北斗卫星导航系统在海洋能发电设备参数监控中的应用

王世明,田园

(上海海洋大学 工程学院，上海 201306)

0 引 言

北斗卫星导航系统(BDS)是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)与欧盟的伽利略卫星导航系统(GALILEO)之后,又一成熟的卫星导航系统,由中国独立自主研制,建设,运行,并且与前述的卫星系统能够兼容运行的全球性导航系统,标志中国成为继美国、俄罗斯之后,世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家[1]。

北斗卫星系统已成功地应用于测绘、水利、渔业、电信业、交通运输、公共安全等诸多领域已经取得巨大的经济效益和社会效益。

我国是海洋大国,拥有18000多千米的海岸线和300多万平方千米的“海洋领土”。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将再生能源规模化利用原理和新途径作为“能源可持续发展中的关键科学问题”;《可再生能源中长期发展规划》中也提出了积极推进海洋能的开发利用[2]。十八大报告明确提出了“提高海洋资源开发能力,发展海洋经济,保护海洋生态环境,坚决维护国家海洋权益,建设海洋强国”的口号,也因此波浪能发电作为一种重要的海洋能量利用方式,不仅是近年来技术攻克的热门研究课题,更得到了国家的大力支持[3]。

波浪能究其本身,是一种没有规律的能源,应用于波浪能的发电设备,均需要放置于海洋,由于海洋环境变幻无常,十分复杂,导致了发电设备的耗损率较高,这就需要有较为成熟完备的监控手段和定位系统,为波浪能发电设备服务,用以监控和调整,在减少不必要损失的同时,将波浪能的能源利用率最大化。

1 柔性漂浮式海洋能发电设备简介

由上海海洋大学独立研制的柔性直驱式漂浮浪轮机,采取柔性直驱式浪轮结构,有效突破传统的经过机械能转换的三级波浪能转换模式,实现波浪能发电设备核心零部件和整机原理、材料及备制技术和工艺的突破,目前原理样机已经进行水槽实验和海试实验,形成了秦皇岛码头、上海电气临港重型机械装备有限公司等地的长期海试报告及可验证的发电记录。

柔性漂浮式海洋能发电设备结构示意图如图1所示

此设备采用双向叶轮直驱式发动机,波浪能能量在导流罩内形成汇集,快速冲击叶轮,叶轮获取扭矩进一步带动两侧的发电机旋转,最终实现电能及转速信号的输出。

采集到的信号通过发电系统收集,处理,并传输至控制端,其整套的发电系统运行原理图如图2所示。

2 海洋能发电设备通信方式的方案选取

系统中使用的无线通信方式GPRS,是通用分组无线业务的简称,属于第二代移动通信中的数据传输技术,是基于IP技术和移动通信技术相结合的产物。

北斗卫星导航系统在“十三五”被国家科技部点名运用于“远海关键技术与装备”,北斗卫星导航系统作为远海装备的关键技术之一,是因为北斗卫星导航系统能做到定位和通信,能够获取与传输海洋作业装备的信息,由上海海洋大学研发的直驱式浪轮发电设备,就采用了北斗卫星导航系统进行定位与信息传输,可以及时地获取波浪能发电设备的信息,以便完成对发电设备的各项参数调整。

波浪能发电设备一般用于远海作业,数据传输与数据通讯成为波浪能发电中非常重要的一环,只有将发电设备所处地的实时测试数据通过无线通信的方式传输到控制中心,监控后台才能知晓所处地,发电设备的运行状态(包括电流,电压,轮机转动速率,发电设备功率等)。

北斗卫星通信系统具有两种工作模式,分为RDSS模式和RNSS模式。RDSS模式可以进行定位,也可以进行短报文通信,在RDSS模式的运行下,定位和短报文通信需要每1 min一次,这样无法满足发电设备的实时监控需求[5]。RNSS模式可以实现每秒的定位,但是RNSS模式没有办法实现短报文通信功能。综上所述,采用RDSS和RNSS两种模式共同协作的方式,可以满足发电设备实时监控,又能通过RDSS模式下短报文[6]的通信将定位信息传送给接收终端。

海洋能发电设备远程监测系统,其研制的PCB布局如图3所示,其中包括单片机,以及通过串口受单片机控制的通信模块、传感器、电平转换和存储数据的外扩FLASH,以及提供定时发送中断的时钟芯片。

