基于北斗系統的離岸波浪能發電裝置數據監測系統設計

王世明,楊浩,田卡,楊志乾

(上海海洋大學 工程學院 上海 201306)

0 引 言

社會的快速發展對能源的需求越來越大,而化石能源的大量消耗以及燃燒帶來嚴重的環境污染.開發清潔能源是解決當前現狀的途徑.相比于太陽能發電和風力發電,波浪能發電具有獨特的優勢,地理位置限制小,對海洋生物環境影響小,能量密度大.我國波浪能分布廣泛,儲藏量大,有18000多千米的海岸線,6960多個島嶼,理論上,我國近海岸可利用波浪能約0.7×108～1.7×108kW,具有很好的開發利用前景[1-3].由于波浪能的變化具有隨機性和不可預測性,而波浪能發電裝置遠離海岸工作,需要遠程監測手段來實時掌握其工作數據,實現波浪能發電效率的最大化.

北斗衛星導航系統(BDS,簡稱北斗系統)是我國自主研發完成,具有精確定位和雙向短報文通信功能,能夠全天不間斷服務,無服務盲區,該系統被廣泛應用于軍用和民用領域,發揮了重要作用,取得了很大的經濟和社會效益.和GPS系統相比,北斗系統短報文功能彌補無線通信的不足[4].

雙向直驅式波浪能發電裝置(如圖1所示)采用兩側發電機和中間葉輪的對稱分布方式,該發電裝置主要應用于海洋監測浮標和燈塔的供電,在離岸式工作環境下,發電設備的工作狀態無法實時掌握控制.因此,本文利用北斗系統的雙向短報文通信功能,設計了一種離岸波浪能發電裝置數據監測系統,通過此監測系統實時掌握波浪能發電裝置的輸出電壓、電流功率數據,通過遠程控制界面完成數據的實時監測與存儲,具有重要應用價值.

1 數據監測系統方案設計

該系統由海上數據采集節點、岸上監測中心組成.總體設計如圖2所示.

海上采集節點由數據采集器、北斗通信終端組成.發電機輸出的電壓與電流,經過單相直流多功能電能表將高電壓、大電流轉化為低電壓、小電流,獲取電壓與電流信號并計算功率.數據采集器以STM32微處理器為主控制單元,內部嵌入TTL電路,收集來自電能表的信號,再經過電平轉換,由北斗通信終端將信號發出.

岸上監測中心由北斗指揮機、PC端機及網絡環境組成.北斗指揮機接收北斗終端信號,通過RS485總線將信號輸入PC端機,編寫軟件界面識別數據源、解密、解壓縮等處理,實現PC端實時監測.考慮設備長期運行,數據累積量較大,選擇聯網上傳至服務器存儲數據,登陸局域網內IP地址,可實時查看數據.

北斗系統有無線電測定業務(RDSS)和無線電導航業務(RNSS)兩種工作模式,RDSS工作模式下,可以同時完成定位和短報文通信,RNSS工作模式下,只能進行定位,無短報文通信功能[5-8].雙向直驅式波浪能發電裝置是遠離海岸投放,岸上監測中心需要通過北斗系統獲取離岸發電裝置位置信息及監測數據,人員可以遠程觀察發電設備的工作狀態.因此選用北斗系統的RDSS工作模式完成波浪能發電裝置的定位和測試數據傳輸.北斗通信終端應具備報文通信能力與抗風浪引起的波動能力.

2 數據監測系統硬件電路設計

該基于北斗系統的波浪能發電裝置監測系統的海上部分主要由北斗通信模塊GYM2003B、STM32微處理器、數據采集模塊和電源模塊等部分組成.數據采集模塊用于采集發電機端輸出的電壓、電流及功率參數,經過RS485串口總線進入STM32F103ZE控制器中,由北斗通信終端GYM2003B發出.在岸上監測中心,北斗指揮機接收海上數據信號,通過RS485總線將信號輸入PC端,PC端通過人機交換界面解析數據,并上傳至上海海洋大學服務器中,同時完成對數據的顯示.

