一种基于光伏组件数据监控系统的高精度测量方法与流程

本发明涉及光伏组件数据监控领域，尤其涉及的是一种基于光伏组件数据监控系统的高精度测量方法。

背景技术：

近几年中，分布式电站开始快速发展起来，随着电站数目的增加，人们越来越重视光伏电站的管理工作；许多企业也开始着手建立起一套完整的光伏组件数据监控系统，见图3，在这个系统中，人们将组件、汇流箱、逆变器、气象监测仪的相关数据上传到云端，之后进行相应的处理，来实现对电站的监控管理。

在这个光伏组件数据监控系统中，急需解决的问题之一就是组件的电流测量精度不高的问题，对于分布式电站，一串中的若干个组件虽然串联在一起，理论上电流一样大，但是由于测量精度不高，导致测量出的同组串组件电流差距较大；如果电流的测量精度越高，则相应的组件发电功率，组件产生的电能也就越准确，则上传至云端的数据也就更加可靠；对于组件的电流测量也就是通过一定的硬件电路将电流信号转化为电压信号，通过ad采集获得想要的数据。

目前现有的技术通过在软件上对采集的电流信号进行优化，来解决组件电流测量精度不高的问题，或者通过在硬件电路设计上进行改善，来提高组件电流测量精度，组件电流测量精度的提高有助于对真实环境中的每块组件的实际工作参数做一个很好的监督管理。

目前常用的组件电流测量方法中，比如将采集到的电流信号转化为电压信号后直接交给单片机来处理，通过软件对数据优化，这样提高了测量精度，但是也存在一些问题，比如，如果数据量大的话，这对单片机的数据处理速度有要求，需要选用处理速度快且ad精度较高的单片机，对应的成本也就有所提高，其次如果单片机测量的数据本身精度就不高，则即使通过软件来弥补，误差也会较大；或者是组件输出的电流通过i/v转换电路转换后，通过放大电路处理，将电压信号进行放大，然后进行测量；这样由于放大电路可以将输入的信号放大，排除了一些内在或外在因素对信号的干扰,组件电流测量精度有所提高。

但存在的问题是放大电路一旦固定下来，对应的增益往往也就固定，然而对于组件来说灵活多变的周围环境，导致组件的输出电流范围也不固定，此时这个信号放大电路使用范围也就存在着局限性；同时，由于单片机的ad精度是有限的，如果输入的信号取值范围很大，此时用这个ad量程固定的单片机去采集这个信号，此时最小测量精度会很低，则测量精度就无法得到提高，而且以往的测量方法智能化程度不够，或者是抗干扰能力弱。

技术实现要素：

为了解决上述的问题，本发明提出了一种基于光伏组件数据监控领域的高精度测量方法，来提高组件电流的测量精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于光伏组件数据监控系统的高精度测量方法，该方法基于光伏组件数据监控系统，该系统包括单片机单元、开关控制电路单元、运算放大电路单元、i/v转换电路单元、光伏智能组件；

其中，该测量方法：

步骤s101，对一个固定输入量程的信号进行分段，即把一个量程为[0-k]的信号平均分成n段，为信号段；这个可以通过单片机来控制开关断开和闭合，让对应量程的信号通过对应的通道；

步骤s102，在测量前要把一个完整的信号分成若干个小段的量程，每段量程与一组开关绑定，通过开关的通断来实现对输入信号的分段；通过单片机来控制放大电路中的一组开关的闭合，其它的开关处于断开的状态；

步骤s103，之后，进行ad采集，单片机对采集后的电流进行比较判断；

如果该电流属于第一段量程，则单片机将第一段量程对应的开关通道闭合，也就是k1闭合，k2……kn的开关断开，开启新一轮ad采集，读取该有效数值；

步骤s104，接着，单片机开启下一次数据采集，当采集数据完成后，单片机将采集的数据再次进行比较判断；

如果仍然属于自己所在的量程则测量的数据有效，读取数值，继续开启下一次模拟采集；

如果此次不属于自己所在的量程，即读取的数值不在第一段量程，那么进行比较判断这个数值是否在第二段量程范围内；

以此类推一直到第n个量程；哪段符合要求就切换到哪段量程内。

优选的，所述的步骤s101，其中，一个ad精度固定的单片机来说，如果单片机的测精度为m，则每段测量的最小精度为：

优选的，所述的单片机，选用型号为cc5233型号，其固定ad采集精度是2048。

优选的，所述信号段，为其每一段量程的临界点设置自环控制模式。

优选的，所述自环控制模式，设置方式为，当采集数据达到临界点位置时不做量程切换，当采集数据达到临界点的120％时，单片机才开始进行开关的切换。

一种基于光伏组件数据监控系统的高精度测量方法，该方法所基于得光伏组件数据监控系统，该系统包括单片机单元、开关控制电路单元、运算放大电路单元、i/v转换电路单元、光伏智能组件；

