风力发电机组无线监测系统设计*

尹少平， 焦锦绣， 王灵梅， 段临志

(1.山西大学，山西 太原 030013; 2.清华核能研究院，北京 102201)

0 引 言

目前，风电场运行维护人员主要通过机组的主控系统和定期巡视检查来了解机组的运行状态，但监控系统尚有需要完善的地方[1]：风电场气候条件比较恶劣，需要工作人员进行日常的巡检维护，增加了维护人员的劳动强度；风电场设备状态不同，往往需要对不同设备的运行情况作具体分析，并做出具有针对性的分析处理；风力发电机组属于大型旋转设备，现有监控系统缺乏对机组振动等状态的监测手段；有线监控系统在现有的基础设备上进行布线，难度大、成本高。

针对这些情况，本文设计了一种在线的分布式无线监测系统[2]，根据风力发电机组主要设备所处工况、采样频率和结构原理的各种要求，开发了低功耗、自组织、能量自检的无线加速度节点、温度节点和电流节点等。利用IAR开发环境设计了Zig Bee协议栈，将Zig Bee协议栈移植到无线节点中，将节点安装在风力发电机组的测点上，形成自组织、动态和可靠的通信子网，并通过Zig Bee网关转换成TCP/IP协议之后，用分布式数据库对传感器网络的数据进行存储，为庞大的数据流提供了有效的服务，在集控室内进行显示、预处理和自动分析，中心数据库还可以提供远程数据服务，为风力发电机组远程故障诊断提供数据依据。

1 系统总体设计

风力发电机组无线监测系统是一个层次型网络：1)最底层为部署在风力发电机组的传感器节点和协调器组成的Zig Bee通信子网；2)网管通过协议转换负责将采集到的数据传输至风机的光纤网络；3)从风机到控制中心的光纤通信；4)控制中心的数据库管理平台和远程数据服务平台。系统结构图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 无线传感器网络节点

无线传感器节点的体系结构由传感器模块、处理器模块、无线收发模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。

图1 系统总体结构

传感器模块包含ADXL345低功耗三轴加速度计[3]和SHT10数字式温湿度传感器[4]，处理器模块采用CC2530[5]，模块的天线采用的是倒F天线和折叠偶极子天线，通信性能良好。节点采用低功耗模式，供电电池可满足现场要求。传感器节点硬件原理图如图2所示。

图2 传感器节点硬件原理图

2.2 Zig Bee网关

Zig Bee网关的核心芯片是RT5350，通过Zig Bee协议到TCP/IP协议的过渡，完成数据帧格式的转换。一方面，协调器将从以太网口接收的上位机的命令，通过RS—232接口传送至协调器;另一方面，协调器将接收的传感器节点采集的监测数据通过RS—232口传送网关，网关通过以太网口将数据传输至集控中心。协调器和网关的硬件结构如图3所示。

图3 协调器和网关的硬件结构图

3 系统软件设计

3.1 Zig Bee通信子网

整个Zig Bee自组织网络基于Z-Stack协议栈，Zig Bee无线传感器网络中包括终端节点和协调器节点，组成星型网络。

3.1.1 终端节点

终端节点是传感器经过串行接口接入Zig Bee模块，完成对风力发电机组各个测点的数据采集和传输。

无线传感器节点采用I2C总线形式，分别连接ADXL345加速度传感器和SHT10温度传感器，进行数据采集，并带有节点能量自检测功能，将网络地址、采集物理量参数等数据在LCD液晶屏进行显示。

终端节点在Z-stack协议栈的应用层添加3个事件处理模块，系统事件的无线数据发送接收事件；网络状态变化事件；用户自定义的数据采集事件。

当网络节点组建网络或加入已创建好的无线传感器网络时，将触发应用层任务中的网络状态变化事件；在网络状态变化的事件处理函数中触发网络节点数据采集事件，实现节点入网后便立即开始采集传感器的数据。在数据采集事件中通过设置超时定时器，超时时间到时再次触发数据采集事件，实现周期性的数据采集；当网络节点接收到无线数据时，将触发无线数据接收事件。应用层任务的上述各事件得到处理后，使其进入休眠状态。

事件处理函数的实现：周期性数据采集的实现，是在采集完一次传感器数据后,通过调用osal_start_timerEx(taskID,event_id,timeout_value)函数使任务超时等待一定时间，超时时间到后再次触发数据采集事件，其中超时等待时间可自由设定。传感器节点流程图如图4所示。