3 海洋能发电设备通讯系统原理与设计

系统通过GPRS无线通信的工作原理如图4所示,通过GPRS模块与BTS(GSM基站)通信,数据通过BSC(基站控制器)分组后分别发送到SGSN(服务GPRS支持节点)与MSC(移动交换中心),SGSN与GGSN(GPRS网关支持节点)进行通信及数据处理后,再发送至目的地网络PDN(分组数据网)[7]。

由于远海环境的不可预测性,为防止恶劣的环境因素对数据传输造成干扰,因此在发电设备的通讯方案选择上,选取了双通道传输方式。双通道的传输方式好处在于[8],某通道出现工作不正常的时候,另一通道可以作为互补,实现信息的上传以及下载功能。

设备的通讯方案如图5所示,由波浪能发电设备对基站发出信号,通过基站与移动交换设备进行数据交换,所接收的数据信息,通过网关和路由器、防火墙后,能传达至上海海洋大学的移动数据服务平台,通过校内直接使用与校外VPN分方式访问,可以直接远程访问波浪能发电设备各项参数的功能,实现监测。

北斗卫星导航系统根据各部分的组成,以及空间分布和位置功能,可以简单的一分为三,一是北斗卫星空间卫星端,二是地面控制端,三是用户终端。其中北斗卫星空间卫星端由地球同步轨道卫星与低轨道卫星两种卫星共同组成,其作用主要是作为无线电信号的中转站,其二地面控制端则是整个北斗卫星导航系统的核心枢纽,是整个系统的管理与控制中心,对于所有经过这个系统传输的数据,都是通过地面控制端进行处理与计算,并且通过地面控制端进行无线电信号的发送与接收,其三用户终端则是用户直接使用的装置。系统选用的北斗卫星导航系统进行通信的结构框图如图6所示。其中,地面设备分三个部分构成。第一个部分是发电设备参数采集端,投放至远海的发电设备,其设备中安置有各类传感器,以实时收集发电设备的当前状态(电流,电压,轮机转动速率,发电设备功率等);第二个部分是地面控制中心,负责整个系统的管理和信息传输;第三个部分是作为用户端的远程监控中心。

第一部分的发电设备参数采集端,将发电设备实时状态信息,通过发电设备搭载的传感器,通过短报文将设备的运行信息,如功率、电压、转速等收集并传送给北斗卫星,北斗卫星将采集的参数信息发送给地面控制中心的北斗信号接收机,地面控制中心将接收的信息进行解析,再将解析过后的信息又发送北斗卫星,最后北斗卫星将收到的返回信息发送至远程监控中心的北斗信号接收机,并进行信息提取和解析,这样就能成功实现发电设备和远程监控中心的双向通信。

4 监控系统的运行与测试

此次测试,将发电设备投放于海洋环境相对较好的青岛黄岛区海域进行海上实验,将监控的设备参数,通过监控系统传输至远程监控中心,接收卫星发回的发电设备采集参数直接在后台可见,通过VB编程软件展示,其各项参数直观可见,界面如图7所示。

5 结束语

北斗卫星系统是由我国自主研发,自主运行的新一代卫星定位通信系统,相比较起国外的卫星导航通讯系统(如GPS等),其投入资本会更小,并且由于其自主研发的特性,所以可靠性和保密性会更高。本文为实现远海波浪能发电设备的监控,提供了一种基于北斗卫星导航系统的监控方案,从实验所得到的数据来看,其监控的发电设备各项参数,都可以实时稳定的监测。事实证明,本方案可以有效地对波浪能发电设备实现远程信息采集和控制,为我国的远海监测平台提供有力的支持。

[1] 唐金元.北斗卫星导航区域系统发展应用综述[J].全球定位系统,2013,38(5):47-52.

[2] 康寿岭.海洋环境监测数据集成系统概论[J].气象水文海洋仪器,2004(1):1-9.

[3] 张辉,焦诚,白龙.北斗卫星导航系统建设和应用现状[J].电子技术与软件工程,2015(11):25-28.

[4] 倪国江. 基于海洋可持续发展的中国海洋科技创新战略研究[D].中国海洋大学,2010.

[5] LEE J Y, KIM H S, CHOI K H,etal. Adaptive GPS/INS integration for relative navigation[J]. GPS Solutions, 2016, 20(1):63-75.

[6] 谷军霞,王春芳,宋之光.北斗短报文通信信道性能测试与统计分析[J].气象科技,2015,43(3):458-463.

[7] 杨一帆,李斌,姚骏,等.基于GPRS的远程监控系统设计[J].工业控制计算机,2016,29(12):98-99.

[8] 董慧芬,周元钧,沈颂华.双通道无刷直流电动机容错动态性能分析[J].中国电机工程学报,2007(21):89-94.