基于DSP的風力發電機遠程監測分析系統設計

趙宏飛，馬宏忠，時維俊，朱躍光

（河海大學，南京 210098）

隨著能源危機和環境污染問題的日益嚴重，作為綠色能源的風能已受到世界各國的高度關注和重視。2009年，全球風力發電機的裝機容量已達到159213MW，新增裝機容量38312MW，增長率為31.7%。根據目前的增長趨勢，世界風能協會預測，截止到 2020年底，全球裝機容量至少為 1.9×106MW[1]。然而風電場一般地處偏遠地區、環境惡劣，給機組的維護維修工作造成了困難，增加了機組的運行維護成本。因此，如何保證風力機穩定運行，高效地利用風力資源已經成為非常重要的一個課題。

針對以上問題，本文設計一種采用32位DSP處理器TMS320F2812（以下簡稱F2812）作為主控芯片，融合GPRS通信方式。具有很強操作性的遠程設備監測和分析系統[2-3]。F2812是一種新型高性能32位定點數字信號處理器，最高運行頻率可以達到 150MHz，保證裝置有足夠的運算能力。該系統主要由監測終端（采集模塊）、GPRS通信模塊、客戶端（監控中心）等3部分組成，通過無線網絡實現對風力發電機的遠程監控。

1 系統總體結構與設計

風力發電機遠程監測分析系統總體設計如圖 1所示，系統由監測終端、GPRS無線通信模塊和客戶端3部分組成。監測終端通過傳感器檢測各項指標，經過F2812進行數據的初步處理后，利用GPRS無線網絡進行實時的數據傳輸，將采集到的數據發送給客戶端。同時，客戶端也可向監控終端發送查詢和控制命令，監測終端一旦收到命令后，將根據命令要求返回當前的狀態信息，然后發送給客戶端或實現相應的操作。

圖1 系統總體設計示意圖

在客戶端的監控中心，客戶端的工作人員在客戶機上對數據進行特征提取和分析，并將傳送的信號數據與風力發電機數據庫中的數據進行比較，得出設備的運行狀態和潛在故障信息。最后監控人員根據比較的結果最終給出風力發電機的運行狀況分析表。

計算機的數據分析比較過程主要是辨別 3類過程狀態(正常、預警、異常)，如使用G表示實時監測值，Y表示風力發電機預警值，R表示風力發電機異常值。當G＜Y時，風力發電機運行正常；Y＜G＜R時，監控設備發出警報，監控人員必須密切關注運行狀況；G＞R時，可使風力發電機自動停機，等待工作人員的檢修。

2 監測終端的設計

監測終端系統利用 F2812豐富的外設模塊實現下位機模擬量采集、數字量輸入/輸出、信號的快速傅里葉變換以及GPRS通信。圖2為設計出的基于F2812為主控芯片的監控終端原理框圖。

圖2 監測終端原理框圖

監控終端的工作過程描述如下：首先對輸入的模擬量信號進行調理，將電壓調理到適合模數轉換器AD7606可接受的范圍，AD7606將轉換的結果傳輸給F2812，然后在 DSP系統內部實現頻域變換以及原始數據的存儲。最后通過GPRS DTU模塊利用無線通訊方式發送到監控中心的客戶端。

電流電壓從現場電流電壓互感器副方引出，根據電力系統運行規范，電流電壓互感器副方輸出范圍是：電壓是 100V，電流是 5A。因此對電壓的測量直接使用帶隔離的瞬態電壓傳感器 LV100-100，而在對發電機定子和轉子電流信號進行測量時，我們選用帶隔離的瞬態電流傳感器LA25-NP。LV100-100和LA-25-NP是瑞士LEM公司產品，具有原副方隔離，響應速度快，非線性小等優點，特別適用于電力、電機等電氣動態測量。溫度測量時，由于溫度的測量無需很高的精度和實時性要求，所以選用DS18B20集成溫度傳感器，其輸出結果為數字信號。它和DSP之間采用一條線的總線進行數據傳輸，無需再進行模數轉換。

2.1 DSP核心模塊

F2812芯片是美國德州儀器公司開發的應用于控制領域的高端數字信號處理器，它把一個高性能的DSP內核和微處理器以及片外設備集成為一個芯片。F2812集成有許多外設，提供了整套的片上系統，從而降低了系統成本，實現更簡單、高效的控制。另外，該器件還有3個獨立的32位CPU定時器，以及多達56個獨立編程的GPIO（通用輸入/輸出）引腳[4-6]。

F2812實現下位機模擬量采集、數字量輸入/出、數據存儲、快速傅里葉變換、GPRS通信等功能。

2.2 AD轉換模塊

ADC（模/數轉換器）是數據采集電路的重要組成部分，在整個系統中占有重要的地位。在設計時，選用了美國ADI公司最新推出的新一代8通道雙極性同步采樣AD7606，其采用5V單電源供電，并支持真正±10V或±5V的雙極性信號輸入。AD7606與F2812的連接電路如圖3所示[7]。

圖3 AD7606和F2812的連接電路

實驗時，我們選取輸入范圍是±10V，因此AD7606傳遞函數為：

式中：CODE為16位二進制輸出補碼；VIN為輸入電壓，可正可負；REF為參考電壓，選取的是2.5V內部基準電壓。

所有通道均能以高達200ksps的速率進行采樣。由于在 AD7606內部的信號調理電路中，已經包含了低噪聲、高輸入阻抗的信號調理電路。同時輸入端集成了濾波器，簡化了前端設計，不再需要外部驅動和濾波電路。而且AD7606提供了過采樣和數字濾波功能。在運行時，F2812通過對管腳OS[2:0]控制就能設置過采樣倍數(OSR)為x2, x4, x8, x16, x32, x64。過采樣打開后，內部的過采樣控制電路和1階Sinc數字濾波器會自動被使能。因此，F2812在處理信號時無需再進行數字濾波，節省了大量時間。