2.1 海上監測部分電路設計

海上監測系統部分的硬件接口設計圖如圖3所示.由于設計發電機額定電壓限制,輸出的電壓、電流均有上下限值,考慮電數據保留兩位有效數字,故單個數據長度為4個字節,每2 s采集一次數據,考慮數據包加密需2個字節,對于該雙向發電機單次可產生至少14個字節數據.北斗通信模塊GYM2003B只能發送120字/次的短報文,設計時,要求收集8 s數據再完成北斗通信傳輸.采用RS485總線作為傳輸總線,RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合,抗共模干擾能力增強,即抗噪聲干擾性好;RS-485采用差分信號負邏輯,接口信號電平較低,不易損壞接口電路的芯片,方便與TTL電路連接.STM32F103ZE控制器(如圖4所示)實現數據延時發送與存儲、時鐘信號控制、北斗通信控制等,內部擁有高達2 MB的FLASH存儲器和128 kB的RAM存儲器,數據處理較快,滿足監測系統要求.北斗通信模塊GYM2003B是北斗RDSS全功能通信模塊,尺寸為58.4 mm×46.5 mm×8 mm,集成度高、接口方便,通過簡單的外圍電路設計,即可快速靈活地完成控制.程序下載模塊可連接計算機,實現微控制器的檢查與工作參數的設定.同時增加了多種擴展口,可搭載其他類型的傳感器或者發電設備的數據信號.

北斗通信終端模塊GYM2003B的主要性能指標數據如下:

(a)正常工作電壓:+4.9V～+5.2V;

(b)通訊接口:RS485串行接口;

(c)自動定位時間:小于等于2 min;

(d)接口傳輸速率:2400～115200 bit/s.

STM32F103ZE控制器TTL電平轉換電路如圖5所示,其主控芯片型號為SP3485.

2.2 監測軟件界面

監測軟件界面是由VB軟件編成,如圖6所示,其主要功能為串口數據解碼、數據庫管理和界面顯示.北斗指揮機通過RS485總線將數據傳輸至PC端機,完成數據解碼,存儲到Access數據庫中,同時將信息在界面上實時顯示.在上海海洋大學服務器上搭建好數據庫,PC端機聯網以后,可將本地數據庫上傳至服務器上的數據庫,修改配置文件,其他用戶可以登陸局域網內IP地址,實時查看數據.

3 海上試驗

雙向直驅式波浪能發電裝置選擇布放在廈門市大擔島附近海域,位置為北緯24°23′48″,東經118°11′59″.當地潮流落差為6 m左右,流速變為 0.5～2.4 m/s,達到試驗所要求的條件.如圖7所示,2017年7月—2017年8月進行30天的海上運行試驗.裝置運行期間,應接收數據包為118635個,實際接收數據包為117460個,數據接收率為99.01%;PC端軟件界面能夠實時監測.運用GPS進行數據監測，數據接收率為92.23%.通過試驗對比，整個北斗通訊與監測系統更穩定可靠，數據接收率高，運行穩定.

4 結束語

本文設計了一種基于北斗系統的離岸波浪能發電裝置數據監測系統.下位機主控制器為STM32,VB編寫上位機軟件,結合北斗通信模塊與其他數據采集傳感器,軟硬件結合共同構建整個監測系統,數據處理后,再利用北斗系統的RDSS工作模式下發送于指揮端接收.由海上試驗數據可以看出,該數據監測系統能夠實時監測發電設備運行狀況,并且系統運行可靠,數據傳輸準確,數據包的接收率達到99.01%,該類型的監測系統設計對海洋裝備的數據監測具有一定的借鑒意義.后續該系統需進一步增加海上試驗時間,改善數據處理能力,設計時,預留多個擴展接口,為該發電裝置規模化示范應用做準備.