基于DSP的风力发电机远程监测分析系统设计

赵宏飞，马宏忠，时维俊，朱跃光

（河海大学，南京 210098）

随着能源危机和环境污染问题的日益严重，作为绿色能源的风能已受到世界各国的高度关注和重视。2009年，全球风力发电机的装机容量已达到159213MW，新增装机容量38312MW，增长率为31.7%。根据目前的增长趋势，世界风能协会预测，截止到 2020年底，全球装机容量至少为 1.9×106MW[1]。然而风电场一般地处偏远地区、环境恶劣，给机组的维护维修工作造成了困难，增加了机组的运行维护成本。因此，如何保证风力机稳定运行，高效地利用风力资源已经成为非常重要的一个课题。

针对以上问题，本文设计一种采用32位DSP处理器TMS320F2812（以下简称F2812）作为主控芯片，融合GPRS通信方式。具有很强操作性的远程设备监测和分析系统[2-3]。F2812是一种新型高性能32位定点数字信号处理器，最高运行频率可以达到 150MHz，保证装置有足够的运算能力。该系统主要由监测终端（采集模块）、GPRS通信模块、客户端（监控中心）等3部分组成，通过无线网络实现对风力发电机的远程监控。

1 系统总体结构与设计

风力发电机远程监测分析系统总体设计如图 1所示，系统由监测终端、GPRS无线通信模块和客户端3部分组成。监测终端通过传感器检测各项指标，经过F2812进行数据的初步处理后，利用GPRS无线网络进行实时的数据传输，将采集到的数据发送给客户端。同时，客户端也可向监控终端发送查询和控制命令，监测终端一旦收到命令后，将根据命令要求返回当前的状态信息，然后发送给客户端或实现相应的操作。

图1 系统总体设计示意图

在客户端的监控中心，客户端的工作人员在客户机上对数据进行特征提取和分析，并将传送的信号数据与风力发电机数据库中的数据进行比较，得出设备的运行状态和潜在故障信息。最后监控人员根据比较的结果最终给出风力发电机的运行状况分析表。

计算机的数据分析比较过程主要是辨别 3类过程状态(正常、预警、异常)，如使用G表示实时监测值，Y表示风力发电机预警值，R表示风力发电机异常值。当G＜Y时，风力发电机运行正常；Y＜G＜R时，监控设备发出警报，监控人员必须密切关注运行状况；G＞R时，可使风力发电机自动停机，等待工作人员的检修。

2 监测终端的设计

监测终端系统利用 F2812丰富的外设模块实现下位机模拟量采集、数字量输入/输出、信号的快速傅里叶变换以及GPRS通信。图2为设计出的基于F2812为主控芯片的监控终端原理框图。

图2 监测终端原理框图

监控终端的工作过程描述如下：首先对输入的模拟量信号进行调理，将电压调理到适合模数转换器AD7606可接受的范围，AD7606将转换的结果传输给F2812，然后在 DSP系统内部实现频域变换以及原始数据的存储。最后通过GPRS DTU模块利用无线通讯方式发送到监控中心的客户端。

电流电压从现场电流电压互感器副方引出，根据电力系统运行规范，电流电压互感器副方输出范围是：电压是 100V，电流是 5A。因此对电压的测量直接使用带隔离的瞬态电压传感器 LV100-100，而在对发电机定子和转子电流信号进行测量时，我们选用带隔离的瞬态电流传感器LA25-NP。LV100-100和LA-25-NP是瑞士LEM公司产品，具有原副方隔离，响应速度快，非线性小等优点，特别适用于电力、电机等电气动态测量。温度测量时，由于温度的测量无需很高的精度和实时性要求，所以选用DS18B20集成温度传感器，其输出结果为数字信号。它和DSP之间采用一条线的总线进行数据传输，无需再进行模数转换。

2.1 DSP核心模块

F2812芯片是美国德州仪器公司开发的应用于控制领域的高端数字信号处理器，它把一个高性能的DSP内核和微处理器以及片外设备集成为一个芯片。F2812集成有许多外设，提供了整套的片上系统，从而降低了系统成本，实现更简单、高效的控制。另外，该器件还有3个独立的32位CPU定时器，以及多达56个独立编程的GPIO（通用输入/输出）引脚[4-6]。

F2812实现下位机模拟量采集、数字量输入/出、数据存储、快速傅里叶变换、GPRS通信等功能。

2.2 AD转换模块

ADC（模/数转换器）是数据采集电路的重要组成部分，在整个系统中占有重要的地位。在设计时，选用了美国ADI公司最新推出的新一代8通道双极性同步采样AD7606，其采用5V单电源供电，并支持真正±10V或±5V的双极性信号输入。AD7606与F2812的连接电路如图3所示[7]。

图3 AD7606和F2812的连接电路

实验时，我们选取输入范围是±10V，因此AD7606传递函数为：

式中：CODE为16位二进制输出补码；VIN为输入电压，可正可负；REF为参考电压，选取的是2.5V内部基准电压。

所有通道均能以高达200ksps的速率进行采样。由于在 AD7606内部的信号调理电路中，已经包含了低噪声、高输入阻抗的信号调理电路。同时输入端集成了滤波器，简化了前端设计，不再需要外部驱动和滤波电路。而且AD7606提供了过采样和数字滤波功能。在运行时，F2812通过对管脚OS[2:0]控制就能设置过采样倍数(OSR)为x2, x4, x8, x16, x32, x64。过采样打开后，内部的过采样控制电路和1阶Sinc数字滤波器会自动被使能。因此，F2812在处理信号时无需再进行数字滤波，节省了大量时间。

