智能型风能资源监测分析系统

罗文,王莉娜,肖鲲

(北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院,北京 100191)

智能型风能资源监测分析系统

罗文,王莉娜,肖鲲

(北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院,北京 100191)

风能资源的监测与分析是风场风能评估和电力系统调度、安排电能生产计划的基础。详细介绍了北京航空航天大学自主研发的智能型远程风能资源监测分析系统,基于ARM和DSP的嵌入式系统对数据进行分析与处理,依托GPRS无线网络实现数据的收发和系统的远程监控与升级,并在上位计算机配备对应的分析计算软件。系统在线远程监测风速、风向、温度、湿度、大气压力等传感器数据。记录仪采用太阳能供电,低温低功耗设计,具有避雷电路与防水防风尘外壳。在河北某风场连续运行6个月显示,系统运行性能稳定,满足工业应用要求。

风力资源监测;嵌入式系统;数据分析与计算;远程监控和升级

风能资源监测分析系统作为风电开发的必要设备,具有十分广阔的市场应用前景。本文设计了一种智能型风能资源监测分析系统,可为风场的风力发电建设以及风力发电预测提供有利的事实依据。本系统在完成现有测风设备对风能资源进行采集、处理的同时,具有低功耗、在线远程监控与升级等特点,并在上位计算机配套完整的风能资源分析软件。

1 系统结构

1.1 系统结构

如图1所示,智能型风能资源监测分析系统由下位嵌入式系统和上位计算机组成。下位机主要完成风能资源的监测,包括数据的采集和处理,上位计算机则依靠配套的自编软件完成对下位机采集数据的分析与数据源风资源相关数据的计算。下位嵌入式系统通过无线网络与上位机之间建立远程连接,完成数据的传输和系统的远程监控与升级。

图1 系统结构简图Fig.1 System structure diagram

1.2 下位嵌入式系统结构

下位嵌入式系统的硬件由各功能单元组成,包括:DSP处理单元、传感器数据采集单元、现场人机交互单元和在线远程监控服务单元。

采用TI公司的TMS320VC5509 DSP处理单元,作为主控单元负责系统的整体控制[1];传感器数据采集单元可采集风速、风向、温度、湿度等物理信息;现场交互单元通过CPLD扩展键盘和LCD,实现人机交互;在线远程监控单元由ARM9芯片和GPRS模块组成,通过DSP控制装有嵌入式操作系统的ARM利用GPRS模块访问互联网[2],实现数据的发送和系统的远程监控与升级。下位机系统结构简图如图2所示。

图2 下位机系统结构图Fig.2 Lower computer system structure

由图 2可知,系统采用了 DSP+ARM+CPLD的设计理念:DSP作为主控单元,充分利用其RTC,GPIO,McBSP,ADC等单元模块,完成数据的分析处理与系统的整体控制[3];ARM作为系统的功能扩展单元[4],实现数据的面向用户化处理、系统的网络化以及系统的多媒体扩展;CPLD同为系统的扩展单元,利用其强大的扩展能力和逻辑运算能力实现数据的多通路采集及系统的多接口扩展。本系统充分利用了DSP,ARM和CPLD的特点,建立良好的管理与运行机制,使其互相合作、各尽其责,合理并有效地完成记录仪的各项功能。

2 系统数据的分析处理

2.1 下位机系统数据处理原理

智能型风能资源监测系统的传感器数据采集单元包括:多路风速传感器,多路风向、温度、大气压力和湿度传感器,过压保护电路,比较器,CPLD计数器和A/D转换芯片。

多路风速传感器输出的正弦电压信号和多路风向、温度、大气压力、湿度传感器电压信号经过压保护电路后,多路风速传感器输出的正弦电压信号经过比较器转换成方波信号,输入到CPLD计数器,由DSP处理单元采集[5];多路风向、温度、大气压力和湿度传感器输出的电压信号经过运放调理电路输入到A/D转换芯片,由DSP处理单元采集。

