風力發電機組無線監測系統設計*

尹少平， 焦錦繡， 王靈梅， 段臨志

(1.山西大學，山西 太原 030013; 2.清華核能研究院，北京 102201)

0 引 言

目前，風電場運行維護人員主要通過機組的主控系統和定期巡視檢查來了解機組的運行狀態，但監控系統尚有需要完善的地方[1]：風電場氣候條件比較惡劣，需要工作人員進行日常的巡檢維護，增加了維護人員的勞動強度；風電場設備狀態不同，往往需要對不同設備的運行情況作具體分析，并做出具有針對性的分析處理；風力發電機組屬于大型旋轉設備，現有監控系統缺乏對機組振動等狀態的監測手段；有線監控系統在現有的基礎設備上進行布線，難度大、成本高。

針對這些情況，本文設計了一種在線的分布式無線監測系統[2]，根據風力發電機組主要設備所處工況、采樣頻率和結構原理的各種要求，開發了低功耗、自組織、能量自檢的無線加速度節點、溫度節點和電流節點等。利用IAR開發環境設計了Zig Bee協議棧，將Zig Bee協議棧移植到無線節點中，將節點安裝在風力發電機組的測點上，形成自組織、動態和可靠的通信子網，并通過Zig Bee網關轉換成TCP/IP協議之后，用分布式數據庫對傳感器網絡的數據進行存儲，為龐大的數據流提供了有效的服務，在集控室內進行顯示、預處理和自動分析，中心數據庫還可以提供遠程數據服務，為風力發電機組遠程故障診斷提供數據依據。

1 系統總體設計

風力發電機組無線監測系統是一個層次型網絡：1)最底層為部署在風力發電機組的傳感器節點和協調器組成的Zig Bee通信子網；2)網管通過協議轉換負責將采集到的數據傳輸至風機的光纖網絡；3)從風機到控制中心的光纖通信；4)控制中心的數據庫管理平臺和遠程數據服務平臺。系統結構圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 無線傳感器網絡節點

無線傳感器節點的體系結構由傳感器模塊、處理器模塊、無線收發模塊和能量供應模塊四部分組成。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換，處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制信息和收發采集數據；能量供應模塊為傳感器節點提供運行所需的能量。

圖1 系統總體結構

傳感器模塊包含ADXL345低功耗三軸加速度計[3]和SHT10數字式溫濕度傳感器[4]，處理器模塊采用CC2530[5]，模塊的天線采用的是倒F天線和折疊偶極子天線，通信性能良好。節點采用低功耗模式，供電電池可滿足現場要求。傳感器節點硬件原理圖如圖2所示。

圖2 傳感器節點硬件原理圖

2.2 Zig Bee網關

Zig Bee網關的核心芯片是RT5350，通過Zig Bee協議到TCP/IP協議的過渡，完成數據幀格式的轉換。一方面，協調器將從以太網口接收的上位機的命令，通過RS—232接口傳送至協調器;另一方面，協調器將接收的傳感器節點采集的監測數據通過RS—232口傳送網關，網關通過以太網口將數據傳輸至集控中心。協調器和網關的硬件結構如圖3所示。

圖3 協調器和網關的硬件結構圖

3 系統軟件設計

3.1 Zig Bee通信子網

整個Zig Bee自組織網絡基于Z-Stack協議棧，Zig Bee無線傳感器網絡中包括終端節點和協調器節點，組成星型網絡。

3.1.1 終端節點

終端節點是傳感器經過串行接口接入Zig Bee模塊，完成對風力發電機組各個測點的數據采集和傳輸。

無線傳感器節點采用I2C總線形式，分別連接ADXL345加速度傳感器和SHT10溫度傳感器，進行數據采集，并帶有節點能量自檢測功能，將網絡地址、采集物理量參數等數據在LCD液晶屏進行顯示。

終端節點在Z-stack協議棧的應用層添加3個事件處理模塊，系統事件的無線數據發送接收事件；網絡狀態變化事件；用戶自定義的數據采集事件。

當網絡節點組建網絡或加入已創建好的無線傳感器網絡時，將觸發應用層任務中的網絡狀態變化事件；在網絡狀態變化的事件處理函數中觸發網絡節點數據采集事件，實現節點入網后便立即開始采集傳感器的數據。在數據采集事件中通過設置超時定時器，超時時間到時再次觸發數據采集事件，實現周期性的數據采集；當網絡節點接收到無線數據時，將觸發無線數據接收事件。應用層任務的上述各事件得到處理后，使其進入休眠狀態。

