一种智能光伏汇流数据采集装置

1.一种智能光伏汇流数据采集装置，其特征在于包括一用于检测光伏发电系统的输出以及对环境参数进行测量的主控采集模块(1)和一个或一个以上用于对光伏各汇流回路的电流进行检测的扩展数据采集模块(2)，主控采集模块(1)和扩展数据采集模块(2)通过内部总线(3)进行连接，内部总线(3)至少包括一通信线路，实现主控采集模块(1)和扩展数据采集模块(2)之间的数据交换。
2.根据权利要求1所述的一种智能光伏汇流数据采集装置，其特征在于所述的主控采集模块(1)包括第一微处理器电路(11)、辅助电源电路(12)、第一接口电路(13)、开入电路(14)、开出电路(15)、显示电路(16)、按键电路(17)、通信电路(18)和采集电路(19)，所述第一微处理器电路(11)与第一接口电路(13)、开入电路(14)、开出电路(15)、显示电路(16)、按键电路(17)、通信电路(18)以及采集电路(19)连接，辅助电源电路(12)与第一接口电路(13)连接，通过第一接口电路(13)为扩展数据采集模块(2)提供电源；辅助电源电路(12)还与第一微处理器电路(11)、开入电路(14)、开出电路(15)、显示电路(16)、按键电路(17)、通信电路(18)和采集电路(19)连接，为各个电路提供电源。
3.根据权利要求2所述的一种智能光伏汇流数据采集装置，其特征在于所述的采集电路(19)包括DC0～1000V采集电路（191）、DC0（4）～20mA采集电路（192）、DC0～100mV采集电路(193)、DC0～10V采集电路(194)和Pt100温度采集电路(195)，DC0～1000V采集电路(191)、DC0（4）～20mA采集电路(192)、DC0～100mV采集电路(193)、DC0～10V采集电路(194)以及Pt100温度采集电路(195)分别与第一微处理器电路(11)连接。
4.根据权利要求1所述的一种智能光伏汇流数据采集装置，其特征在于所述的扩展数据采集模块(2)包括电源电路(21)、第二接口电路(22)、第二微处理器电路(23)和一个或一个以上的电流采集电路(24)，电源电路(21)与第二接口电路(22)以及第二微处理器电路(23)连接，第二微处理器电路(23)与第二接口电路(22)以及电流采集电路(24)连接。
5.根据权利要求1所述的一种智能光伏汇流数据采集装置，其特征在于所述的内部总
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线(3)的通信线路为IC、SPI和RS485总线中的一种或一种以上。

一种智能光伏汇流数据采集装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于光伏电池智能监控技术领域，具体涉及一种智能光伏汇流数据采集装置。
背景技术
[0002] 随着新能源技术的不断发展，人们对于太阳能这种绿色能源的关注度持续升温。
基于太阳能光伏发电技术的逐步推广，太阳能光伏汇流箱的需求正逐渐增加。在光伏发电系统中，数量庞大的光伏电池组件进行串并组合才能达到需要的电压电流值，以使发电效率达到最佳。光伏汇流箱的主要作用就是对光伏电池阵列的输入进行一级汇流，用于减少光电池阵列接入到逆变器的连线，优化系统结构，提高可靠性和可维护性。智能光伏汇流采集装置作为光伏汇流箱的重要元件，在太阳能发电系统中得到了广泛的应用。智能光伏采集装置主要对光伏电池阵列的电流、电压、功率进行测量，同时对断流、过流等故障进行报警。同时，还提供监测辐照、风速、温度、湿度等环境条件的功能，另外，还有开关量输入、输出、通信等功能。如中国实用新型专利授权公告号CN201966832U公开了一种多回路光伏直流汇流采集装置，它采用隔离型霍尔电流传感器代替传统的电磁式霍尔传感器来进行光电池电流检测，减小了产品体积并大大降低了成本；同时在CPU电路外围配置了通讯电路和显示设置电路，使该汇流采集装置具有更多功能；另外采用多种方式进行信号输入，大大提高了其应用范围。但该专利存在以下几个缺点：1.至多只能实现两个采集模块的扩展；