系统的DSP处理单元对传感器数据采集单元输出的脉冲频率和电压进行读取,并计算、储存,方法如下。

1)对风速的处理。DSP每隔3 s读取CPLD计数器值的增量,即当前值减去上一次的计数器值,储存到缓冲区,每隔10 min读取200组数据,从读取的200组数据中选取出最大值、最小值,计算出平均值和方差值,风速按下式计算并储存,

式中:v为风速,m/s,Δ为单位时间脉冲数,Hz。

2)对风向、温度、湿度、大气压力的处理。DSP每隔3 s读取A/D转换芯片的数值,储存到缓冲区,每隔10 min读取200组数据,从读取的200组数据中选取出最大值、最小值,计算出平均值和方差值,风向、温度、湿度、大气压力4个数值按照下述公式计算并储存,

式中:θ为风向角度,(°);U 为采集的电压,V;T为温度,℃;P为大气压力,kPa;H为湿度,%。

系统以DSP的RTC(real-time clock,实时时钟芯片)作为时间基准,每3 s产生一次中断读取外部传感器的数值,同时分别以10 min,1 h,1 d为系统的时间节点完成数据处理工作,实践与理论证明,通过此采集方法得到的数据能更科学的反应风速、风向、温度等物理资源的分布情况。

2.2 上位机系统数据分析

上位机可以对下位机采集的风资源数据进行分析。同时,上位机软件中预设多种风机的资料,根据所采集的风速、风向、海拔等数据,利用威布尔分布函数:

式中:c为标度参数,m/s;k为形状参数;v为风速。

得到风能平均功率密度表达式为

再根据威布尔公式:

计算出风速大于或等于某一特定值的概率,并结合所选风机的切入风速和功率等参数便可快速计算出数据源的风力发电量[6]。

3 系统的远程监控与升级

能够远程监控和升级,是本系统优于现有测风系统的主要因素之一。为实现远程监测和升级,系统基于GPRS网络,以电子邮件为载体,每天定时上网读取和发送邮件,达到远程修改系统参数、索取系统自检报告、索取指定数据文件和升级系统DSP主控程序等目的。系统远程监控与升级的示意图如图3、图4所示。

图3 系统远程监控和升级的示意图Fig.3 T he schematic of remote monitoring and upgrading

3.1 系统远程监控的原理

系统的远程监控,是通过对系统中装有嵌入式操作系统WinCE的ARM进行网络编程,基于GPRS无线网络实现其对电子邮件的读取与发送,其中涉及到了现在最常用的电子邮件收件协议POP3(post office protocol3)和发件协议SM TP(simple mail transfer protocol)。

命令邮件由两部分构成:主题命令和邮件内容。主题命令即邮件的主题,为一个小写英文字母,不同的字母代表着系统将要完成的功能;邮件内容则包括了系统的新参数、需反馈的数据文件名、新的DSP程序等具体数据信息。命令邮件格式见表1。

图4 系统远程监控和升级的总流程图Fig.4 The system flow chart of remote monitoring and upgrade

表1 向系统发送的命令邮件的具体格式Tab.1 The format for sending commands E-mail to the system

3.2 系统远程升级的原理

系统中采用TI公司的 TMS320VC5509(片内具有128 k的高速静态RAM,片内ROM中固化了引导加载程序Bootloader,简称“DSP5509”)作为主控单元。其Bootloader设置为外部spi串行启动模式,外部储存媒介为Flash。系统上电后,DSP5509在Bootloader引导下自动加载储存在片外Flash指定地址空间中的程序到片内的高速RAM中运行。

远程升级系统中DSP程序,是基于DSP5509的Bootloader技术[3]。将新的DSP5509程序按照一定的格式编码后发送到系统指定的邮箱中,系统通过GPRS访问此邮箱并读取出新程序,然后将新程序通过串口发送给DSP5509且保存到片外Flash的指定地址空间中,发送和保存结束后自动复位重启DSP5509,在Bootloader的引导下DSP5509从外部Flash中加载新程序并运行,从而完成DSP5509程序的更新升级。