事件處理函數的實現：周期性數據采集的實現，是在采集完一次傳感器數據后,通過調用osal_start_timerEx(taskID,event_id,timeout_value)函數使任務超時等待一定時間，超時時間到后再次觸發數據采集事件，其中超時等待時間可自由設定。傳感器節點流程圖如圖4所示。

圖4 傳感器節點流程圖

3.1.2 協調器節點

協調器初始化后，建立網絡，構建一個唯一的PINID的Zig Bee網絡，并定時監聽信道，看是否有請求加入網絡的終端節點，如果有協調器給終端節點分配唯一的網絡地址，用來區分不同的測點采集的數據，終端節點加入網絡。在應用中首先接收上位機通過串行接口發來的啟動命令和采集頻率，協調器將命令轉發給傳感器節點，傳感器節點接收命令，并采集相應的數據，周期性地將數據反送給協調器，協調器將接收到的數據通過RS—232上傳給上位機，完成收發數據的功能，其協調器節點流程圖如圖5所示。

圖5 協調器節點流程圖

3.2 數據庫管理系統設計

Zig Bee網路是以數據為中心的網絡,運用ASP.NET技術實現風力發電機組運行參數的Web發布可以使用戶遠程查看系統的運行狀態，利用數據庫對下位機采集的數據進行接收、處理、發送控制命令、數據格式化等操作，并為用戶設計人性化的界面。數據庫由兩部分組成，第一部分是圖形用戶界面GUI，第二部分是客戶端系統。

1)圖形用戶界面

系統的登陸界面可以為用戶劃分權限,根據無線網絡和數據庫的自定義協議來配置風機的信息和客戶端信息。Zig Bee網絡客戶端向數據庫服務器端發出連接請求，然后服務器開始以IP地址和端口來監聽不同風力發電機組的運行情況。

2)客戶端系統

客戶端系統把關系表定義為2種屬性:第一類屬性是感知數據屬性，如電壓值、溫度值；第二類屬性是描述感知數據的屬性，如傳感器節點的ID、感知數據的數據類型、感知數據的度量單位等。網絡中每個傳感器節點產生一個讀數都對應的關系表中的一行。數據庫關系如表1所示。

表1 數據庫關系表

建立關系模型之后可以發送查詢命令用查詢語句來顯示感知數據，該查詢的生命期是從提交執行時間開始的3 600 s，每1 s檢測一次指定節點的溫度是否超過閾值。另外客戶端系統采用內置的TCP/IP發送控制命令包方式，網關接收到命令發送Zig Bee的協調器節點并進行命令解析，解析后把命令根據地址發送給相應的節點，去協調控制整個Zig Bee網路。

4 測試分析

通過在山西北部某風電場現場測試，根據《風力發電機組振動狀態監測導則》[6]將節點的部署在相應的測點，通過發送上位機命令來啟動整個系統。

用戶可以經過Internet遠程監測和控制整個系統的運行情況，并能夠進行離線的數據挖掘和分析。典型節點的數據輸出波形如圖6所示。

圖6 典型監測點數據輸出波形圖

系統運行一段時間后，中心服務器保存無線傳感器網絡發送的數據,從數據庫導出現場測試時截取的終端節點為0x796F加速度信號的數據如表2所示。

表2 數據導出表

根據采樣頻率的不同，采集的數據記錄也有差異，100 Hz的平均記錄為359 711，200 Hz的平均記錄為719 423.3，300 Hz的平均記錄為1 079 044，平均丟包率是0.08 %，滿足本地自動分析和遠程故障診斷的需求。

5 結束語

本文結合嵌入式、無線通信和傳感器技術，搭建了軟硬件平臺，組成風力發電機組無線狀態監測系統，對風力發電機組的各個設備進行完整監測，使風力發電機組基本實現“基于情況的維護”，并解決了現有的風電機組監控裝置在傳感器安裝和網絡部署方面復雜性高、數據采集的準確性較低、以及監控成本較高的問題。

參考文獻:

[1] 趙春生，何良平，蔣 勱,等.風電場計算機監控系統設計[J].四川理工學院學報,2012，25(5):54-57.

[2] 楊文志，譚浩廣，諶文俊.基于WSNs的風力發電機狀態監測系統[J].內蒙古科技與經濟,2011，21(2):95-96.

[3] 朱 琎，楊占勇.基于CC2530的無線振動監測傳感器節點設計[J].儀表技術與傳感器，2012,41(8):56-58.

[4] 李正民，張興偉，柳宏川.基于CC2530的溫濕度監測系統的設計與實現[J].測控技術，2013，32(5):25-28.

[5] 章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及Zig Bee協議棧設計無線網絡傳感器節點[J].計算機系統應用,2011,20(7):184-187.

[6] NB/T 31004—2011.風力發電機組振動狀態監測導則[S].