2.3 存储模块

监测终端除了将采集的数据通过无线传送方式传送到客户端外，还要将原始数据直接存储，以便日后查看数据。

由于电力系统的频率为50Hz，为了方便检测谐波，每周期采样128点，即采样频率为：

而对数据的采集是每分钟采集一次，一次连续采集5个周期，因此一天的数据量为14M左右，如果要存储几年的采样数据，就需要大容量存储设备。目前常用的有U盘、FLASH芯片、SD卡等，它们各有优点，而最适合单片机系统的就是SD卡，它不仅容量可以做到很大（32Gb以上），而且支持SPI接口，可以方便地和F2812通过SPI接口进行通信，而且方便移动，编程也比较简单。SPI连接模式如图4所示。

图4 SD卡和F2812的SPI连接模式

3 无线通信模块

为实现现场和客户端的通讯，我们选取了北京天同诚业科技有限公司WG-8010GPRS DTU无线通讯模块，实现监测终端与客户端的数据通信。用户只需设置一些参数就可以实现将嵌入式系统直接与 Internet相连，实现网络的互连互通，该模块外观如图5所示。

图5 WG-8010GPRS DTU无线通讯模块

GPRS模块实现监控中心主站与监控终端的通讯。监控终端上电后，GPRS模块会根据预先设定在其内部的IP地址或域名来主动访问网络代理服务器，通过代理服务器和监控中心建立TCP/IP链路。当主站要向某个监控终端提出数据请求时，它会根据 IP地址和 ID号来找到对应的终端。终端响应后通过GRPS模块把数据发到网络代理服务器端口再由端口映射转发到监控中心主站即完成一个应答式的通讯流程。

4 客户端数据库管理系统设计

在客户端，我们安装了天同诚业公司开发的一款集群服务器应用软件——Comway无线串口软件，通过上网就可以利用无线串口软件接收传输的数据，再利用Visual FoxPro数据库软件建立的数据库管理系统来处理数据，实现数据查询、曲线绘制以及报表打印等功能，数据库的界面如图6所示。

图6 数据库显示窗口

客户端是风力发电机远程监控系统的中枢，由应用程序服务器、数据库服务器组成，实现风力发电机运行状态、参数远程实时监控，以及出现故障的风力发电机远程维护操作等功能。

5 软件设计

5.1 监测终端系统软件设计

系统主程序流程如图7所示。

主程序完成对系统的初始化，设定各种标志位和相应状态寄存器，然后等待中断，判断数据是否采集完毕，在数据采集完后跳转至运算子程序，进行后续的计算工作。DSP进行数据采集时由定时器输出触发信号作为A/D转换的启动信号，转换完成后标志位置位。DSP查询到标志位后，进行相应的数据处理，数据处理完成后进行数据发送。

图7 系统软件程序流程图

5.2 FFT频域变换算法

由于故障诊断对监测实时性的要求，系统软件算法的运行效率就要很高，所以必须对FFT算法进行优化。采用了TI公司的FFT Library[8]库进行频域变换，其采用汇编语言实现，代码执行效率高、实时性好，而且结构更加合理。算法流程如图7所示：

图8 FFT算法流程图

FFT Library库可在TI的网站上下载。解压安装后到C: idcsc28dsp_tbosfft中，其提供了128点、256点、512点和1024点FFT计算模块，这些模块支持F2812的C调用形式。将文件fft.1ib和头文件fit.h添加到工程中后，即可通过调用函数来使用。

6 结语

本文从对风力发电机的远程监测和分析目标出发，设计并实现了一种基于F2812的具有多通道数据采集分析功能的远程在线监测分析系统。通过该系统，维护人员就可以在监控中心对各风力发电机运行状态进行远程监控，这样就免去了对各个风力发电机现场定期检查和巡视，特别是在风力发电机发生运行异常时，运行维护人员能及时地收到报警信息，及时处理，避免出现故障而影响系统的安全运行。

[1]陈雪峰. 风力发电机状态检测和故障诊断技术的研究和进展[J]. 机械工程学报, 2011, 47(9): 45-52.

[2]刘敏娜, 潘宏侠, 黄小娟. 基于GPRS的风力发电机远程监控系统设计[J]. 自动化与仪表, 2011,26(7): 29-33.

[3]高阳, 潘宏侠, 吴升, 梁松林. 基于DSP的电力设备远程监测分析系统[J]. 电力自动化设备, 2010,30(1): 127-131.

[4]苏奎峰. TMS320F2812原理与开发[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006.

[5]孙丽明. TMS320F2812原理及其c语言程序开发[M]. 北京: 清华大学出版社. 2008.

[6]南东亮. 电能质量在线监测系统设计诊断[D]. 江苏: 河海大学能源与电气学院, 2008.

[7]于克泳, 孙建军. 新一代 16位 8通道同步采样ADC–AD7606在智能电网中的应用[EB/OL].(2010-10-18)[2011-12-18].http://www.eet-china.com/ART_8800623306_617703_TA_dbda58e3.HTM.

[8]杨书杰. 基于CS5451A跟踪频率采样的低压配变监控单元设计[J]. 电力自动化设备, 2008, 28(11):79-81.