基于Rabbit2000的風(fēng)力發(fā)電機(jī)選址測風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾建成

ZENG Jian-cheng

（寧夏大學(xué) 物理電氣信息學(xué)院， 銀川 750021）

0 引言

在我國內(nèi)陸地區(qū)，風(fēng)能資源主要集中在西北和東北的草原、丘陵和戈壁灘上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)場建設(shè)之初，要進(jìn)行長達(dá)2年的調(diào)研和選址工作，期間，主要考察風(fēng)機(jī)場的地況和風(fēng)力資源，風(fēng)力資源的考察尤其重要，風(fēng)力資源的準(zhǔn)確評估可以使投資者對投資效益、資金回收周期大致做到心中有數(shù)，從而幫助決策者根據(jù)評估結(jié)果來下結(jié)論。

1 被測對象

由于風(fēng)的能量密度很低，而且對天氣和氣候非常敏感，所以它是一種隨機(jī)能源，雖然各地區(qū)的太陽輻射和風(fēng)的特性在一段時間內(nèi)大致有一個統(tǒng)計(jì)規(guī)律，但風(fēng)強(qiáng)度無時無刻都在不斷的變化之中，這就決定了我們不能象統(tǒng)計(jì)其它能源那樣，有一個比較確定的計(jì)算，而只能根據(jù)一些參數(shù)來進(jìn)行估算風(fēng)的能量密度。進(jìn)行估算的參數(shù)有以下幾個：

1）年平均風(fēng)速

2）有效風(fēng)能密度

3）風(fēng)能可利用時間

4）空氣密度

而在實(shí)際的風(fēng)能利用中，對于那些不能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動或運(yùn)行的風(fēng)速（例如0～3m/s的風(fēng)速不能使風(fēng)機(jī)啟動；而大于20m/s的風(fēng)速將會給風(fēng)機(jī)帶來破壞，故這部分風(fēng)速也無法利用）我們除去速后，得出的平均風(fēng)速所求出的風(fēng)能密度稱之為有效風(fēng)能密度。

根據(jù)上述有效風(fēng)能密度的定義得出計(jì)算公式：

其中，V為年平均風(fēng)速，ρ為空氣密度，通常情況下為1.225kg/m3，P(V)是有效風(fēng)速范圍內(nèi)的條件概率分布密度函數(shù)，一般選用韋布爾(Weibull)分布函數(shù)。

年風(fēng)能可利用時間是指一年之中可以運(yùn)行在有效的風(fēng)速范圍內(nèi)的時間，它可由下式求得：

其中，N為統(tǒng)計(jì)時段的總時間，c，k為韋布爾分布的兩個參數(shù)。

為此，在實(shí)際測風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要考慮風(fēng)速、測風(fēng)時間以及風(fēng)向。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場條件及系統(tǒng)要求，開發(fā)基于Rabbit2000單片機(jī)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)的通用平臺，通過RS－485接口接受現(xiàn)場儀表的信號，通過CDMA接口與遠(yuǎn)程控制中心通信。系統(tǒng)設(shè)遠(yuǎn)程控制中心和測風(fēng)現(xiàn)場監(jiān)控級（RTU）兩級，由遠(yuǎn)程控制中心集中統(tǒng)一管理。每個測風(fēng)塔為相對獨(dú)立的監(jiān)控站，能實(shí)現(xiàn)本地控制的各種功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Rabbit 2000微處理器是Z-World公司推出的一款低成本的嵌入式控制系統(tǒng)的核心器件。采用100引腳PQFP封裝，工作電壓范圍2.7 V—5 V；時鐘速度可達(dá)30MHz；Rabbit可經(jīng)由串行口或并行口的訪問實(shí)現(xiàn)冷啟動；共有40條并行I/O口線（與串行口共用）；共有4個串行口，這4個串行端口都可以在多種操作模式下實(shí)現(xiàn)異步工作。其中兩個口還可以同步工作，實(shí)現(xiàn)與串行I/O設(shè)備的接口；有一個內(nèi)置的看門狗定時器。

傳感器將采集到的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，被微處理器Rabbit 2000定時收集，經(jīng)Rabbit 2000處理后，通過無線網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行通訊，實(shí)時地向上位機(jī)傳輸采集到的數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程控制中心有一臺連接Internet的服務(wù)器，并有固定公網(wǎng)IP地址，通過NAT端口映射方式，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)可以作為內(nèi)網(wǎng)中的一臺服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場采集點(diǎn)CDMA1x DTU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。同樣，聯(lián)通公司也不必為每一臺CDMA1x DTU分配固定IP地址，DTU連接CDMA1x網(wǎng)絡(luò)后，所分配的IP地址是動態(tài)的，這種情況下，數(shù)據(jù)中心根據(jù)每臺DTU的ID號進(jìn)行注冊和通訊，不必?fù)?dān)心由于DTU掉線后上線再次分配的動態(tài)IP不同而不能與數(shù)據(jù)中心取得聯(lián)系。微控制器收集到數(shù)據(jù)信息后，要通過Internet把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。而系統(tǒng)中完成微控制器與Internet網(wǎng)通訊工作的就是CDMA RUTER和CDMA網(wǎng)。由于CDMA是基于IP協(xié)議的，但普通的CDMA RUTER沒有內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，需要用戶提供TCP/IP的支持。就是說，需要在使用CDMA RUTER的上位機(jī)系統(tǒng)中嵌入TCP/IP,這是一個復(fù)雜而繁瑣的工作。為了減小應(yīng)用本身的工作量和增加系統(tǒng)的實(shí)用性，本系統(tǒng)采用了廈門桑榮科技工業(yè)級CDMA RUTER，型號為Saro 6230R，它內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，具有Socket通訊功能，并提供透明數(shù)據(jù)傳輸通道，用戶只需設(shè)置一些參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)將嵌入式系統(tǒng)直接與Internet相連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的相互連通。CDMA RUTER在每次開機(jī)后會自動撥號，接入CDMA并動態(tài)獲得一個IP地址，此IP地址為CDMA骨干內(nèi)網(wǎng)地址，在未進(jìn)入連接狀態(tài)時，服務(wù)器（監(jiān)控中心）是無法直接與CDMA RUTER通訊的。CDMA RUTER主動向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。當(dāng)連接的路由建立以后，服務(wù)器和終端才可以雙工地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

電源采用太陽能電池板配以蓄電池供電，可以適應(yīng)測風(fēng)系統(tǒng)所處的偏遠(yuǎn)地帶。

現(xiàn)場工控機(jī)接線圖如圖2所示。

圖2 硬件線路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

無線通信軟件設(shè)計(jì)基于下面的程序流程圖，圖3是CDMA Modem復(fù)位的流程，圖4是CDMA Modem撥號的流程，圖5是報文發(fā)送線程的流程圖。

4 結(jié)束語

本文開發(fā)的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對覆蓋方圓幾十公里地區(qū)的測風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行集中管理?？刂浦行牡墓ぷ魅藛T只需點(diǎn)擊按鈕，通過計(jì)算機(jī)屏幕就可以觀察到測風(fēng)系統(tǒng)中各測風(fēng)點(diǎn)的實(shí)時工作情況。利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、制作各種報表，不再需要原始的手工記錄和繪制報表。使測風(fēng)系統(tǒng)的管理更加方便，并提高了工作效率。

圖3 CDMA Modem復(fù)位的流程

圖4 CDMA Modem撥號的流程

圖5 報文發(fā)送線程的流程圖

[1]謝建民,曾建成,等.風(fēng)力發(fā)電成本主要影響因素分析與計(jì)算[J].華東電力,2003,1.

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