其中，所述的运算放大电路单元，这里设计了三个运算放大电路(见图6、图7、图8)，放大电路的最左端是输入信号，最右端是输出信号。

对于图6来说，这是一个简单的反向运算放大电路，可以实现对小信号的放大，该图上一共有n只开关，分别是k1、k2、k3…kn，通过单片机引脚输出高低电平，来控制开关的断开和闭合，当第n个开关闭合时，其他的开关断开时，

对于图7来说，这是一个差分放大电路，该放大电路可以实现对共模信号的抑制，抗干扰能力较强；该电路的反向端和正向端分别有k1，k2……kn个开关和kj1,kj2……kjn个开关，这些个开关的断开和闭合同样可以通过控制单片机的io来控制，在这个电路中，当第kn个开关和第kjn个开关闭合,其他的开关断开时，

对于图8来说，在图6的基础上做了一些改动，把运算放大器的正向端的电阻不在接地而是给一个参考电压vref,在该电路中，当第n个开关kn闭合，其他的开关都断开时，对应的输出电压是

对于上述三种放大电路里面提到的开关，设计了两种控制开关电路，分别见图4和图5。

图4是一个单八路模拟开关，vdd接正向电压，vee接反向电压，vss接地，其中，该芯片采用型号为cd4051，该芯片的六号引脚是使能引脚，直接接地，9、10、11这三个引脚和单片机引脚相连接，引脚的电平可以通过与其相连接的单片机io口来控制；这个单八路模拟开关工作的原理也就是依靠9、10、11三个引脚的电平，来控制该图‘0’‘1’…‘7’一共八个通道的断开和闭合。

对于图6这个开关控制电路设计的相对简单，这个pnp三级管的发射极接单片机的控制引脚，基极和集电极分别接反馈电阻的两端。当单片机与发射极相连接的引脚输出高电平时集电极和基极导通。

方法上，把一个量程为[0-k]的信号平均分成n段(这个分段的多少根据实际需要)，那么对于一个ad精度固定的单片机来说，如果单片机的测精度为m，则每段测量的最小精度为：

如果对这个量程为[0-k]的信号，不进行分段，那么对于一个ad精度为m的单片机来说，则测量的最小精度为：

通过比较上面这个两个最小精度可以知道可见采用分段测量的话，最小测量精度更小，则测量精度更高。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、本发明相比较于其它的传统组件电流测量方法，测量精度高；

2、本发明采用分段式测量方法，把一个固定量程分成若干段量程，分段越多，则测量的精度也就越高；

3、本测量方法具有自适应功能，由于使用到单片进行控制，可以根据实际的测量结果进行判断当前的结果是否在划分的量程段内，如若不在,则切换到对应量程段的放大电路，继续进行测量判断；

4、本测量使用了差分放大电路可以有效抑制共模信号，抗干扰能力强。

附图说明

图1为本发明的一种基于光伏组件数据监控系统的高精度测量方法的流程图；

图2为本发明的一种基于光伏组件数据监控系统的系统原理框图；

图3为本发明的一种基于光伏组件数据监控系统的系统结构框图；

图4为本发明的一种基于光伏组件数据监控系统的智能控制开关电路图；

图5为本发明的一种基于光伏组件数据监控系统的简单控制开关电路图；

图6为本发明的一种基于光伏组件数据监控系统的简单反向运算放大电路图；

图7为本发明的一种基于光伏组件数据监控系统的差分放大电路图；

图8为本发明的一种基于光伏组件数据监控系统的复杂反向运算放大电路图图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种基于光伏组件数据监控系统的高精度测量方法，该方法基于光伏组件数据监控系统，该系统包括单片机单元、开关控制电路单元、运算放大电路单元、i/v转换电路单元、光伏智能组件；

其中，该测量方法：

步骤s101，对一个固定输入量程的信号进行分段，即把一个量程为[0-k]的信号平均分成n段，为信号段；这个可以通过单片机来控制开关断开和闭合，让对应量程的信号通过对应的通道；

步骤s102，在测量前要把一个完整的信号分成若干个小段的量程，每段量程与一组开关绑定，通过开关的通断来实现对输入信号的分段；通过单片机来控制放大电路中的一组开关的闭合，其它的开关处于断开的状态；

