風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

尹少平， 焦錦繡， 王靈梅， 段臨志

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

0 引 言

目前，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員主要通過(guò)機(jī)組的主控系統(tǒng)和定期巡視檢查來(lái)了解機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，但監(jiān)控系統(tǒng)尚有需要完善的地方[1]：風(fēng)電場(chǎng)氣候條件比較惡劣，需要工作人員進(jìn)行日常的巡檢維護(hù)，增加了維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)不同，往往需要對(duì)不同設(shè)備的運(yùn)行情況作具體分析，并做出具有針對(duì)性的分析處理；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)缺乏對(duì)機(jī)組振動(dòng)等狀態(tài)的監(jiān)測(cè)手段；有線監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)備上進(jìn)行布線，難度大、成本高。

針對(duì)這些情況，本文設(shè)計(jì)了一種在線的分布式無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要設(shè)備所處工況、采樣頻率和結(jié)構(gòu)原理的各種要求，開(kāi)發(fā)了低功耗、自組織、能量自檢的無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)、溫度節(jié)點(diǎn)和電流節(jié)點(diǎn)等。利用IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了Zig Bee協(xié)議棧，將Zig Bee協(xié)議棧移植到無(wú)線節(jié)點(diǎn)中，將節(jié)點(diǎn)安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的測(cè)點(diǎn)上，形成自組織、動(dòng)態(tài)和可靠的通信子網(wǎng)，并通過(guò)Zig Bee網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議之后，用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，為龐大的數(shù)據(jù)流提供了有效的服務(wù)，在集控室內(nèi)進(jìn)行顯示、預(yù)處理和自動(dòng)分析，中心數(shù)據(jù)庫(kù)還可以提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程故障診斷提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)層次型網(wǎng)絡(luò)：1)最底層為部署在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器組成的Zig Bee通信子網(wǎng)；2)網(wǎng)管通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至風(fēng)機(jī)的光纖網(wǎng)絡(luò)；3)從風(fēng)機(jī)到控制中心的光纖通信；4)控制中心的數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

傳感器模塊包含ADXL345低功耗三軸加速度計(jì)[3]和SHT10數(shù)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(jié)點(diǎn)采用低功耗模式，供電電池可滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件原理圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

2.2 Zig Bee網(wǎng)關(guān)

Zig Bee網(wǎng)關(guān)的核心芯片是RT5350，通過(guò)Zig Bee協(xié)議到TCP/IP協(xié)議的過(guò)渡，完成數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換。一方面，協(xié)調(diào)器將從以太網(wǎng)口接收的上位機(jī)的命令，通過(guò)RS—232接口傳送至協(xié)調(diào)器;另一方面，協(xié)調(diào)器將接收的傳感器節(jié)點(diǎn)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RS—232口傳送網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳輸至集控中心。協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Zig Bee通信子網(wǎng)

整個(gè)Zig Bee自組織網(wǎng)絡(luò)基于Z-Stack協(xié)議棧，Zig Bee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，組成星型網(wǎng)絡(luò)。

3.1.1 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)是傳感器經(jīng)過(guò)串行接口接入Zig Bee模塊，完成對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并帶有節(jié)點(diǎn)能量自檢測(cè)功能，將網(wǎng)絡(luò)地址、采集物理量參數(shù)等數(shù)據(jù)在LCD液晶屏進(jìn)行顯示。

終端節(jié)點(diǎn)在Z-stack協(xié)議棧的應(yīng)用層添加3個(gè)事件處理模塊，系統(tǒng)事件的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送接收事件；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化事件；用戶自定義的數(shù)據(jù)采集事件。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組建網(wǎng)絡(luò)或加入已創(chuàng)建好的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將觸發(fā)應(yīng)用層任務(wù)中的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化事件；在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化的事件處理函數(shù)中觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集事件，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后便立即開(kāi)始采集傳感器的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集事件中通過(guò)設(shè)置超時(shí)定時(shí)器，超時(shí)時(shí)間到時(shí)再次觸發(fā)數(shù)據(jù)采集事件，實(shí)現(xiàn)周期性的數(shù)據(jù)采集；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到無(wú)線數(shù)據(jù)時(shí)，將觸發(fā)無(wú)線數(shù)據(jù)接收事件。應(yīng)用層任務(wù)的上述各事件得到處理后，使其進(jìn)入休眠狀態(tài)。

