北斗衛星導航系統在海洋能發電設備參數監控中的應用

王世明,田園

(上海海洋大學 工程學院，上海 201306)

0 引 言

北斗衛星導航系統(BDS)是繼美國全球定位系統(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)與歐盟的伽利略衛星導航系統(GALILEO)之后,又一成熟的衛星導航系統,由中國獨立自主研制,建設,運行,并且與前述的衛星系統能夠兼容運行的全球性導航系統,標志中國成為繼美國、俄羅斯之后,世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家[1]。

北斗衛星系統已成功地應用于測繪、水利、漁業、電信業、交通運輸、公共安全等諸多領域已經取得巨大的經濟效益和社會效益。

我國是海洋大國,擁有18000多千米的海岸線和300多萬平方千米的“海洋領土”。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》將再生能源規模化利用原理和新途徑作為“能源可持續發展中的關鍵科學問題”;《可再生能源中長期發展規劃》中也提出了積極推進海洋能的開發利用[2]。十八大報告明確提出了“提高海洋資源開發能力,發展海洋經濟,保護海洋生態環境,堅決維護國家海洋權益,建設海洋強國”的口號,也因此波浪能發電作為一種重要的海洋能量利用方式,不僅是近年來技術攻克的熱門研究課題,更得到了國家的大力支持[3]。

波浪能究其本身,是一種沒有規律的能源,應用于波浪能的發電設備,均需要放置于海洋,由于海洋環境變幻無常,十分復雜,導致了發電設備的耗損率較高,這就需要有較為成熟完備的監控手段和定位系統,為波浪能發電設備服務,用以監控和調整,在減少不必要損失的同時,將波浪能的能源利用率最大化。

1 柔性漂浮式海洋能發電設備簡介

由上海海洋大學獨立研制的柔性直驅式漂浮浪輪機,采取柔性直驅式浪輪結構,有效突破傳統的經過機械能轉換的三級波浪能轉換模式,實現波浪能發電設備核心零部件和整機原理、材料及備制技術和工藝的突破,目前原理樣機已經進行水槽實驗和海試實驗,形成了秦皇島碼頭、上海電氣臨港重型機械裝備有限公司等地的長期海試報告及可驗證的發電記錄。

柔性漂浮式海洋能發電設備結構示意圖如圖1所示

此設備采用雙向葉輪直驅式發動機,波浪能能量在導流罩內形成匯集,快速沖擊葉輪,葉輪獲取扭矩進一步帶動兩側的發電機旋轉,最終實現電能及轉速信號的輸出。

采集到的信號通過發電系統收集,處理,并傳輸至控制端,其整套的發電系統運行原理圖如圖2所示。

2 海洋能發電設備通信方式的方案選取

系統中使用的無線通信方式GPRS,是通用分組無線業務的簡稱,屬于第二代移動通信中的數據傳輸技術,是基于IP技術和移動通信技術相結合的產物。

北斗衛星導航系統在“十三五”被國家科技部點名運用于“遠海關鍵技術與裝備”,北斗衛星導航系統作為遠海裝備的關鍵技術之一,是因為北斗衛星導航系統能做到定位和通信,能夠獲取與傳輸海洋作業裝備的信息,由上海海洋大學研發的直驅式浪輪發電設備,就采用了北斗衛星導航系統進行定位與信息傳輸,可以及時地獲取波浪能發電設備的信息,以便完成對發電設備的各項參數調整。

波浪能發電設備一般用于遠海作業,數據傳輸與數據通訊成為波浪能發電中非常重要的一環,只有將發電設備所處地的實時測試數據通過無線通信的方式傳輸到控制中心,監控后臺才能知曉所處地,發電設備的運行狀態(包括電流,電壓,輪機轉動速率,發電設備功率等)。

北斗衛星通信系統具有兩種工作模式,分為RDSS模式和RNSS模式。RDSS模式可以進行定位,也可以進行短報文通信,在RDSS模式的運行下,定位和短報文通信需要每1 min一次,這樣無法滿足發電設備的實時監控需求[5]。RNSS模式可以實現每秒的定位,但是RNSS模式沒有辦法實現短報文通信功能。綜上所述,采用RDSS和RNSS兩種模式共同協作的方式,可以滿足發電設備實時監控,又能通過RDSS模式下短報文[6]的通信將定位信息傳送給接收終端。

海洋能發電設備遠程監測系統,其研制的PCB布局如圖3所示,其中包括單片機,以及通過串口受單片機控制的通信模塊、傳感器、電平轉換和存儲數據的外擴FLASH,以及提供定時發送中斷的時鐘芯片。

