路11包括微處理器N9、電容C12 C15、 C17、C18、C21和電阻R47 R78、R81、R98、R99，在本實施例中，所述的微處理器N9采用 MSP430F67。第一微處理器電路11是主控米集模塊I的核心，一方面與擴展數(shù)據(jù)米集模塊2 進行通信讀取各匯流回路電流的測量值；另一方面還要對模擬量測量、開入開出、測量值的 顯示以及與上位機的通信進行控制。微處理器N9的1、61、62、63腳與采集電路19連接，用 于模擬量的測量；12 14腳連接RS485通信模塊，實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)通信；24、25腳與開 出電路15連接，用于開出的控制，33、34腳連接至第一接口電路13，用于與擴展數(shù)據(jù)采集模 塊2的通信，38 40腳與開入電路14連接，用于開入量的檢測，41 56腳與顯示電路16 連接，用于顯示控制；67 74腳與按鍵電路17連接，作為人機操作接口進行按鍵采集。電 阻R81和電容C21為微處理器N9提供復位信號。電阻R98、R99用于內部總線的上拉。其 余電阻都用于對微處理器N9的管腳的限流。微處理器N9采用內部振蕩器提供的頻率信號 進行工作。[0025]請參閱圖6，為擴展數(shù)據(jù)采集模塊2的電路框圖。擴展數(shù)據(jù)采集模塊2包括電源電路21、第二接口電路22、第二微處理器電路23和一個或一個以上的電流采集電路24，在本 實施例中，第二微處理器電路23采用MSP430F672X。電源電路21與第二接口電路22和第 二微處理器電路23連接，電源電路21將通過第二接口電路22從主控采集模塊I獲得的電 源進行處理后為擴展數(shù)據(jù)采集模塊2的其他各電路供電。第二微處理器電路23與電流采集 電路24連接，實現(xiàn)對電流信號的采集；同時第二微處理器電路23與第二接口電路22連接， 通過第二接口電路22實現(xiàn)與主控采集模塊I的信息交互。電流采集電路24對多個光伏匯 流回路電流進行測量，并由第二微處理器電路23控制通過內部總線傳輸給主控采集模塊I 進行處理。第二微處理器電路23采用內部振蕩器提供的頻率信號進行工作。[0026]請參閱圖7，所述的擴展數(shù)據(jù)采集模塊2的電源電路圖包括電容C6、C22、C23、C29、 C25、C26，電阻R82、R83、R89、R90、第一集成電路芯片N2、第二集成電路芯片N4，二極管Dl和 電感LI，在本實施例中，所述的第一集成電路芯片N2采用LM5007，第二集成電路芯片N4采 用TPS76333。通過第一集成電路芯片N2將從主控采集模塊輸入的24V電源轉換為+5V直 流電源+5V’，通過第二集成電路芯片N4將+5V直流電源+5V’轉換成3. 3V直流電源+3V3。[0027]請參閱圖8，所述的擴展數(shù)據(jù)采集模塊2以一路電流采集電路24為例進行說明。 擴展數(shù)據(jù)采集模塊2還包括第二多路選通電路，所述的第二多路選通電路包括第二多路選 通芯片N6，電阻R21、R22、R25，三極管V22 V24。各電流采集電路經第二多路選通電路選 通后通過三極管V22 V24的基極S4 S6以及第二多路選通芯片N6的3腳輸入第二微 處理器電路23進行工作。第二多路選通芯片N6采用74HC4051D。所述的電流采集電路24 包括插座X1、霍爾傳感器芯片NI和電容C7、C19。在本實施例中，霍爾傳感器芯片NI采用 ACS712。電容C7和電容C19為濾波電容，霍爾傳感器芯片NI通過插座Xl與光伏匯流回路 連接，將光伏匯流回路的直流電流信號轉換為第二微處理器電路23采樣的信號，同時也實 現(xiàn)了采樣回路與主回路的安全隔離。霍爾傳感器芯片NI的7腳與第二多路選通電路的第二 多路選通芯片N6的13腳連接，經第二多路選通電路選通后輸入第二微處理器電路23進行 工作?；魻杺鞲衅餍酒琋I也可以用其他傳感元件代替，如基于電阻分壓原理的分流器等。[0028]本實用新型采用了上述結構，能靈活地調整采集模塊的路數(shù)，實現(xiàn)了多采集模塊 的擴展；主控采集模塊I和擴展數(shù)據(jù)采集模塊2之間的數(shù)據(jù)通信具有可靠的數(shù)據(jù)校驗功 能，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；所采用的微處理器內部集成有PGA、SDAD、溫度采集模塊和 EEPROM FLASH等功能，精簡了外圍電路，提高了系統(tǒng)可靠性并大大降低了成本，克服了現(xiàn)有 技術的缺點，達到了發(fā)明目的。