2.3 存儲模塊

監測終端除了將采集的數據通過無線傳送方式傳送到客戶端外，還要將原始數據直接存儲，以便日后查看數據。

由于電力系統的頻率為50Hz，為了方便檢測諧波，每周期采樣128點，即采樣頻率為：

而對數據的采集是每分鐘采集一次，一次連續采集5個周期，因此一天的數據量為14M左右，如果要存儲幾年的采樣數據，就需要大容量存儲設備。目前常用的有U盤、FLASH芯片、SD卡等，它們各有優點，而最適合單片機系統的就是SD卡，它不僅容量可以做到很大（32Gb以上），而且支持SPI接口，可以方便地和F2812通過SPI接口進行通信，而且方便移動，編程也比較簡單。SPI連接模式如圖4所示。

圖4 SD卡和F2812的SPI連接模式

3 無線通信模塊

為實現現場和客戶端的通訊，我們選取了北京天同誠業科技有限公司WG-8010GPRS DTU無線通訊模塊，實現監測終端與客戶端的數據通信。用戶只需設置一些參數就可以實現將嵌入式系統直接與 Internet相連，實現網絡的互連互通，該模塊外觀如圖5所示。

圖5 WG-8010GPRS DTU無線通訊模塊

GPRS模塊實現監控中心主站與監控終端的通訊。監控終端上電后，GPRS模塊會根據預先設定在其內部的IP地址或域名來主動訪問網絡代理服務器，通過代理服務器和監控中心建立TCP/IP鏈路。當主站要向某個監控終端提出數據請求時，它會根據 IP地址和 ID號來找到對應的終端。終端響應后通過GRPS模塊把數據發到網絡代理服務器端口再由端口映射轉發到監控中心主站即完成一個應答式的通訊流程。

4 客戶端數據庫管理系統設計

在客戶端，我們安裝了天同誠業公司開發的一款集群服務器應用軟件——Comway無線串口軟件，通過上網就可以利用無線串口軟件接收傳輸的數據，再利用Visual FoxPro數據庫軟件建立的數據庫管理系統來處理數據，實現數據查詢、曲線繪制以及報表打印等功能，數據庫的界面如圖6所示。

圖6 數據庫顯示窗口

客戶端是風力發電機遠程監控系統的中樞，由應用程序服務器、數據庫服務器組成，實現風力發電機運行狀態、參數遠程實時監控，以及出現故障的風力發電機遠程維護操作等功能。

5 軟件設計

5.1 監測終端系統軟件設計

系統主程序流程如圖7所示。

主程序完成對系統的初始化，設定各種標志位和相應狀態寄存器，然后等待中斷，判斷數據是否采集完畢，在數據采集完后跳轉至運算子程序，進行后續的計算工作。DSP進行數據采集時由定時器輸出觸發信號作為A/D轉換的啟動信號，轉換完成后標志位置位。DSP查詢到標志位后，進行相應的數據處理，數據處理完成后進行數據發送。

圖7 系統軟件程序流程圖

5.2 FFT頻域變換算法

由于故障診斷對監測實時性的要求，系統軟件算法的運行效率就要很高，所以必須對FFT算法進行優化。采用了TI公司的FFT Library[8]庫進行頻域變換，其采用匯編語言實現，代碼執行效率高、實時性好，而且結構更加合理。算法流程如圖7所示：

圖8 FFT算法流程圖

FFT Library庫可在TI的網站上下載。解壓安裝后到C: idcsc28dsp_tbosfft中，其提供了128點、256點、512點和1024點FFT計算模塊，這些模塊支持F2812的C調用形式。將文件fft.1ib和頭文件fit.h添加到工程中后，即可通過調用函數來使用。

6 結語

本文從對風力發電機的遠程監測和分析目標出發，設計并實現了一種基于F2812的具有多通道數據采集分析功能的遠程在線監測分析系統。通過該系統，維護人員就可以在監控中心對各風力發電機運行狀態進行遠程監控，這樣就免去了對各個風力發電機現場定期檢查和巡視，特別是在風力發電機發生運行異常時，運行維護人員能及時地收到報警信息，及時處理，避免出現故障而影響系統的安全運行。

[1]陳雪峰. 風力發電機狀態檢測和故障診斷技術的研究和進展[J]. 機械工程學報, 2011, 47(9): 45-52.

[2]劉敏娜, 潘宏俠, 黃小娟. 基于GPRS的風力發電機遠程監控系統設計[J]. 自動化與儀表, 2011,26(7): 29-33.

[3]高陽, 潘宏俠, 吳升, 梁松林. 基于DSP的電力設備遠程監測分析系統[J]. 電力自動化設備, 2010,30(1): 127-131.

[4]蘇奎峰. TMS320F2812原理與開發[M]. 北京: 電子工業出版社, 2006.

[5]孫麗明. TMS320F2812原理及其c語言程序開發[M]. 北京: 清華大學出版社. 2008.

[6]南東亮. 電能質量在線監測系統設計診斷[D]. 江蘇: 河海大學能源與電氣學院, 2008.

[7]于克泳, 孫建軍. 新一代 16位 8通道同步采樣ADC–AD7606在智能電網中的應用[EB/OL].(2010-10-18)[2011-12-18].http://www.eet-china.com/ART_8800623306_617703_TA_dbda58e3.HTM.

[8]楊書杰. 基于CS5451A跟蹤頻率采樣的低壓配變監控單元設計[J]. 電力自動化設備, 2008, 28(11):79-81.