一種基於光伏組件數據監控系統的高精度測量方法與流程
2023-10-18 17:08:59
本發明涉及光伏組件數據監控領域，尤其涉及的是一種基於光伏組件數據監控系統的高精度測量方法。
背景技術：
近幾年中，分布式電站開始快速發展起來，隨著電站數目的增加，人們越來越重視光伏電站的管理工作；許多企業也開始著手建立起一套完整的光伏組件數據監控系統，見圖3，在這個系統中，人們將組件、匯流箱、逆變器、氣象監測儀的相關數據上傳到雲端，之後進行相應的處理，來實現對電站的監控管理。
在這個光伏組件數據監控系統中，急需解決的問題之一就是組件的電流測量精度不高的問題，對於分布式電站，一串中的若干個組件雖然串聯在一起，理論上電流一樣大，但是由於測量精度不高，導致測量出的同組串組件電流差距較大；如果電流的測量精度越高，則相應的組件發電功率，組件產生的電能也就越準確，則上傳至雲端的數據也就更加可靠；對於組件的電流測量也就是通過一定的硬體電路將電流信號轉化為電壓信號，通過ad採集獲得想要的數據。
目前現有的技術通過在軟體上對採集的電流信號進行優化，來解決組件電流測量精度不高的問題，或者通過在硬體電路設計上進行改善，來提高組件電流測量精度，組件電流測量精度的提高有助於對真實環境中的每塊組件的實際工作參數做一個很好的監督管理。
目前常用的組件電流測量方法中，比如將採集到的電流信號轉化為電壓信號後直接交給單片機來處理，通過軟體對數據優化，這樣提高了測量精度，但是也存在一些問題，比如，如果數據量大的話，這對單片機的數據處理速度有要求，需要選用處理速度快且ad精度較高的單片機，對應的成本也就有所提高，其次如果單片機測量的數據本身精度就不高，則即使通過軟體來彌補，誤差也會較大；或者是組件輸出的電流通過i/v轉換電路轉換後，通過放大電路處理，將電壓信號進行放大，然後進行測量；這樣由於放大電路可以將輸入的信號放大，排除了一些內在或外在因素對信號的幹擾,組件電流測量精度有所提高。
但存在的問題是放大電路一旦固定下來，對應的增益往往也就固定，然而對於組件來說靈活多變的周圍環境，導致組件的輸出電流範圍也不固定，此時這個信號放大電路使用範圍也就存在著局限性；同時，由於單片機的ad精度是有限的，如果輸入的信號取值範圍很大，此時用這個ad量程固定的單片機去採集這個信號，此時最小測量精度會很低，則測量精度就無法得到提高，而且以往的測量方法智能化程度不夠，或者是抗幹擾能力弱。
技術實現要素：
為了解決上述的問題，本發明提出了一種基於光伏組件數據監控領域的高精度測量方法，來提高組件電流的測量精度。
本發明是通過以下技術方案實現的：一種基於光伏組件數據監控系統的高精度測量方法，該方法基於光伏組件數據監控系統，該系統包括單片機單元、開關控制電路單元、運算放大電路單元、i/v轉換電路單元、光伏智能組件；
其中，該測量方法：
步驟s101，對一個固定輸入量程的信號進行分段，即把一個量程為[0-k]的信號平均分成n段，為信號段；這個可以通過單片機來控制開關斷開和閉合，讓對應量程的信號通過對應的通道；
步驟s102，在測量前要把一個完整的信號分成若干個小段的量程，每段量程與一組開關綁定，通過開關的通斷來實現對輸入信號的分段；通過單片機來控制放大電路中的一組開關的閉合，其它的開關處於斷開的狀態；
步驟s103，之後，進行ad採集，單片機對採集後的電流進行比較判斷；
如果該電流屬於第一段量程，則單片機將第一段量程對應的開關通道閉合，也就是k1閉合，k2……kn的開關斷開，開啟新一輪ad採集，讀取該有效數值；
步驟s104，接著，單片機開啟下一次數據採集，當採集數據完成後，單片機將採集的數據再次進行比較判斷；
如果仍然屬於自己所在的量程則測量的數據有效，讀取數值，繼續開啟下一次模擬採集；
如果此次不屬於自己所在的量程，即讀取的數值不在第一段量程，那麼進行比較判斷這個數值是否在第二段量程範圍內；
以此類推一直到第n個量程；哪段符合要求就切換到哪段量程內。
優選的，所述的步驟s101，其中，一個ad精度固定的單片機來說，如果單片機的測精度為m，則每段測量的最小精度為：
優選的，所述的單片機，選用型號為cc5233型號，其固定ad採集精度是2048。
優選的，所述信號段，為其每一段量程的臨界點設置自環控制模式。
優選的，所述自環控制模式，設置方式為，當採集數據達到臨界點位置時不做量程切換，當採集數據達到臨界點的120％時，單片機才開始進行開關的切換。
一種基於光伏組件數據監控系統的高精度測量方法，該方法所基於得光伏組件數據監控系統，該系統包括單片機單元、開關控制電路單元、運算放大電路單元、i/v轉換電路單元、光伏智能組件；
