一种风力发电机组状态监测系统的设计与实现

刘俊夫，钟建伟

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)



一种风力发电机组状态监测系统的设计与实现

刘俊夫，钟建伟*

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

针对风力发电机组运行参数，利用SOPC技术实现了在FPGA上对其主控系统的软、硬件设计，并移植了μC/OS-II实时操作系统，方便多任务的管理，实现了实时显示风机状态信息、超过设定阈值时及时语音预警，保证了风力发电机组安全、可靠的运行.通过对模拟系统进行测试，整个系统工作状态良好，可以准确地对风力发电机组进行监测.

SOPC;无线数据传输;风力发电机组;状态监测;μC/OS-II

风力发电是可再生能源发展的重点，市场广阔、前景光明，因为其无污染、可再生、分布广泛等优点.对风力发电机组状态进行监测可以了解风力发电机组的运行状况，及时反馈风机的各种运行情况.在故障发生前进行事故预处理避免故障进一步恶化，这样既可以节约事故抢修所花费的人力物力，又可以提高整个系统运行可靠性.

国外的风力机组监测系统研究开始较早，技术水平较国内要高些，现在已经形成了自己的产品，有些甚至都已经投入使用而且运行一直正常.美国的风力发电机组状态监测得到了快速、有效的发展，例如美国SKF公司研发的WindCon，这套设备已经在很多国家投入使用，运行一直稳定，各方面评价一直很高.丹麦对风力发电很重视，基本上将风电做成了一项很有前景的产业.虽然中国风能资源丰富，但中国风力发电的发展却滞后于国外.随着技术的成熟和成本的降低，我国装机容量迅速扩大，并向海上风场进军.这也使得风机的状态监测越发困难，风机一般都装设在山头、沙漠及海上等环境非常艰苦、跨越大的地方，这也一度成为了制约我国风力发电机组监测系统前进的瓶颈[1-5].

为了适应风电的发展，高效工作的监测系统是非常有必要的[6-7].现在大多数系统都采用的是振动信号检测、电流分析，虽然可以满足简单的工作需要，但是在很多苛刻的环境下就难以满足或者工作准确性差.基于以上这些讨论，本文大胆的运用了现下流行的两大技术：ZigBee无线通信技术和SOPC技术[8-12].在数据采集方面，摈弃了有线通信的布线繁杂等缺点，广泛采用数据间的无线通信；在数据分析处理方面，采用Altera公司提供的DE2板，运用SOPC技术完成系统的定制，大大节约了硬件资源，提高了开发周期和系统的灵活性[13-17].另一方面，在软件编写方面，大胆地尝试使用操作系统的思想.使用的Z-Stack协议栈本身涵盖了操作系统的思想，它是采用不断轮回查询任务，不断执行任务来实现程序运行；在Nios II IDE集成开发环境下开发程序时，可以植入μC/OS-II操作系统，以后将要实现的要求当做任务加入进去，给每个任务分配一定的时间片段，就可以很容易实现复杂的功能.

图1 系统的总体框图Fig.1 The overall block diagram of the system

图2 Quartus II、SOPC Builder、Nios II IDE三者之间的关系Fig.2 Quartus II SOPC Builder the relations between and among Nios II IDE

1 系统设计

本系统首先利用各种传感器(温度传感器、电压互感器、电流互感器、风向、风速传感器及霍尔元件)获取风机的温度、电压、电流、风向、风速及转速等信息，然后通过ZigBee无线传输模块上的14位ADC进行数据的采集，并将数据采用无线通信方式在ZigBee模块间传输.数据接收端采用UART异步通信方式将ZigBee无线传输模块采集的数据传送到SOPC主系统上，主控系统将接收的数据进行解码、处理、分析后实时显示出来，如有异常情况则报警处理.系统的总框图如图1所示.