權利要求1.一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于包括一用于檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出以及對環(huán)境參數(shù)進行測量的主控采集模塊(I)和一個或一個以上用于對光伏各匯流回路的電流進行檢測的擴展數(shù)據(jù)采集模塊(2)，主控采集模塊(I)和擴展數(shù)據(jù)采集模塊(2)通過內部總線(3)進行連接，內部總線(3)至少包括一通信線路，實現(xiàn)主控采集模塊(I)和擴展數(shù)據(jù)采集模塊(2)之間的數(shù)據(jù)交換。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的主控采集模塊(I)包括第一微處理器電路(11)、輔助電源電路(12)、第一接口電路(13)、開入電路(14)、開出電路(15)、顯示電路(16)、按鍵電路(17)、通信電路(18)和采集電路(19)，所述第一微處理器電路(11)與第一接口電路(13)、開入電路(14)、開出電路(15)、顯示電路(16)、按鍵電路(17)、通信電路(18)以及采集電路(19)連接，輔助電源電路(12)與第一接口電路(13)連接，通過第一接口電路(13)為擴展數(shù)據(jù)采集模塊(2)提供電源；輔助電源電路(12)還與第一微處理器電路(11)、開入電路(14)、開出電路(15)、顯示電路(16)、按鍵電路(17)、通信電路(18)和采集電路(19)連接，為各個電路提供電源。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的采集電路(19)包括DCO 1000V采集電路(191)、DCO (4) 20mA采集電路(192)、DCO IOOmV采集電路(193)、DC0 IOV采集電路(194)和PtlOO溫度采集電路(195)，DCO 1000V采集電路(191)、DCO (4) 20mA采集電路(192)、DCO IOOmV采集電路(193)、DCO IOV采集電路(194)以及PtlOO溫度采集電路(195)分別與第一微處理器電路(11)連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的擴展數(shù)據(jù)采集模塊⑵包括電源電路(21)、第二接口電路(22)、第二微處理器電路(23)和一個或一個以上的電流采集電路(24)，電源電路(21)與第二接口電路(22)以及第二微處理器電路(23)連接，第二微處理器電路(23)與第二接口電路(22)以及電流采集電路(24)連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的內部總線(3)的通信線路為I2C、SPI和RS485總線中的一種或一種以上。
專利摘要一種智能光伏匯流數(shù)據(jù)采集裝置，屬于光伏電池智能監(jiān)控技術領域。包括一用于檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出以及對環(huán)境參數(shù)進行測量的主控采集模塊和一個或一個以上用于對光伏各匯流回路的電流進行檢測的擴展數(shù)據(jù)采集模塊，主控采集模塊和擴展數(shù)據(jù)采集模塊通過內部總線進行連接，內部總線至少包括一通信線路，實現(xiàn)主控采集模塊和擴展數(shù)據(jù)采集模塊之間的數(shù)據(jù)交換。優(yōu)點方便用戶選用，提高使用的靈活性；保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；精簡外圍電路，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本；能對光伏發(fā)電系統(tǒng)DC1000V及以下的輸出電壓進行檢測，并能對光伏發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)進行測量，還可實現(xiàn)對多路電流、功率的檢測；具有開關量輸入和輸出功能。
文檔編號G01R31/00GK202870216SQ201220565400
公開日2013年4月10日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權日2012年10月31日
發(fā)明者殷建強, 邵建國, 孫芝雨, 黃震 申請人:常熟開關制造有限公司(原常熟開關廠)