2.汇流采集模块的模数转换输出与数据存储电路复用后连接至微处理器的通用IO口，这样就无法实现采集数据的软件校验，数据传输易受干扰，可靠性低；3.设计了信号放大电路、模拟数字转换电路、数据存储电路和内部温度测量电路，大大增加了设计成本。
[0003] 鉴于上述已有技术，有必要对现有的光伏汇流数据采集装置进行改进，下面将要介绍的技术方案就是在这样的背景下产生的。
发明内容
[0004] 本实用新型的目的在于提供一种智能光伏汇流数据采集装置，能灵活的调整采集模块的路数，实现对电流、电压、功率和环境参数的测量，并具有对断流、过流、开入等故障情况进行报警的功能，大大提高了光伏发电系统的运行管理能力，实现自我诊断；同时还具有可扩展性。
[0005] 本实用新型的目的是这样来达到的，一种智能光伏汇流数据采集装置，特点是：包括一用于检测光伏发电系统的输出以及对环境参数进行测量的主控采集模块和一个或一个以上用于对光伏各汇流回路的电流进行检测的扩展数据采集模块，主控采集模块和扩展数据采集模块通过内部总线进行连接，内部总线至少包括一通信线路，实现主控采集模块和扩展数据采集模块之间的数据交换。
[0006] 在本实用新型的一个具体的实施例中，所述的主控采集模块包括第一微处理器电路、辅助电源电路、第一接口电路、开入电路、开出电路、显示电路、按键电路、通信电路和采集电路，所述第一微处理器电路与第一接口电路、开入电路、开出电路、显示电路、按键电路、通信电路以及采集电路连接，辅助电源电路与第一接口电路连接，通过第一接口电路为扩展数据采集模块提供电源；辅助电源电路还与第一微处理器电路、开入电路、开出电路、显示电路、按键电路、通信电路和采集电路连接，为各个电路提供电源。
[0007] 在本实用新型的另一个具体的实施例中，所述的采集电路包括DC0～1000V采集电路、DC0（4）～20mA采集电路、DC0～100mV采集电路、DC0～10V采集电路和Pt100温度采集电路，DC0～1000V采集电路、DC0（4）～20mA采集电路、DC0～100mV采集电路、DC0～10V采集电路以及Pt100温度采集电路分别与第一微处理器电路连接。
[0008] 在本实用新型的又一个具体的实施例中，所述的扩展数据采集模块包括电源电路、第二接口电路、第二微处理器电路和一个或一个以上的电流采集电路，电源电路与第二接口电路以及第二微处理器电路连接，第二微处理器电路与第二接口电路以及电流采集电路连接。
[0009] 在本实用新型的再一个具体的实施例中，所述的内部总线的通信线路为I2C、SPI和RS485总线中的一种或一种以上。
[0010] 本实用新型由于采用了上述结构，与现有技术相比，具有的有益效果是：采用模块化设计，可选用多个扩展数据采集模块进行电流采集通道的扩展，从而可以实现4路、8路、
12路、16路及以上的电流采集，方便用户的选用，提高了使用的灵活性；主控采集模块和扩展数据采集模块之间的数据通信具有可靠的数据校验功能，保证了数据传输的可靠性；采用内部集成有PGA、SDAD、温度采集模块和EEPROM FLASH等功能的微处理器，精简了外围电路，提高了系统可靠性并大大降低了成本；通过主控采集模块中的采集电路能对光伏发电系统DC1000V及以下的输出电压进行检测，并能对光伏发电系统的环境参数如辐照、温度、湿度、风速等进行测量，还可实现对多路电流、功率等的检测，精度可达0.5%；具有开关量输入功能，能检测直流断路器和浪涌保护器的工作状态；具有开关量输出功能，能输出继电器节点信号。
附图说明
[0011] 图1为本实用新型的原理框图。
[0012] 图2为主控采集模块的电路框图。
