一种基于局域无线物联网的分布式能源组件安全防护系统

1.本发明属于物联网分布式技术领域，具体涉及一种基于局域无线物联网的分布式能源组件安全防护系统。

背景技术：

2.随着节能减排的要求提出，光伏发电和风力发电以及配套的分布式储能等的规模快速增长。以光伏发电系统为例，是由多个光伏组件串联形成光伏组串，然后通过逆变器实现直流转换为交流从而并网发电。考虑到串联的光伏组件会形成600v～1000v的直流高压，直流高压灭弧难，存在较大的安全隐患，一旦发生事故，将导致重大损失和安全事故，因此要求光伏发电系统在紧急情况发生时做到组件级的快速防护；储能系统、电动汽车等分布式或模块化能源组件系统也存在类似情况。

3.鉴于上述，实现分布式能源系统中每个组件的安全监控和快速防护，如关断就非常重要。如美国2017版本的国家电气法规(nec)中的690.12规定，满足一定边界条件的光伏发电系统，需要安装快速关断装置(rsd)，保证在光伏组件出现故障时，能实现在30秒内将电压降低到一定范围内；通过快速关断装置，可以快速关断每个组件之间的连接，从而消除组件阵列系统中的直流高压风险，防止火灾或触电等事故的发生。

4.目前市面上大多相关产品都是对标美国的nec690.12法规，比如公开号为cn110854919a的中国发明专利申请提供了一种直流电流型plc光伏快速关断装置，其使用的是电力载波通讯技术plc，在小型光伏发电系统中由较好应用，但是电力载波plc的缺点在于：快速关断装置rsd需要额外的信号解析电路，每一串光伏组件需要配置相应的信号发生器，无法对光伏组件进行实时远程监控，对于大型的特别是处于相对偏远场地的光伏发电系统，plc的快速关断装置不利于大规模部署。

5.又如公开号为cn104410106a的中国发明专利申请提供了一种光伏逆变器、逆变器系统以及逆变器系统的通信组网方法，其使用了无线通讯，但是主要监控的是光伏逆变器，并不是光伏组件。公开号为cn103887880a的中国发明专利申请提供了一种分布式发电系统及其远程监控系统，基于无线通讯的监控系统，无线通讯器挂在交流母线上，对整套光伏发电系统进行监控，但缺点在于无线通讯器集中对整个光伏发电系统功能数据进行存储和计算上传，对无线通讯器处理器的要求较高，没有实现光伏组件快速关断功能。

技术实现要素：

6.鉴于上述，本发明提供了一种基于局域无线物联网的分布式能源组件安全防护系统分布式系统安全，使用快速关断装置准确获取组件状态，使用无线物联网通信协议上报组件状态，当故障发生时能实现组件快速关断以及故障信息的及时通知，保证整个系统的安全性，并便于组件的维护和管理。

7.一种基于局域无线物联网的分布式能源组件安全防护系统，包括快速关断装置、无线通讯网关以及集中平台，其中：

8.所述快速关断装置连接于对应能源组件的直流输出端口，用于采集能源组件相关电气数据并结合来自集中平台提供的控制信息对能源组件进行电气安全防护；

9.所述无线通讯网关用于快速关断装置与集中平台之间的无线数据通讯；

10.所述集中平台通过快速关断装置对能源组件进行远程监控，接收、显示并保存来自快速关断装置提供的能源组件相关电气数据。

11.进一步地，所述快速关断装置包含有四个端子：正输入端子in+、负输入端子in-、正输出端子string+、负输出端子string-，其中输入端子in+和in-与能源组件的直流输出端口对接；分布式的各个能源组件通过各自的快速关断装置在输出端子string+和string-上依次串联后接入并网逆变器。

12.进一步地，所述快速关断装置包括电压采样电路、温度检测电路、信号处理电路、iot(internet of things，物联网)模块、驱动电路、供电电源、续流二极管以及开关管模块，其中：

