基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場智慧監(jiān)控系統(tǒng)

張雁忠, 刁嘉, 翟化欣, 胡曉虎, 楊俊豐

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司,河北,張家口 075000; 2.國網(wǎng)冀北張家口風(fēng)光儲輸新能源有限公司,河北,張家口 075000)

0 引言

新能源風(fēng)電機場的應(yīng)用越來越廣泛,考慮到風(fēng)電場的運行安全與數(shù)據(jù)安全,研究風(fēng)電場的監(jiān)控系統(tǒng),在傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)中存在著風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)成本高、風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)較薄弱以及運行和評估分析不完善等問題。

為了解決以上傳統(tǒng)風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的不足,有學(xué)者對此進行了研究:文獻[1]提出了一種統(tǒng)一平臺的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)采用多線程和縣城同步技術(shù),利用JSON數(shù)據(jù)交換技術(shù),實現(xiàn)風(fēng)電場的運行監(jiān)控以及對風(fēng)電場的數(shù)據(jù)分析,但系統(tǒng)在性能的測試中,隨著風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴大,存在著系統(tǒng)壓力過大的性能問題;文獻[2]提出了一種基于應(yīng)用程序的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng),搭建了應(yīng)用程序平臺,采用OPC Item標(biāo)簽對象寫入數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)風(fēng)電場的監(jiān)控功能,但由于風(fēng)力發(fā)電的波動性和隨機性,監(jiān)測出輸出的功率存在很大的誤差。

針對上述的問題,本文研究了風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方法,首先設(shè)計了基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng),以嵌入式系統(tǒng)為核心,進行對風(fēng)電場數(shù)據(jù)的采集,實現(xiàn)風(fēng)電場、風(fēng)電機組運行狀態(tài)、設(shè)備安全狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)等信息的監(jiān)控,然后研究風(fēng)電場智能化管理與故障診斷,采用MySQL對風(fēng)電場的數(shù)據(jù)進行分析管理,利用樣本約簡的方法和支持向量機算法實現(xiàn)對風(fēng)電場故障的診斷[3]。

1 基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 總體設(shè)計

利用嵌入式技術(shù)設(shè)計風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng),使用嵌入式系統(tǒng)作為風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的控制器,實現(xiàn)風(fēng)電機組運行狀況、風(fēng)電機組各設(shè)備運行狀況、風(fēng)電場現(xiàn)場等信息的監(jiān)控[4]?；谇度胧郊夹g(shù)的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)由風(fēng)電機組、嵌入式系統(tǒng)、服務(wù)器、客戶端以及監(jiān)控中心人機界面組成,通過嵌入式系統(tǒng)對風(fēng)電機組的風(fēng)力、電力信號進行采集,采集到的風(fēng)電信號傳輸給存儲模塊,進行對風(fēng)電信號處理,處理后的信號通過Web服務(wù)器傳輸至監(jiān)控客戶端以及遠程監(jiān)控客戶端。利用DSP+ARM雙CPU結(jié)構(gòu),進行對風(fēng)電場的數(shù)據(jù)采集與計算。系統(tǒng)利用嵌入式的Web服務(wù)器與風(fēng)電場的遠程監(jiān)控端進行通信,實現(xiàn)風(fēng)電場的遠程監(jiān)控[5-6]。

1.2 硬件設(shè)計

本文研究的基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計采用嵌入式系統(tǒng)為核心,對風(fēng)電機組的電壓、電流、風(fēng)向、風(fēng)速、功率以及電網(wǎng)頻率等數(shù)據(jù)的監(jiān)控。硬件系統(tǒng)由主控制器、遠程控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換電路組成[7]?；谇度胧郊夹g(shù)的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

該系統(tǒng)采用ARM RISC架構(gòu)的32位嵌入式微處理器,具有高性能、低功耗、低成本的特性,利用以太網(wǎng)的通信方式,實現(xiàn)對風(fēng)電機場的遠程監(jiān)控,用戶可直接通過遠程客戶端直接訪問設(shè)備,并且處理器提供32位的ARM指令集和16位Thumb指令集,具有豐富的接口,嵌入式微處理器的特性參數(shù)如表1所示。

表1 嵌入式微處理器的特性參數(shù)

系統(tǒng)中的電源電路利用5 V、3.3 V和1.8 V等3種直流的穩(wěn)壓電源,系統(tǒng)的外圍硬件電路使用的是3.3 V電源,S3C2410X使用的是3.3 V和1.8 V電源,有一部分則使用5 V電源,可實現(xiàn)不同電壓的供電方式[8]。

該系統(tǒng)中的晶振電路使用位于核心板內(nèi)的無源晶振X1,為PLL系統(tǒng)和USB PLL系統(tǒng)提供時鐘源的輸入;復(fù)位電路可實現(xiàn)上電復(fù)位和按鍵復(fù)位的功能,通過JTAG接口與復(fù)位電路相連,實現(xiàn)對系統(tǒng)的復(fù)位。