[0013] 图3为主控采集模块的辅助电源电路的电路图。
[0014] 图4为主控采集模块中的采集电路的电路图。
[0015] 图5为主控采集模块中的第一微处理器电路的电路图。
[0016] 图6为扩展数据采集模块的电路框图。
[0017] 图7为扩展数据采集模块的电源电路的电路图。
[0018] 图8为扩展数据采集模块中的电流采集电路的电路图。
具体实施方式
[0019] 为了使公众能充分了解本实用新型的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本实用新型的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本实用新型构思作形式而非实质的变化都应当视为本实用新型的保护范围。
[0020] 请参阅图1，一种智能光伏汇流数据采集装置包括一用于检测光伏发电系统的输出以及对环境参数进行测量的主控采集模块1和一个或一个以上用于对光伏各汇流回路的电流进行检测的扩展数据采集模块2，主控采集模块1和扩展数据采集模块2通过内部总线3进行连接，内部总线3至少包括一通信线路，实现主控采集模块1和扩展数据采集模块2之间的数据交换。所述的主控采集模块1主要提供对辐照、风速、温度、湿度等环境条件的测量；对光伏发电系统的输出电压进行检测；查询扩展数据采集模块2各汇流回路的电流；实现开关量输入状态的检测以及开关量输出的控制；实现与上位机的数据通信以及测量参数的显示和参数的设置。扩展数据采集模块2主要完成各汇流回路电流的检测，并将电流检测结果通过内部总线3送至主控采集模块1进行处理。内部总线3的通信线路为
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IC、SPI和RS485总线中的一种或一种以上。
[0021] 请参阅图2，所述的主控采集模块1包括第一微处理器电路11、辅助电源电路12、第一接口电路13、开入电路14、开出电路15、显示电路16、按键电路17、通信电路18和采集电路19。辅助电源电路12与第一接口电路13连接，通过第一接口电路13为扩展数据采集模块2提供电源；同时，辅助电源电路12还与主控采集模块1的其他各个电路连接，为其他各个电路提供电源。所述第一微处理器电路11与第一接口电路13连接，通过第一接口电路13查询扩展数据采集模块2各汇流回路的电流，实现主控采集模块1与扩展数据采集模块2之间的通信。第一微处理器电路11与开入电路14和开出电路15连接，进行开入量采集和开出量的处理；第一微处理器电路11与显示电路16、按键电路17以及通信电路18连接，其中，显示电路11用于测量值的显示，按键电路17作为人机操作的接口可进行参数设置，通信电路18提供与上位机的通信接口。请再次参阅图2，所述的采集电路19包括DC0～
1000V采集电路191、DC0（4）～20mA采集电路192、DC0～100mV采集电路193、DC0～10V采集电路194和Pt100温度采集电路195，第一微处理器电路11与DC0～1000V采集电路
191、DC0（4）～20mA采集电路192、DC0～100mV采集电路193、DC0～10V采集电路194以及Pt100温度采集电路195连接，对光伏发电系统的输出电压进行检测，对辐照、风速、温度、湿度等环境参数进行测量。
[0022] 请参阅图3为主控采集模块1的辅助电源电路12的电路图。所述的辅助电源电路