远程升级DSP程序时,DSP端程序流程如图5所示。ARM将从邮箱中读取的新程序代码传送给DSP,数据的传送采用基于CRC8校验的数据传输方式。

图5 升级DSP程序时DSP端程序流程图Fig.5 T he DSP program flowchart for upg rading DSP program

其中,DSP先将ARM发送来的数据保存到Flash中地址为 70000h到 7FFFFh的 sector7中。在确保DSP正确无误的接收完所有从ARM发送来的程序代码后,才将sector7中的数据转存到地址为00000h到0FFFFh的sector0中,sector0是DSP指定外部储存程序的地址空间,保证了远程升级的可靠性。如果传输过程中重传次数超过上限N,说明此次传输可靠性降低,系统取消本次升级,保证系统的安全与稳定。

实践证明,这种以电子邮件为载体、系统定时收发邮件的远程监控和升级方法不仅能较好地满足系统低功耗的要求,而且能很好地实现其功能。

4 系统测量结果及结论

本系统已在河北省某风场进行了长时间的实地运行,该区域环境恶劣、年最低气温可达零下30℃,但风资源较为丰富。根据每天收到的数据,可判断系统的运行是稳定可靠的。

为验证系统所测数据的正确性,在同一观察点同时设置国际主流的测风设备:美国NRG公司的测风仪和本测风仪,以NRG测风系统所测数据作为基准,将两个系统所测的数据进行比较,如图6所示。

图6 N RG测风仪与本测风仪所测数据对比图Fig.6 Comparison of the data graph between NRG and ours

由图6所示的风速数据对比图可清楚地观察到本系统所测数据的准确性,符合当地风场的实际情况。其中的一些微小误差主要出现在风速波动较大的波谷和波峰处,经分析是由两方面因素造成:1)两测风系统对风资源的采样时间点不一致,由于风资源数据的较大随机性,从而导致两系统所测数据的误差;2)两系统所接传感器的精度误差,致使其在风速变化较大的时刻存在误差。因此,在保存相同采样时间点和连接同一传感器的情况下可减小或消除两系统之间的误差。

本文设计了一种智能型风能资源监测系统,本系统在完成对风能资源进行采集、处理和分析的基础上,实现了系统的在线远程监控与升级,为风场的风力资源的评估提供了科学的依据。通过实地运行和与现主流测风系统所测数据的对比,科学地证明了本系统的稳定性与可靠性。

[1] TMS320C55XAPI[S].Texas Instruments,2003.

[2] 何宗键.Windows CE嵌入式系统[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[3] Texas Instruments Incorporated.T MS320VC55x系列DSP的CPU与外设[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4] 周立功.ARM&WinCE实验与实践-基于S3C2410[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[5] Donald A Neamen,赵桂软.电子电路分析与设计[M].北京:电子工业出版社,2003.

[6] 姚国平,余岳峰,王志征.如东沿海地区风速数据分析及风力发电量计算[J].电力自动化设备,2004,24(4):12-14.

修改稿日期:2010-09-20

Intelligent Wind Energy Resource Monitoring and Analysis System

LUO Wen,WANG Li-na,XIAO Kun

(School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Monitoring and analysis of wind energy resources are the base of the wind power systems assessment and scheduling,arranging electricity production plan.The intelligent remote wind resource monitoring and analysis system were described,which is independent researched and developed by BUAA,based on ARM and DSP embedded systems for data analysis and processing,relying on GPRS net for data transceiver and system of remote monitoring and upgrade,and the upper computer is equipped with the corresponding analytical calculation software.System on-line remote monitors wind speed,wind direction,temperature,humidity,atmospheric pressure and other sensor data.Logger uses solar-powered,low-temperature and low-power design,with lightning circuit and waterproof and dustproof enclosure.A wind farm in Hebei continuous operation for 6 months demonstrates that the system achieves all the design features to meet industrial application requirements.

wind resources monitoring;embedded system;data analysis and calculation;remote monitoring and upgrade

TP274;TP393

B

国家自然科学基金(50807002);北京市科技新星计划(2008B13);航空科学基金(2008ZC51045)

罗文(1985-),男,硕士研究生,Email:luowen5721073@163.com

2010-04-20