事件處理函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：周期性數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)，是在采集完一次傳感器數(shù)據(jù)后,通過(guò)調(diào)用osal_start_timerEx(taskID,event_id,timeout_value)函數(shù)使任務(wù)超時(shí)等待一定時(shí)間，超時(shí)時(shí)間到后再次觸發(fā)數(shù)據(jù)采集事件，其中超時(shí)等待時(shí)間可自由設(shè)定。傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

3.1.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器初始化后，建立網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建一個(gè)唯一的PINID的Zig Bee網(wǎng)絡(luò)，并定時(shí)監(jiān)聽(tīng)信道，看是否有請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，如果有協(xié)調(diào)器給終端節(jié)點(diǎn)分配唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，用來(lái)區(qū)分不同的測(cè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。在應(yīng)用中首先接收上位機(jī)通過(guò)串行接口發(fā)來(lái)的啟動(dòng)命令和采集頻率，協(xié)調(diào)器將命令轉(zhuǎn)發(fā)給傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)接收命令，并采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，周期性地將數(shù)據(jù)反送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS—232上傳給上位機(jī)，完成收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，其協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Zig Bee網(wǎng)路是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò),運(yùn)用ASP.NET技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的Web發(fā)布可以使用戶遠(yuǎn)程查看系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理、發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)格式化等操作，并為用戶設(shè)計(jì)人性化的界面。數(shù)據(jù)庫(kù)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(tǒng)。

1)圖形用戶界面

系統(tǒng)的登陸界面可以為用戶劃分權(quán)限,根據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)的自定義協(xié)議來(lái)配置風(fēng)機(jī)的信息和客戶端信息。Zig Bee網(wǎng)絡(luò)客戶端向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端發(fā)出連接請(qǐng)求，然后服務(wù)器開(kāi)始以IP地址和端口來(lái)監(jiān)聽(tīng)不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況。

2)客戶端系統(tǒng)

客戶端系統(tǒng)把關(guān)系表定義為2種屬性:第一類屬性是感知數(shù)據(jù)屬性，如電壓值、溫度值；第二類屬性是描述感知數(shù)據(jù)的屬性，如傳感器節(jié)點(diǎn)的ID、感知數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型、感知數(shù)據(jù)的度量單位等。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)讀數(shù)都對(duì)應(yīng)的關(guān)系表中的一行。數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系表

建立關(guān)系模型之后可以發(fā)送查詢命令用查詢語(yǔ)句來(lái)顯示感知數(shù)據(jù)，該查詢的生命期是從提交執(zhí)行時(shí)間開(kāi)始的3 600 s，每1 s檢測(cè)一次指定節(jié)點(diǎn)的溫度是否超過(guò)閾值。另外客戶端系統(tǒng)采用內(nèi)置的TCP/IP發(fā)送控制命令包方式，網(wǎng)關(guān)接收到命令發(fā)送Zig Bee的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行命令解析，解析后把命令根據(jù)地址發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，去協(xié)調(diào)控制整個(gè)Zig Bee網(wǎng)路。

4 測(cè)試分析

通過(guò)在山西北部某風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)導(dǎo)則》[6]將節(jié)點(diǎn)的部署在相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)，通過(guò)發(fā)送上位機(jī)命令來(lái)啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。

用戶可以經(jīng)過(guò)Internet遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并能夠進(jìn)行離線的數(shù)據(jù)挖掘和分析。典型節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)輸出波形如圖6所示。

圖6 典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)輸出波形圖

系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，中心服務(wù)器保存無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)截取的終端節(jié)點(diǎn)為0x796F加速度信號(hào)的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)導(dǎo)出表

根據(jù)采樣頻率的不同，采集的數(shù)據(jù)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(dòng)分析和遠(yuǎn)程故障診斷的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合嵌入式、無(wú)線通信和傳感器技術(shù)，搭建了軟硬件平臺(tái)，組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行完整監(jiān)測(cè)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本實(shí)現(xiàn)“基于情況的維護(hù)”，并解決了現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控裝置在傳感器安裝和網(wǎng)絡(luò)部署方面復(fù)雜性高、數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性較低、以及監(jiān)控成本較高的問(wèn)題。

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