13.所述电压采样电路用于采集能源组件的输出电压信号；

14.所述温度检测电路用于采集能源组件的温度信号；

15.所述信号处理电路受iot模块控制，用于对采集到的输出电压信号和温度信号进行处理后提供给iot模块；

16.所述iot模块用于收集能源组件包括输出电压、温度、工作状态在内的相关电气数据，通过无线通讯网关将这些数据打包上传至集中平台，同时接收来自集中平台的控制信息并结合相关电气数据通过驱动电路向开关管模块输出开关驱动信号以控制其通断；

17.所述供电电源接正输入端子in+，用于为快速关断装置内的其他功能模块和电路提供工作电压；

18.所述续流二极管的阴极与正输出端子string+相连，阳极与负输出端子string-相连；

19.所述开关管模块串接于正输入端子in+与正输出端子string+的连接线路上。

20.进一步地，所述电压采样电路的输入端接正输入端子in+，输出端连接信号处理电路；所述温度检测电路的输出端连接信号处理电路。

21.进一步地，所述iot模块采用通讯距离达数公里的lorawan模块或zigbee模块。

22.进一步地，所述无线通讯网关通过物联网协议与多个终端节点(即快速关断装置)通讯连接，终端节点上报核心关键信息，精简数据；无线通讯网关使用多种通讯协议与集中平台通讯连接，将终端节点上报的数据传送给集中平台，同时将集中平台下发的信息通过轮转、广播的方式下发给终端节点。

23.网关数及节点数与应用系统容量、规模、距离、实时性要求以及所采用的iot设备和协议性能参数相关。以lorawan协议为例，8通道网关上传12字节数据，集中平台下发4个字节数据，如果要求每10秒就完成一轮节点数据上报和集中平台指令下传，那么网关的容量为300个，能够满足美国nec690.12提出的30s要求要求并且留有较大时间裕量；扩频因子为7时，lorawan信息的空中时间为50ms左右，能保证快速关断装置及时相应。

24.进一步地，所述集中平台包括物联网控制平台以及数据流转程序，物联网控制平台接收、解析并显示快速关断装置上传的数据，同时能人为控制能源组件对应的快速关断装置；数据流转程序能够在物联网控制平台的数据流转功能中创建相应规则，当能源组件

发生过压或过温故障时，能够在手机app端、公众号上推送相应的报警信息。

25.本发明与现有技术相比的主要优势在于，包含集中平台，能实现对分布式能源组件的远程的监控、控制，同时集中平台会保存数据，可用于整个系统的整体评估等其他用途；当需要检修、维护特定组件时，用户可以通过集中平台远程控制目标组件的快速关断器关断，同时又不影响其他组件的正常工作。同时，用户可以根据使用规模灵活配置网关数量和集中平台中连接的设备数量，使用无线物联网协议，单个8通道网关能支持数百个终端节点，便于大规模应用。本发明使用的无线物联网模块、电压采样电路和温度采样电路采集到的信号传送至无线物联网模块，无线物联网模块通过对应协议将数据打包传送至集中平台，实现远程监控；当组件出现过压故障或者环境温度过高时，快速关断开关管模块达到保护的目的。

附图说明

26.图1为本发明分布式能源组件安全防护系统结构示意图。

27.图2为快速关断装置的结构示意图。

具体实施方式

28.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

29.如图1所示，本发明基于局域无线物联网的分布式能源组件安全防护系统，包括快速关断装置、无线通讯网关和集中平台，分布式的每个能源组件的输出端口均连接有快速关断装置。

30.如图2所示，快速关断装置包括无线物联网iot模块、电压采样电路、温度检测电路、信号处理电路、驱动电路、供电电源、续流二极管d以及开关管模块s，且装置共有共四个端子：输入正端子in+，输入负端子in-，输出正端子string+，输出负端子string-。

31.iot模块可采用lorawan、zigbee等实现，iot模块将收集到能源组件的主要安全状态或参数，如输出电压、温度以及工作状态等信息打包，通过网关上传至集中平台，同时接收集中平台下达的控制信息；同时iot模块输出开关驱动信号drive控制开关管模块s的通断。iot模块的通讯距离可达数公里，如lorawan模块一般为4.5km，通过技术手段改建能够进一步增加通讯距离。