12包括二极管D2～D5、D11、D13～D16、电容C8、C9、C10、C11、C24、C27、C28、C30～C43、电阻R37、R38、R46、R84、R85、R91、R93、R94、R100～R103、R107、R108、R112、稳压二极管FV1、FV2、D12、MOS晶体管V28、开关电源芯片N13、开关变压器T1、光耦N14、第一电源芯片N3、电感L2、L3、电压基准二极管N15、第二电源芯片N16、第一DC-DC芯片P1、第二DC-DC芯片P2和线性降压芯片N5。电路的输入采用AC160～700V或DC200～1000V的外部电源，外部电源经过开关变压器T1、MOS晶体管V28、开关电源芯片N13后生成三路输出，一路经二极管D13、第一电源芯片N3、电感L3后输出24V直流电源＋24V1，一路经二极管D15、电感L2后生成5V直流电源＋5V1，另一路经二极管D14、第二电源芯片N16生成12V直流电源电源＋12V。24V直流电源＋24V1经第一DC-DC芯片P1生成第一直流隔离电源+24V2；
5V直流电源＋5V1经第二DC-DC芯片P2生成第二直流隔离电源+5V2； 5V直流电源＋5V1经线性降压芯片N5生成3.3V直流电源+3V3，二极管D2、D3、D4、D5在输入交流电源时用于整流，在输入直流电源时用于防反接入保护。MOS晶体管V28的作用是当输入电压超过开关电源芯片N13的耐压时对开关电源芯片N13承受的电压进行分压，从而保证开关电源芯片N13承受的电压始终在允许范围内，保证整个电源的工作可靠性。在本实施例中，开关电源芯片N13采用TNY27X，光耦N14采用PC817，第一电源芯片N3采用LM5007，第二电源芯片N16采用78L12，第一DC-DC芯片P1采用B2424，第二DC-DC芯片P2采用IB0505，线性降压芯片N5采用TPS76333。
[0023] 请参阅图4，所述的采集电路19还包括第一多路选通电路，所述的第一多路选通电路包括第一多路选通芯片N7、电阻R39～R41，三极管V25～V27。采集电路19的各采集电路信号经第一多路选通电路选通后通过三极管V25～V27的基极S2、S1、S0以及第一多路选通芯片N7的3脚输入第一微处理器电路11进行工作。在本实施例中，第一多路选通芯片N7采用74HC4051D。所述的采集电路19以DC0～1000V采集电路191以及Pt100温度采集电路195为例，所述的DC0～1000V采集电路191包括插座X14、电阻R87、R88、R105、R106、R111、电容C46、C47、线性光耦N20和运算放大器N17A、N17B、N18A，在本实施例中，线性光藕N20采用HCNR201，线性光藕N20的作用是在保证信号安全隔离的前提下实现了对输入电压的可靠测量。电路将通过插座X14输入的0～1000V直流电压信号经电阻R105、R106分压后送入运算放大器N17A、N17B，此处，运算放大器N17A被设计成电压跟随器，运算放大器N17B被设计成线性光耦N20的负反馈输入。线性光耦N2O的输出端接运算放大器N18A，此处运算放大器N18A为电压跟随器，用于增加线性光藕输出信号的驱动能力。运算放大器N18A的1脚和2脚连接并成为该采集电路的输出端，连接至第一多路选通电路的第一多路选通芯片N7的13脚，输出信号经第一多路选通电路选通后输入第一微处理器电路
11进行工作。线性光藕N20的输出系数可以通过电阻R88、R111进行调节。所述的Pt100温度采集电路195包括插座X7、电压参考二极管N19、三极管V21和电阻R86、R92，在本实施例中，电压参考二极管N19采用LM285。热敏电阻Pt100通过插座X7的2脚与三极管V21的集电极连接，并连接至第一多路选通电路中的第一多路选通芯片N7的2脚，经第一多路选通电路选通后输入第一微处理器电路11进行工作。在该电路中，使用了电压参考二极管N19的恒流源设计，保证热敏电阻Pt100上流过的电流恒定。在不同温度下热敏电阻Pt100的阻值的变化会引起采样电压的变化，从而实现对温度的测量。