其中，所述的運算放大電路單元，這裡設計了三個運算放大電路(見圖6、圖7、圖8)，放大電路的最左端是輸入信號，最右端是輸出信號。
對於圖6來說，這是一個簡單的反向運算放大電路，可以實現對小信號的放大，該圖上一共有n只開關，分別是k1、k2、k3…kn，通過單片機引腳輸出高低電平，來控制開關的斷開和閉合，當第n個開關閉合時，其他的開關斷開時，
對於圖7來說，這是一個差分放大電路，該放大電路可以實現對共模信號的抑制，抗幹擾能力較強；該電路的反向端和正向端分別有k1，k2……kn個開關和kj1,kj2……kjn個開關，這些個開關的斷開和閉合同樣可以通過控制單片機的io來控制，在這個電路中，當第kn個開關和第kjn個開關閉合,其他的開關斷開時，
對於圖8來說，在圖6的基礎上做了一些改動，把運算放大器的正向端的電阻不在接地而是給一個參考電壓vref,在該電路中，當第n個開關kn閉合，其他的開關都斷開時，對應的輸出電壓是
對於上述三种放大電路裡面提到的開關，設計了兩種控制開關電路，分別見圖4和圖5。
圖4是一個單八路模擬開關，vdd接正向電壓，vee接反向電壓，vss接地，其中，該晶片採用型號為cd4051，該晶片的六號引腳是使能引腳，直接接地，9、10、11這三個引腳和單片機引腳相連接，引腳的電平可以通過與其相連接的單片機io口來控制；這個單八路模擬開關工作的原理也就是依靠9、10、11三個引腳的電平，來控制該圖『0』『1』…『7』一共八個通道的斷開和閉合。
對於圖6這個開關控制電路設計的相對簡單，這個pnp三級管的發射極接單片機的控制引腳，基極和集電極分別接反饋電阻的兩端。當單片機與發射極相連接的引腳輸出高電平時集電極和基極導通。
方法上，把一個量程為[0-k]的信號平均分成n段(這個分段的多少根據實際需要)，那麼對於一個ad精度固定的單片機來說，如果單片機的測精度為m，則每段測量的最小精度為：
如果對這個量程為[0-k]的信號，不進行分段，那麼對於一個ad精度為m的單片機來說，則測量的最小精度為：
通過比較上面這個兩個最小精度可以知道可見採用分段測量的話，最小測量精度更小，則測量精度更高。
本發明相比現有技術具有以下優點：
1、本發明相比較於其它的傳統組件電流測量方法，測量精度高；
2、本發明採用分段式測量方法，把一個固定量程分成若干段量程，分段越多，則測量的精度也就越高；
3、本測量方法具有自適應功能，由於使用到單片進行控制，可以根據實際的測量結果進行判斷當前的結果是否在劃分的量程段內，如若不在,則切換到對應量程段的放大電路，繼續進行測量判斷；
4、本測量使用了差分放大電路可以有效抑制共模信號，抗幹擾能力強。
附圖說明
圖1為本發明的一種基於光伏組件數據監控系統的高精度測量方法的流程圖；
圖2為本發明的一種基於光伏組件數據監控系統的系統原理框圖；
圖3為本發明的一種基於光伏組件數據監控系統的系統結構框圖；
圖4為本發明的一種基於光伏組件數據監控系統的智能控制開關電路圖；
圖5為本發明的一種基於光伏組件數據監控系統的簡單控制開關電路圖；
圖6為本發明的一種基於光伏組件數據監控系統的簡單反向運算放大電路圖；
圖7為本發明的一種基於光伏組件數據監控系統的差分放大電路圖；
圖8為本發明的一種基於光伏組件數據監控系統的複雜反向運算放大電路圖圖。
具體實施方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
如圖1所示，本實施例提供一種基於光伏組件數據監控系統的高精度測量方法，該方法基於光伏組件數據監控系統，該系統包括單片機單元、開關控制電路單元、運算放大電路單元、i/v轉換電路單元、光伏智能組件；
其中，該測量方法：
步驟s101，對一個固定輸入量程的信號進行分段，即把一個量程為[0-k]的信號平均分成n段，為信號段；這個可以通過單片機來控制開關斷開和閉合，讓對應量程的信號通過對應的通道；
步驟s102，在測量前要把一個完整的信號分成若干個小段的量程，每段量程與一組開關綁定，通過開關的通斷來實現對輸入信號的分段；通過單片機來控制放大電路中的一組開關的閉合，其它的開關處於斷開的狀態；
步驟s103，之後，進行ad採集，單片機對採集後的電流進行比較判斷；
如果該電流屬於第一段量程，則單片機將第一段量程對應的開關通道閉合，也就是k1閉合，k2……kn的開關斷開，開啟新一輪ad採集，讀取該有效數值；
步驟s104，接著，單片機開啟下一次數據採集，當採集數據完成後，單片機將採集的數據再次進行比較判斷；
如果仍然屬於自己所在的量程則測量的數據有效，讀取數值，繼續開啟下一次模擬採集；