2 基于SOPC的系统开发流程

SOPC设计包括以Nios II软核处理器为核心的嵌入式系统的硬件配置、硬件设计、硬件仿真、IDE环境的软件设计、软件调试等.在系统开发的过程中，Quartus II主要用来对Nios II系统进行分析以及硬件测试等；SOPC Builder在整个开发过程中非常重要，也是最基本的开发工具，在这个工具里可以完成Nios II软核处理器和外围电路平台的搭建；ModelSim用来完成系统的仿真；Nios II IDE主要是对系统进行软件编写和调试，另外有个很值得称赞的功能，能够移植μC/OS-II实时操作系统，可以方便实现多任务管理，这样可以使整个软件的开发更加简单和有条理，提高程序可读性和执行效率.Quartus II、SOPC Builder、Nios II IDE，三者之间的关系如图2所示[18-20].

3 系统实现

3.1 系统硬件设计

本系统主要由三部分组成：数据采集模块、ZigBee无线数据传输模块，SOPC主控系统搭建.传感器信号的采集主要是由温度传感器、电压互感器、电流互感器、风速、风向传感器等对温度、电压、电流、转速信号、风速和风向等信息进行模数转换过程；ZigBee无线数据传输模块主要负责数据的无线传输，保证传输过程正确进行；SOPC主控系统则需要完成数据接收、解码、分析、显示及报警等.

3.2 系统软件设计

此状态监测系统在程序设计上分为ZigBee功能块软件设计和SOPC主控系统软件设计.需要同时实现：数据采集、ZigBee无线网络建立、数据的无线传输、数据包的接收与解码、数据的分析与处理、TFT触摸屏触摸反馈与显示、报警等功能.

ZigBee模块的软件设计主要应用了TI公司提供的Z-Stack协议栈，这样可以较少软件编程的工作量.编程时不需要考虑每个层的结构，只需了解简单的接口函数，能够灵活调用，另外只需要在应用层编写功能函数即可.整个软件流程设计包括传感器节点和协调器(全功能设备).

SOPC主控系统在程序设计上需要同时实现：数据包的接收与解码、数据的分析与处理、TFT触摸屏触摸反馈与显示、报警等功能.设计过程中可通过利用μC/OS-II操作系统多任务分时管理的优点，来缩短开发周期，提高软件运行质量，保证程序能够顺利、稳定的运行.

表1 风机1测试数据Tab.1 Wind turbine 1 test data

表2 风机2测试数据Tab.2 Wind turbine 2 test data

表3 风机3测试数据Tab.3 Wind turbine 3 test data

4 系统测试

4.1 测试方案及环境

1)硬件平台：TI公司的ZigBee无线传输模块，Altera公司提供的DE2开发板.

2)软件平台：IAR软件开发平台，Altera公司开发的Quartus II 、Nios II IDE等开发工具.

3)测试范围：电压及电流的幅值大小，所测电流有效值的误差范围、FPGA芯片上的硬件结构所耗资源、CPU运行时，系统总体所占资源.

4)测试工具：数字示波器、函数发生器，四位半数字万用表DT9205A、温度计.

4.2 测试数据及分析

模拟的风力发电机组状态监测系统中风机1、风机2和风机3的测试数据分别如表1、表2和表3所示.

从以上的测试数据可以看出电流的测量值和实际值有误差，这是因为测量电流是经过互感器后用电阻采样，而互感器和电阻本身有一定的误差导致电流测量产生了误差；风机转速的测量误差较大，是由于在每个时间的基准内测量有一定的误差，随着时间的积累误差就增加了；电压和温度的测量比较准确，基本上没有误差.若要有效地克服这些误差，可以从信号的采样电路入手，可以通过设计带自补偿的采样电路或是采用软件编程补偿方式来避免这种误差；转速的误差可以采用校正或补偿的方式来解决.另外从数据的传输来看，数据的传输一直都是比较稳定，整个系统反应速度很快.风力发电机组的状态信息可以实时显示，当某些参数超过设定的阈值时会及时语音预警.但是室内风机模拟系统和实际的风机运行状况有差别，在实际风机监测系统中必须考虑各种环境影响因素.模拟系统没有过多考虑各种影响，主要是为了验证方案的可行性，通过反复测试可以确定系统在一定程度上是完全可以满足风力发电机组的状态监测要求.

[1] MOHANTY A R.Fault Detection in a Multistage Gearbox by Demodulation of Motor Current Waveform [J].IEEE Trans Industrial Electronics，2006：53(4)：1285-1297.