[0024] 请参阅图5，所述的第一微处理器电路11包括微处理器N9、电容C12～C15、C17、C18、C21和电阻R47～R78、R81、R98、R99，在本实施例中，所述的微处理器N9采用MSP430F67。第一微处理器电路11是主控采集模块1的核心，一方面与扩展数据采集模块2进行通信读取各汇流回路电流的测量值；另一方面还要对模拟量测量、开入开出、测量值的显示以及与上位机的通信进行控制。微处理器N9的1、61、62、63脚与采集电路19连接，用于模拟量的测量；12～14脚连接RS485通信模块，实现与上位机的数据通信；24、25脚与开出电路15连接，用于开出的控制，33、34脚连接至第一接口电路13，用于与扩展数据采集模块2的通信，38～40脚与开入电路14连接，用于开入量的检测，41～56脚与显示电路16连接，用于显示控制；67～74脚与按键电路17连接，作为人机操作接口进行按键采集。电阻R81和电容C21为微处理器N9提供复位信号。电阻R98、R99用于内部总线的上拉。其余电阻都用于对微处理器N9的管脚的限流。微处理器N9采用内部振荡器提供的频率信号进行工作。
[0025] 请参阅图6，为扩展数据采集模块2的电路框图。扩展数据采集模块2包括电源电路21、第二接口电路22、第二微处理器电路23和一个或一个以上的电流采集电路24，在本实施例中，第二微处理器电路23采用MSP430F672X。电源电路21与第二接口电路22和第二微处理器电路23连接，电源电路21将通过第二接口电路22从主控采集模块1获得的电源进行处理后为扩展数据采集模块2的其他各电路供电。第二微处理器电路23与电流采集电路24连接，实现对电流信号的采集；同时第二微处理器电路23与第二接口电路22连接，通过第二接口电路22实现与主控采集模块1的信息交互。电流采集电路24对多个光伏汇流回路电流进行测量，并由第二微处理器电路23控制通过内部总线传输给主控采集模块1进行处理。第二微处理器电路23采用内部振荡器提供的频率信号进行工作。
[0026] 请参阅图7，所述的扩展数据采集模块2的电源电路图包括电容C6、C22、C23、C29、C25、C26，电阻R82、R83、R89、R90、第一集成电路芯片N2、第二集成电路芯片N4，二极管D1和电感L1，在本实施例中，所述的第一集成电路芯片N2采用LM5007，第二集成电路芯片N4采用TPS76333。通过第一集成电路芯片N2将从主控采集模块输入的24V电源转换为+5V直流电源+5V’，通过第二集成电路芯片N4将+5V直流电源+5V’转换成3.3V直流电源+3V3。
[0027] 请参阅图8，所述的扩展数据采集模块2以一路电流采集电路24为例进行说明。
扩展数据采集模块2还包括第二多路选通电路，所述的第二多路选通电路包括第二多路选通芯片N6，电阻R21、R22、R25，三极管V22～V24。各电流采集电路经第二多路选通电路选通后通过三极管V22～V24的基极S4～S6以及第二多路选通芯片N6的3脚输入第二微处理器电路23进行工作。第二多路选通芯片N6采用74HC4051D。所述的电流采集电路24包括插座X1、霍尔传感器芯片N1和电容C7、C19。在本实施例中，霍尔传感器芯片N1采用ACS712。电容C7和电容C19为滤波电容，霍尔传感器芯片N1通过插座X1与光伏汇流回路连接，将光伏汇流回路的直流电流信号转换为第二微处理器电路23采样的信号，同时也实现了采样回路与主回路的安全隔离。霍尔传感器芯片N1的7脚与第二多路选通电路的第二多路选通芯片N6的13脚连接，经第二多路选通电路选通后输入第二微处理器电路23进行工作。霍尔传感器芯片N1也可以用其他传感元件代替，如基于电阻分压原理的分流器等。
[0028] 本实用新型采用了上述结构，能灵活地调整采集模块的路数，实现了多采集模块的扩展；主控采集模块1和扩展数据采集模块2之间的数据通信具有可靠的数据校验功能，保证了数据传输的可靠性；所采用的微处理器内部集成有PGA、SDAD、温度采集模块和EEPROM FLASH等功能，精简了外围电路，提高了系统可靠性并大大降低了成本，克服了现有技术的缺点，达到了发明目的。