如果此次不屬於自己所在的量程，即讀取的數值不在第一段量程，那麼進行比較判斷這個數值是否在第二段量程範圍內；
以此類推一直到第n個量程；哪段符合要求就切換到哪段量程內。
在下面這個具體的描述中，首先要強調的是，硬體放大電路選擇的是圖6；組件的輸出電流是[0a-10a],為了提高數據的測量精度，我把組件的電流取值範圍分為三段，分別是[0a-3.3a],[3.3a-6.6a],[6.6a-10a],目的是讓處在這三個段內的電流信號分別流過各自對應的通道，將一個大範圍的信號以分段的方式，劃分為一個個小範圍的信號。
對於範圍在[0a-10a]的電流信號，這裡的單片機的固定ad採集精度是2048，則
也就是說此時的最小測量精度是0.0048a,如果按照上面所述的分析方法，對組件輸出的電流進行分段，則對於[0a-3.3a]來說，最小測量精度是
對於[3.3a-6.6a]段來說，最小測量精度是
對於[6.6a-10a]範圍內，最小測量精度是
相比較前面提到的0.0048a，精度提高了3倍多；這對解決使用單片機的有限ad採樣精度去測量取值較大的採樣數據時精度不高的問題提供了一個可行的解決方法。
在這裡需要說明的是，由於採集的是每塊組件的電流信號，組件的電流信號變化並沒有那麼快，單片機的數據處理速度很快，當輸入信號經過一個較為安全的放大電路之後(電路的放大增益提前設計好防止輸出的電壓過高把單片機燒壞)，將電壓值轉化為電流，單片機可以判斷出電流在哪個範圍內，然後會將相應的開關閉合，將其他的開關都斷開。
這個處理過程很快，不用擔心處理時間過長的問題，這個測量方法的軟體的控制流程見圖1。通過圖5，監控系統中，對於採樣的組件電流信號，首先是通過電壓轉換電路將組件的電流轉化為電壓信號；由於此時轉化後的電壓較小，容易受到幹擾，為了解決這個問題，用簡單的放大電路對這個放大後的信號進行處理。
通過圖6，可以看到在這個電路中有三個對應的開關k1、k2，、k3。
通過圖4，開關的電路，一開始，這三個開關所在的電路電阻是提前計算好的，具體來說的話，是根據組件實際電流採樣輸出算出的理論上應該對應的電阻，在具體實現中，組件電流的輸出範圍是0-10a,根據公式
(是這個運算放大電路(見圖6)的增益，vol表示輸出電壓，vin表示輸入電壓)，我們可以計算出對應電阻比值，選擇對應的電阻。
這個設計過程必須得有，否則的話將信號放大的過大，可能會將單片機的io口燒壞；在單片機的程序實現中，我們將三個開關各自閉合時對應的增益值存在單片機的flash中，方便單片機接收到放大後的採樣數據後可以將採集的這個數據除以一開始存保存在flash中對應的增益，得到相應的放大前的電壓，再把這個電壓除以r7，就可以得到一個採集後的實際電流，計算公式：
一開始，單片機通過控制單片機io口的電平變化，將開關k3閉合，k2、k1斷開；此時便構成了一個簡單的運算放大電路，這個電路的增益在最初設計時，是一個最大的增益；開關閉合後，信號經過放大電路之後由單片機進行採樣。若採集的電壓為v3,則此時單片機將這個數據乘以r4/r3，獲得實際的輸出電壓值，也就是
之後單片機根據這個電壓值來,算出對應的電流接著單片機來判斷這個電流在[0a-3.3a]、[3.3a-6.6a]、[6.6a-10a]三個量程中的哪段量程內。
如果在[0a-3.3a]量程內，則閉合開關k3，斷開開關k1、k2，讀取數值，開啟新一輪ad採集，繼續判斷這個數值屬於哪一個量程段，如果仍然處於本量程段，則讀取這個數值，如果不屬於第一段量程，則判斷這個量程是不是處於第二個量程段。然後單片機將相應的軟體開關閉合，來使相應的放大電路工作；如果仍然不屬於第二段量程，則判斷是不是屬於第三個量程段，以此類推；可以實現對數據的精確測量；整個控制過程看程序流程圖(見圖1)。
實際的測量結果見表1；
表1如下：
可見使用了這種測量方法後，測量精度明顯提高。
上面的方法存在的一個問題就是把輸入信號分成三段,[0a-3.3a],[3.3a-6.6a],[6.6a-10a]，但是在3.3a和6.6a這兩個點；如果不加入自環，當採集的電流在3.3a和6.6a這兩個點時，開關會來回切換，系統也就來回震蕩。為了解決這個問題，需要在這個電路設計中加入自環，也就當電流超過這兩個點的20％時，單片機才開始進行開關的切換。在這個實例中也就是當電流在3.9a＝(3.3+3.3×20％)和7.92a＝(6.6+6.6×20％)這兩個點才開始切換；所以在我提到的測量方法中，需要在切換點增加一個自環控制，也就是在原來切換點的基礎上增加20％，避免來回的切換。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。