步骤s103，之后，进行ad采集，单片机对采集后的电流进行比较判断；

如果该电流属于第一段量程，则单片机将第一段量程对应的开关通道闭合，也就是k1闭合，k2……kn的开关断开，开启新一轮ad采集，读取该有效数值；

步骤s104，接着，单片机开启下一次数据采集，当采集数据完成后，单片机将采集的数据再次进行比较判断；

如果仍然属于自己所在的量程则测量的数据有效，读取数值，继续开启下一次模拟采集；

如果此次不属于自己所在的量程，即读取的数值不在第一段量程，那么进行比较判断这个数值是否在第二段量程范围内；

以此类推一直到第n个量程；哪段符合要求就切换到哪段量程内。

在下面这个具体的描述中，首先要强调的是，硬件放大电路选择的是图6；组件的输出电流是[0a-10a],为了提高数据的测量精度，我把组件的电流取值范围分为三段，分别是[0a-3.3a],[3.3a-6.6a],[6.6a-10a],目的是让处在这三个段内的电流信号分别流过各自对应的通道，将一个大范围的信号以分段的方式，划分为一个个小范围的信号。

对于范围在[0a-10a]的电流信号，这里的单片机的固定ad采集精度是2048，则

也就是说此时的最小测量精度是0.0048a,如果按照上面所述的分析方法，对组件输出的电流进行分段，则对于[0a-3.3a]来说，最小测量精度是

对于[3.3a-6.6a]段来说，最小测量精度是

对于[6.6a-10a]范围内，最小测量精度是

相比较前面提到的0.0048a，精度提高了3倍多；这对解决使用单片机的有限ad采样精度去测量取值较大的采样数据时精度不高的问题提供了一个可行的解决方法。

在这里需要说明的是，由于采集的是每块组件的电流信号，组件的电流信号变化并没有那么快，单片机的数据处理速度很快，当输入信号经过一个较为安全的放大电路之后(电路的放大增益提前设计好防止输出的电压过高把单片机烧坏)，将电压值转化为电流，单片机可以判断出电流在哪个范围内，然后会将相应的开关闭合，将其他的开关都断开。

这个处理过程很快，不用担心处理时间过长的问题，这个测量方法的软件的控制流程见图1。通过图5，监控系统中，对于采样的组件电流信号，首先是通过电压转换电路将组件的电流转化为电压信号；由于此时转化后的电压较小，容易受到干扰，为了解决这个问题，用简单的放大电路对这个放大后的信号进行处理。

通过图6，可以看到在这个电路中有三个对应的开关k1、k2，、k3。

通过图4，开关的电路，一开始，这三个开关所在的电路电阻是提前计算好的，具体来说的话，是根据组件实际电流采样输出算出的理论上应该对应的电阻，在具体实现中，组件电流的输出范围是0-10a,根据公式

(是这个运算放大电路(见图6)的增益，vol表示输出电压，vin表示输入电压)，我们可以计算出对应电阻比值，选择对应的电阻。

这个设计过程必须得有，否则的话将信号放大的过大，可能会将单片机的io口烧坏；在单片机的程序实现中，我们将三个开关各自闭合时对应的增益值存在单片机的flash中，方便单片机接收到放大后的采样数据后可以将采集的这个数据除以一开始存保存在flash中对应的增益，得到相应的放大前的电压，再把这个电压除以r7，就可以得到一个采集后的实际电流，计算公式：

一开始，单片机通过控制单片机io口的电平变化，将开关k3闭合，k2、k1断开；此时便构成了一个简单的运算放大电路，这个电路的增益在最初设计时，是一个最大的增益；开关闭合后，信号经过放大电路之后由单片机进行采样。若采集的电压为v3,则此时单片机将这个数据乘以r4/r3，获得实际的输出电压值，也就是

之后单片机根据这个电压值来,算出对应的电流接着单片机来判断这个电流在[0a-3.3a]、[3.3a-6.6a]、[6.6a-10a]三个量程中的哪段量程内。

如果在[0a-3.3a]量程内，则闭合开关k3，断开开关k1、k2，读取数值，开启新一轮ad采集，继续判断这个数值属于哪一个量程段，如果仍然处于本量程段，则读取这个数值，如果不属于第一段量程，则判断这个量程是不是处于第二个量程段。然后单片机将相应的软件开关闭合，来使相应的放大电路工作；如果仍然不属于第二段量程，则判断是不是属于第三个量程段，以此类推；可以实现对数据的精确测量；整个控制过程看程序流程图(见图1)。

实际的测量结果见表1；

表1如下：

可见使用了这种测量方法后，测量精度明显提高。

上面的方法存在的一个问题就是把输入信号分成三段,[0a-3.3a],[3.3a-6.6a],[6.6a-10a]，但是在3.3a和6.6a这两个点；如果不加入自环，当采集的电流在3.3a和6.6a这两个点时，开关会来回切换，系统也就来回震荡。为了解决这个问题，需要在这个电路设计中加入自环，也就当电流超过这两个点的20％时，单片机才开始进行开关的切换。在这个实例中也就是当电流在3.9a＝(3.3+3.3×20％)和7.92a＝(6.6+6.6×20％)这两个点才开始切换；所以在我提到的测量方法中，需要在切换点增加一个自环控制，也就是在原来切换点的基础上增加20％，避免来回的切换。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。