32.电压采样电路用于采集能源组件的输出电压信号，其输入端连接in+，输出信号v_out连接至信号处理电路。

33.温度检测电路用于采集能源组件的温度信号，其输出温度信号t连接至信号处理电路。

34.信号处理电路受iot模块控制，对电压采样电路和温度检测电路输出的电压信号和温度信号进行处理后提供给iot模块。

35.驱动电路与iot模块连接，根据其提供的开关驱动信号drive控制开关管模块s的通断。本实施例中驱动电路可采用通用的开关管模块驱动芯片进行驱动或者市面上已有的通用开关管模块驱动电路。

36.开关管模块s串联接入in+与string+的连接线路上，可采用如mosfet、igbt等具有

无触点、快速、无弧等特征的电力电子功率器件。

37.续流二极管d阴极与string+相连，阳极与string-相连。

38.供电电源输入端与in+相连，其用于为电压采样电路、温度采样电路、驱动电路、信号处理电路和iot模块供电。

39.本实施方式中使用iot模块来实现快速关断和远程通信的过程为：电压采样电路测量组件两端输出电压，采样电路输出信号v_out；温度采样电路测量温度，输出信号t，v_out和t送至信号处理电路，由无线物联网模块控制，信号处理后送至无线物联网模块，模块读取到组件输出电压和环境温度，如果均在安全范围内，无线物联网模块控制驱动电路，使开关管模块导通，状态信息为“正常”；如果产生过压，无线物联网模块控制驱动电路，使开关管模块关断，状态信息为“过压”；如果温度过高，无线物联网模块控制驱动电路，使开关管关断，状态信息为“过温”。模块将组件输出电压、环境温度和工作状态信息打包上传至集中平台，续流二极管d的阴极接string+连接的线路，阳极接string-连接的线路，进一步保证在当某个组件关断时，其他组件输出电流通过二极管d续流，保证其他组件正常工作。

40.如图1所示，分布式的各个能源组件通过各自的快速关断装置在输出端子string+和string-上依次串联后接入并网逆变器，即当前快速关断装置的string+可连接上一组件快速关断装置的string-，当前快速关断装置的string-可连接下一组件快速关断装置的string+，从而构成多个组件互联。

41.无线通讯网关与终端节点(快速关断装置)通过物联网协议通讯连接，节点上报核心关键信息，精简数据；同时，网关使用多种通讯协议与集中平台进行通讯连接，入网参数配置灵活方便。网关将节点上报的信息传送给集中平台，并将集中平台下发的数据通过轮转、广播等方式下发给节点。

42.通道网关数和节点数与应用系统容量、规模、距离、实时性要求以及所采用的iot设备和协议性能参数相关。以lorawan协议为例，8通道网关上传12字节数据，集中平台下发4个字节数据，如果要求每10秒就完成一轮节点数据上报和集中平台指令下传，那么网关的容量为300个，能够满足美国nec690.12提出的30s要求要求并且留有较大时间裕量；扩频因子为7时，lorawan信息的空中时间为50ms左右，能保证快速关断装置及时相应，实际应用中可据此倍增或裁剪调整。

43.本发明系统使用时在集中平台的物联网开发平台中，创建对应快速关断装置的虚拟产品，在虚拟产品中创建了上行数据(组件输出电压、温度、组件状态)的对应物模型，编写了对应的数据解析代码；创建了无线组件快速关断装置控制信号的物模型，编写了对应的数据解析代码，iot模块将信息打包上传至集中平台后，控制台调用代码解析上行数据，将解析出来的数据显示。如果需要人为关断装置，在控制台界面发出指令后，控制台调用代码，将数据发送给对应的装置。

44.集中平台包括物联网控制平台以及数据流转程序，物联网控制平台接收、解析并显示上传的数据，同时能人为控制能源组件的快速关断装置；数据流转程序能够在物联网控制平台的数据流转功能中创建相应规则，当组件出现过压或者过温故障时，会在手机app和公众号上推送相应的报警信息。

45.集中平台的物联网控制平台和人机交互端可以获知各个分布式组件状态并能实现远程控制，从而实现系统的远程监控、安全防护等功能，具有结构简单，扩展性强，大规模

应用灵活方便的优点。

46.上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

（编辑：鹰潭站长网）

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