[2] 董昱延，王海云，唐新安.风电机组监测系统现状[J].电机与控制应，2013，40(4)：19-21.

[3] 王哲敏.无线传感网络在风力发电机组状态监测中的应用研究[D].呼和浩特：内蒙古科技大学，2010.

[4] 方媛，李勇，李智君，等.基于NiosⅡ软核处理器的通信信号源SOPC设计[J].科学技术与工程，2007，12(7)：2959-2963.

[5] PAWEL TOMASZEICZ，MARIUSZ RAWSKI，et al.Self-Testing of User-Programmed FPGAs Based on the Concept of Linear Segments[C]//Euromicro Symposium on Digital Systems Design，IEEE Computer Society，2001：236-242.

[6] 冯嘉鹏，王喜顺.μC/OS-II在DSP芯片TMS320F2812的移植及应用[J].微计算机信息，2012，28(9)：114-116.

[7] F W FUCHS，J DANNCHL，R LOHOLE. Research laboratory for power electronic generator systems in wind turbines comprising converters，generators，interaction and grid interation[J].FUCH Friedrich W，2009，6：392-394.

[8] HUABIAO JIN，JILIN MA，HEMING LI.Design of Single Chip VDR Based on Nios II[J].Design of Single Chip VDR Based on Nios II,2008：120-121.

[9] 杨文广,蒋东翔.大型风力机组远程智能监测与诊断系统的研究与开发[J].中国工程科学,2015(3)：24-29.

[10] El-THALJI I,JANTUNEN E.On the development of condition based maintenance strategy for offshore wind farm:requirement elicitation process[J].Energy Procedia,2012,24:328-339.

[11] 谢源,高志飞,汪永海.海上风力发电机组远程状态监测系统设计[J].测控技术,2015,35(4):27-34.

[12] 韩龙,王丽,朱显辉,等.基于ZigBee和LabVIEW的风电机组齿轮箱监测诊断系统[J].自动化与仪器仪表,2015(9):105-106.

[13] 黄文怡，梁波，孙传宗.基于有限元的风力发电机底盘故障分析及改善方案[J]. 黑龙江八一农垦大学学报,2015,27(1):25-28.

[14] 李涛涛,贾嵘,尹浩霖,等.风力发电机组状态监测系统设计与应用[J].电网与清洁能源,2016,32(1):96-99.

[15] 刘先正,王兴成,温家良,等.风力发电机组动力学建模与分析[J].电力系统自动化,2015,39(5):15-19.

[16] 石佳莹,沈沉,刘锋．双馈风电机组动力学特性对电力系统小干扰稳定的影响分析[J].电力系统自动化,2013,37(18):7-13.

[17] 颜喜,张世军,蒋银忠,等. 风力发电机组状态监测系统的设计[J].自动化仪表,2015,36(2):80-84.

[18] 胡佳林,刘平,田宇,等.基于ARM的嵌人式系统在风力发电机状态监测中的应用[J].风能产业,2011(10):24-32.

[19] 雷纯.基于GPRS和ZigBee的嵌人式智能家居系统研究[D].南宁:广西大学，2010.

[20] HANG J,ZHANG J,CHENG M,et al.An overview of condition monitoring and fault diagnostic for Wind energy conversion system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(4)：261-271.

责任编辑：时 凌

Design and Implementation of Wind Turbine
Condition Monitoring System

LIU Junfu,ZHONG Jianwei*

(School of Information and Engineering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

For the wind turbine operation parameters,the SOPC technology is used to realize the hardware and software design on the main control system of FPGA,and the μC/OS-II real-time operating system is transplanted to facilitate multi-task management,realize the real-time display of fan status information and timely voice warning when the set threshold exceeds,which ensures the safety of the wind turbine and reliable running.Through testing the simulation system,the system works in good condition and can accurately monitor the wind turbine.

SOPC;wireless data transmission;wind turbine;condition monitoring;μC/OS-II

2016-10-25.

湖北省自然科学基金计划项目(2013CFC125).

刘俊夫(1991- )，男，硕士生，主要从事配电自动化的研究.*

钟建伟(1972- ), 男，教授，主要从事电力电子技术与分布式发电的研究.

1008-8423(2016)04-0412-03

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.12.012

TM930.12

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