图4 传感器节点流程图

3.1.2 协调器节点

协调器初始化后，建立网络，构建一个唯一的PINID的Zig Bee网络，并定时监听信道，看是否有请求加入网络的终端节点，如果有协调器给终端节点分配唯一的网络地址，用来区分不同的测点采集的数据，终端节点加入网络。在应用中首先接收上位机通过串行接口发来的启动命令和采集频率，协调器将命令转发给传感器节点，传感器节点接收命令，并采集相应的数据，周期性地将数据反送给协调器，协调器将接收到的数据通过RS—232上传给上位机，完成收发数据的功能，其协调器节点流程图如图5所示。

图5 协调器节点流程图

3.2 数据库管理系统设计

Zig Bee网路是以数据为中心的网络,运用ASP.NET技术实现风力发电机组运行参数的Web发布可以使用户远程查看系统的运行状态，利用数据库对下位机采集的数据进行接收、处理、发送控制命令、数据格式化等操作，并为用户设计人性化的界面。数据库由两部分组成，第一部分是图形用户界面GUI，第二部分是客户端系统。

1)图形用户界面

系统的登陆界面可以为用户划分权限,根据无线网络和数据库的自定义协议来配置风机的信息和客户端信息。Zig Bee网络客户端向数据库服务器端发出连接请求，然后服务器开始以IP地址和端口来监听不同风力发电机组的运行情况。

2)客户端系统

客户端系统把关系表定义为2种属性:第一类属性是感知数据属性，如电压值、温度值；第二类属性是描述感知数据的属性，如传感器节点的ID、感知数据的数据类型、感知数据的度量单位等。网络中每个传感器节点产生一个读数都对应的关系表中的一行。数据库关系如表1所示。

表1 数据库关系表

建立关系模型之后可以发送查询命令用查询语句来显示感知数据，该查询的生命期是从提交执行时间开始的3 600 s，每1 s检测一次指定节点的温度是否超过阈值。另外客户端系统采用内置的TCP/IP发送控制命令包方式，网关接收到命令发送Zig Bee的协调器节点并进行命令解析，解析后把命令根据地址发送给相应的节点，去协调控制整个Zig Bee网路。

4 测试分析

通过在山西北部某风电场现场测试，根据《风力发电机组振动状态监测导则》[6]将节点的部署在相应的测点，通过发送上位机命令来启动整个系统。

用户可以经过Internet远程监测和控制整个系统的运行情况，并能够进行离线的数据挖掘和分析。典型节点的数据输出波形如图6所示。

图6 典型监测点数据输出波形图

系统运行一段时间后，中心服务器保存无线传感器网络发送的数据,从数据库导出现场测试时截取的终端节点为0x796F加速度信号的数据如表2所示。

表2 数据导出表

根据采样频率的不同，采集的数据记录也有差异，100 Hz的平均记录为359 711，200 Hz的平均记录为719 423.3，300 Hz的平均记录为1 079 044，平均丢包率是0.08 %，满足本地自动分析和远程故障诊断的需求。

5 结束语

本文结合嵌入式、无线通信和传感器技术，搭建了软硬件平台，组成风力发电机组无线状态监测系统，对风力发电机组的各个设备进行完整监测，使风力发电机组基本实现“基于情况的维护”，并解决了现有的风电机组监控装置在传感器安装和网络部署方面复杂性高、数据采集的准确性较低、以及监控成本较高的问题。

参考文献:

[1] 赵春生，何良平，蒋 劢,等.风电场计算机监控系统设计[J].四川理工学院学报,2012，25(5):54-57.

[2] 杨文志，谭浩广，谌文俊.基于WSNs的风力发电机状态监测系统[J].内蒙古科技与经济,2011，21(2):95-96.

[3] 朱 琎，杨占勇.基于CC2530的无线振动监测传感器节点设计[J].仪表技术与传感器，2012,41(8):56-58.

[4] 李正民，张兴伟，柳宏川.基于CC2530的温湿度监测系统的设计与实现[J].测控技术，2013，32(5):25-28.

[5] 章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及Zig Bee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用,2011,20(7):184-187.

[6] NB/T 31004—2011.风力发电机组振动状态监测导则[S].