3 海洋能發電設備通訊系統原理與設計

系統通過GPRS無線通信的工作原理如圖4所示,通過GPRS模塊與BTS(GSM基站)通信,數據通過BSC(基站控制器)分組后分別發送到SGSN(服務GPRS支持節點)與MSC(移動交換中心),SGSN與GGSN(GPRS網關支持節點)進行通信及數據處理后,再發送至目的地網絡PDN(分組數據網)[7]。

由于遠海環境的不可預測性,為防止惡劣的環境因素對數據傳輸造成干擾,因此在發電設備的通訊方案選擇上,選取了雙通道傳輸方式。雙通道的傳輸方式好處在于[8],某通道出現工作不正常的時候,另一通道可以作為互補,實現信息的上傳以及下載功能。

設備的通訊方案如圖5所示,由波浪能發電設備對基站發出信號,通過基站與移動交換設備進行數據交換,所接收的數據信息,通過網關和路由器、防火墻后,能傳達至上海海洋大學的移動數據服務平臺,通過校內直接使用與校外VPN分方式訪問,可以直接遠程訪問波浪能發電設備各項參數的功能,實現監測。

北斗衛星導航系統根據各部分的組成,以及空間分布和位置功能,可以簡單的一分為三,一是北斗衛星空間衛星端,二是地面控制端,三是用戶終端。其中北斗衛星空間衛星端由地球同步軌道衛星與低軌道衛星兩種衛星共同組成,其作用主要是作為無線電信號的中轉站,其二地面控制端則是整個北斗衛星導航系統的核心樞紐,是整個系統的管理與控制中心,對于所有經過這個系統傳輸的數據,都是通過地面控制端進行處理與計算,并且通過地面控制端進行無線電信號的發送與接收,其三用戶終端則是用戶直接使用的裝置。系統選用的北斗衛星導航系統進行通信的結構框圖如圖6所示。其中,地面設備分三個部分構成。第一個部分是發電設備參數采集端,投放至遠海的發電設備,其設備中安置有各類傳感器,以實時收集發電設備的當前狀態(電流,電壓,輪機轉動速率,發電設備功率等);第二個部分是地面控制中心,負責整個系統的管理和信息傳輸;第三個部分是作為用戶端的遠程監控中心。

第一部分的發電設備參數采集端,將發電設備實時狀態信息,通過發電設備搭載的傳感器,通過短報文將設備的運行信息,如功率、電壓、轉速等收集并傳送給北斗衛星,北斗衛星將采集的參數信息發送給地面控制中心的北斗信號接收機,地面控制中心將接收的信息進行解析,再將解析過后的信息又發送北斗衛星,最后北斗衛星將收到的返回信息發送至遠程監控中心的北斗信號接收機,并進行信息提取和解析,這樣就能成功實現發電設備和遠程監控中心的雙向通信。

4 監控系統的運行與測試

此次測試,將發電設備投放于海洋環境相對較好的青島黃島區海域進行海上實驗,將監控的設備參數,通過監控系統傳輸至遠程監控中心,接收衛星發回的發電設備采集參數直接在后臺可見,通過VB編程軟件展示,其各項參數直觀可見,界面如圖7所示。

5 結束語

北斗衛星系統是由我國自主研發,自主運行的新一代衛星定位通信系統,相比較起國外的衛星導航通訊系統(如GPS等),其投入資本會更小,并且由于其自主研發的特性,所以可靠性和保密性會更高。本文為實現遠海波浪能發電設備的監控,提供了一種基于北斗衛星導航系統的監控方案,從實驗所得到的數據來看,其監控的發電設備各項參數,都可以實時穩定的監測。事實證明,本方案可以有效地對波浪能發電設備實現遠程信息采集和控制,為我國的遠海監測平臺提供有力的支持。

[1] 唐金元.北斗衛星導航區域系統發展應用綜述[J].全球定位系統,2013,38(5):47-52.

[2] 康壽嶺.海洋環境監測數據集成系統概論[J].氣象水文海洋儀器,2004(1):1-9.

[3] 張輝,焦誠,白龍.北斗衛星導航系統建設和應用現狀[J].電子技術與軟件工程,2015(11):25-28.

[4] 倪國江. 基于海洋可持續發展的中國海洋科技創新戰略研究[D].中國海洋大學,2010.

[5] LEE J Y, KIM H S, CHOI K H,etal. Adaptive GPS/INS integration for relative navigation[J]. GPS Solutions, 2016, 20(1):63-75.

[6] 谷軍霞,王春芳,宋之光.北斗短報文通信信道性能測試與統計分析[J].氣象科技,2015,43(3):458-463.

[7] 楊一帆,李斌,姚駿,等.基于GPRS的遠程監控系統設計[J].工業控制計算機,2016,29(12):98-99.

[8] 董慧芬,周元鈞,沈頌華.雙通道無刷直流電動機容錯動態性能分析[J].中國電機工程學報,2007(21):89-94.