該系統(tǒng)中利用Flash存儲器模塊,實現(xiàn)風(fēng)電場采集的數(shù)據(jù)的存儲以及嵌入式軟件的存儲,選用K9F1208U0M芯片,當(dāng)系統(tǒng)開始運行時,CPU從0x00000000地址開始運行,因此將Flash存儲器的初始地址映射到0x00000000[9]。

為了方便觀察風(fēng)電場各種信號的運行狀況,設(shè)計了顯示屏與觸摸屏,采用LCD顯示,利用TFT型的屏,具有觸摸屏控制器,支持16 M顏色,LCD控制器可直接從內(nèi)部存儲器的圖像內(nèi)存中把圖像等幀信號直接傳輸至LCD。嵌入式系統(tǒng)的觸摸屏分為電阻式、電容式和電感式,本文采用的是電阻式觸摸屏,具有精確的觸摸點。

數(shù)據(jù)采集電路利用S3C2410X與三相正弦脈寬調(diào)制波發(fā)生器SA4828為核心,對風(fēng)電場的數(shù)據(jù)信號進行采集,輸出波形、幅值、頻率等信號,通過SA4828調(diào)整輸出頻率、電壓,進行及時保護,從而實現(xiàn)風(fēng)電場運行狀態(tài)的監(jiān)控以及遠程監(jiān)控。

1.3 軟件設(shè)計

基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分,使用嵌入式Linux系統(tǒng)進行開發(fā),系統(tǒng)由風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫存儲模塊、通信系統(tǒng)模塊、人機交互模塊、電力查詢模塊、報表信息模塊和外圍服務(wù)模塊組成?；谇度胧郊夹g(shù)的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

系統(tǒng)的風(fēng)電機組數(shù)據(jù)監(jiān)控是整個系統(tǒng)的核心,通過綜合運行信息管理平臺查看各風(fēng)電場所屬風(fēng)機的實時運行狀態(tài),并以風(fēng)電機組的運行狀態(tài)進行合理修改各運行機組的運行參數(shù)減少風(fēng)電場故障的發(fā)生。

升壓站設(shè)備監(jiān)控模塊利用繼電保護開發(fā)PCS-9700風(fēng)電場集控站系統(tǒng),對風(fēng)電場進行設(shè)備監(jiān)控,風(fēng)電場的設(shè)備數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)點對點的通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄崟r數(shù)據(jù)庫。

將風(fēng)電場采集到的數(shù)據(jù)傳輸至集控中心服務(wù)器,在客戶端服務(wù)器可以進行對風(fēng)電場歷史數(shù)據(jù)的查詢、風(fēng)電場信息的查詢、故障信息查詢以及將數(shù)據(jù)導(dǎo)出的功能,實現(xiàn)風(fēng)電場數(shù)據(jù)的合理化管理。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集報表模塊,通過風(fēng)電場側(cè)關(guān)口來記錄風(fēng)電場的初始數(shù)據(jù),采用相應(yīng)倍率計算產(chǎn)生的電量數(shù)據(jù),并與集控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器連接,將采集到的風(fēng)電場數(shù)據(jù)傳輸至集控中心后臺,獲得數(shù)據(jù),生成數(shù)據(jù)報表。

2 風(fēng)電場的智能化管理以及故障診斷

設(shè)計風(fēng)電場智能化管理系統(tǒng),并采用樣本約簡算法,實現(xiàn)風(fēng)電場的故障診斷,利用寫數(shù)的方式將嵌入式系統(tǒng)中采集到的風(fēng)電場數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤L(fēng)電場智能化管理系統(tǒng)的MySQL數(shù)據(jù)庫,智能化管理系統(tǒng)將接收到的數(shù)據(jù)進行分類處理顯示。數(shù)據(jù)流向結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)流向結(jié)構(gòu)圖

為了提高風(fēng)電場的智能化管理水平,研究風(fēng)電場故障診斷方法,減少風(fēng)電場的故障發(fā)生頻率,并提高故障診斷的效率,利用樣本約簡支持向量機算法,實現(xiàn)風(fēng)電場故障診斷樣本的提取,最終實現(xiàn)風(fēng)電場故障的診斷。該算法的原理圖如圖5所示。

圖5 算法原理圖

支持向量機算法通過尋找最優(yōu)分界面,提取含有支持向量的約簡故障樣本,從而提高算法的效率。通過有效提取內(nèi)部非向量樣本點可以提高算法執(zhí)行的效率,樣本約簡訓(xùn)練樣本集定義為

S={(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)},x∈Rn,

yj∈{+1,-1}

(1)

設(shè)第一類樣本集為S1,即第二類樣本集為S2,即S1={x|y=-1,x∈S}。對樣本所處的N維向量空間定義一個N維的最小跨度向量Ds:

(2)

式(2)中,max(xi)表示樣本中在每一個維度的數(shù)據(jù)最大值,min(xi)表示數(shù)據(jù)樣本中維度的最小值,m表示一常數(shù),m的取值為樣本數(shù)目的1/k,通常情況下k的取值小于10。

以離N維空間中開始點為距離樣本數(shù)據(jù)最近的樣本點,以Ds中每個維度的空間大小進行樣本劃分,劃分成樣本空間邊長為di的樣本塊(Sample Block,S-Block)。將S-Block中第一類樣本的個數(shù)用φ-來表示,φ+表示第二個樣本點的個數(shù),則定義該S-Block的密度為

(3)

式(3)中,當(dāng)φ+≥φ-時,ρ表示非負數(shù),當(dāng)φ+<φ-時,ρ表示負數(shù)。設(shè)閥值表示為θ(0≤θ≤0.5),對于一個S-Block來說,當(dāng)ρ≤θ時該S-Block被稱為邊界塊,當(dāng)ρ>θ時該S-Block別稱為內(nèi)部塊。

新樣本集計算公式為Sc:

(4)

(5)

3 實驗結(jié)果與分析

本實驗平臺采用嵌入式Linux系統(tǒng)進行開發(fā),在PC機上安裝了虛擬機和開發(fā)板,并搭建了風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的虛擬環(huán)境,利用以太網(wǎng)實現(xiàn)搭建的虛擬機之間的通信。搭建的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的實驗環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 實驗環(huán)境參數(shù)

搭建的風(fēng)電場監(jiān)控測試實驗平臺如圖6所示。

圖6 實驗架構(gòu)示意圖

實驗平臺搭建好后,進行選取實驗數(shù)據(jù),錄入搭建好的實驗平臺,最后進行實驗的相關(guān)操作,實驗數(shù)據(jù)采用的是某風(fēng)電場運行的3月到10月的運行數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

實驗前的工作準(zhǔn)備好后,進行實驗操作,首先對風(fēng)電場監(jiān)控數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進行測試,實驗結(jié)果與文獻[1]和文獻[2]的實驗結(jié)果進行對比。實驗結(jié)果對比圖如圖7所示。

圖7 實驗結(jié)果對比圖

由圖7可知:本文系統(tǒng)的準(zhǔn)確性最高,并且每次測得的準(zhǔn)確性均高于80%,在第15次實驗測試時,測得的準(zhǔn)確率最高為97%,從折線圖中可以看出,測得的準(zhǔn)確率的波動較平緩;文獻[1]在進行對監(jiān)控準(zhǔn)確率進行測試時,測得的準(zhǔn)確率在40%到80%之間波動,不穩(wěn)定,起伏較大,在進行第15次實驗時,測得的準(zhǔn)確率最高為73%,與本文系統(tǒng)相比存在著明顯的差距;文獻[2]在對監(jiān)控準(zhǔn)確率進行測試時,測得的準(zhǔn)確率在40%到70%之間波動,起伏較大,在進行第30次實驗時,測得的準(zhǔn)確率最高為70%。由此可見,本文系統(tǒng)對風(fēng)電場的數(shù)據(jù)、運行、設(shè)備監(jiān)控較為準(zhǔn)確,有一定的可靠性。

基于上述對風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控準(zhǔn)確性測試實驗,接著對系統(tǒng)的性能進行測試,測試結(jié)果仍與文獻[1]和文獻[2]的實驗結(jié)果進行對比。實驗結(jié)果對比圖如圖8所示。

圖8 實驗結(jié)果對比圖

由圖8可知:在對系統(tǒng)性能測試時,監(jiān)控系統(tǒng)在遇到問題時響應(yīng)的時間最少,反映速度最快,并且在第3次實驗時,系統(tǒng)響應(yīng)時間最短為7 s;文獻[1]在對系統(tǒng)的性能進行測試時,響應(yīng)時間明顯要比本文系統(tǒng)響應(yīng)時間長,最短也需要30 s,與本文系統(tǒng)相比存在著很大的不足;文獻[2]在對系統(tǒng)的性能進行測試時,響應(yīng)時間明顯也要比本文研究的系統(tǒng)響應(yīng)時間長,但與文獻[1]系統(tǒng)相比,響應(yīng)的速度快一點,最短也需要20 s,與本文系統(tǒng)相比存在著差距。由此可見,本文系統(tǒng)響應(yīng)速度快,處理數(shù)據(jù)快,性能較好。

4 總結(jié)

為了解決傳統(tǒng)的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的薄弱以及運行和分析不完善的問題,本文研究了風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng),首先設(shè)計了基于嵌入式技術(shù)的風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng),以嵌入式系統(tǒng)為核心,實現(xiàn)了風(fēng)電場、風(fēng)電機組運行狀態(tài)、設(shè)備安全狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)等信息的監(jiān)控,考慮到風(fēng)電場海量的數(shù)據(jù)以及故障的問題,對風(fēng)電場智能化管理及故障診斷進行了研究,利用MySQL數(shù)據(jù)庫,對采集到的數(shù)據(jù)進行分類處理以及合理化管理,最后利用樣本約簡和支持向量機算法實現(xiàn)了對風(fēng)電場的故障診斷。

本文系統(tǒng)還存在著不足,由于風(fēng)電場面對的風(fēng)力是波動和隨機的,實驗中沒有對特殊天氣進行實驗,還需更深一步的研究。