尹少平， 焦錦繡， 王靈梅， 段臨志

(1.山西大學，山西 太原 030013; 2.清華核能研究院，北京 102201)

0 引 言

目前，風電場運行維護人員主要通過機組的主控系統(tǒng)和定期巡視檢查來了解機組的運行狀態(tài)，但監(jiān)控系統(tǒng)尚有需要完善的地方[1]：風電場氣候條件比較惡劣，需要工作人員進行日常的巡檢維護，增加了維護人員的勞動強度；風電場設(shè)備狀態(tài)不同，往往需要對不同設(shè)備的運行情況作具體分析，并做出具有針對性的分析處理；風力發(fā)電機組屬于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)缺乏對機組振動等狀態(tài)的監(jiān)測手段；有線監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)備上進行布線，難度大、成本高。

針對這些情況，本文設(shè)計了一種在線的分布式無線監(jiān)測系統(tǒng)[2]，根據(jù)風力發(fā)電機組主要設(shè)備所處工況、采樣頻率和結(jié)構(gòu)原理的各種要求，開發(fā)了低功耗、自組織、能量自檢的無線加速度節(jié)點、溫度節(jié)點和電流節(jié)點等。利用IAR開發(fā)環(huán)境設(shè)計了Zig Bee協(xié)議棧，將Zig Bee協(xié)議棧移植到無線節(jié)點中，將節(jié)點安裝在風力發(fā)電機組的測點上，形成自組織、動態(tài)和可靠的通信子網(wǎng)，并通過Zig Bee網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議之后，用分布式數(shù)據(jù)庫對傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)進行存儲，為龐大的數(shù)據(jù)流提供了有效的服務，在集控室內(nèi)進行顯示、預處理和自動分析，中心數(shù)據(jù)庫還可以提供遠程數(shù)據(jù)服務，為風力發(fā)電機組遠程故障診斷提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

風力發(fā)電機組無線監(jiān)測系統(tǒng)是一個層次型網(wǎng)絡：1)最底層為部署在風力發(fā)電機組的傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器組成的Zig Bee通信子網(wǎng)；2)網(wǎng)管通過協(xié)議轉(zhuǎn)換負責將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至風機的光纖網(wǎng)絡；3)從風機到控制中心的光纖通信；4)控制中心的數(shù)據(jù)庫管理平臺和遠程數(shù)據(jù)服務平臺。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點

無線傳感器節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)由傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊和能量供應模塊四部分組成。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

傳感器模塊包含ADXL345低功耗三軸加速度計[3]和SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器[4]，處理器模塊采用CC2530[5]，模塊的天線采用的是倒F天線和折疊偶極子天線，通信性能良好。節(jié)點采用低功耗模式，供電電池可滿足現(xiàn)場要求。傳感器節(jié)點硬件原理圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點硬件原理圖

2.2 Zig Bee網(wǎng)關(guān)

Zig Bee網(wǎng)關(guān)的核心芯片是RT5350，通過Zig Bee協(xié)議到TCP/IP協(xié)議的過渡，完成數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換。一方面，協(xié)調(diào)器將從以太網(wǎng)口接收的上位機的命令，通過RS—232接口傳送至協(xié)調(diào)器;另一方面，協(xié)調(diào)器將接收的傳感器節(jié)點采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過RS—232口傳送網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳輸至集控中心。協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Zig Bee通信子網(wǎng)

整個Zig Bee自組織網(wǎng)絡基于Z-Stack協(xié)議棧，Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡中包括終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，組成星型網(wǎng)絡。

3.1.1 終端節(jié)點

終端節(jié)點是傳感器經(jīng)過串行接口接入Zig Bee模塊，完成對風力發(fā)電機組各個測點的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

無線傳感器節(jié)點采用I2C總線形式，分別連接ADXL345加速度傳感器和SHT10溫度傳感器，進行數(shù)據(jù)采集，并帶有節(jié)點能量自檢測功能，將網(wǎng)絡地址、采集物理量參數(shù)等數(shù)據(jù)在LCD液晶屏進行顯示。

終端節(jié)點在Z-stack協(xié)議棧的應用層添加3個事件處理模塊，系統(tǒng)事件的無線數(shù)據(jù)發(fā)送接收事件；網(wǎng)絡狀態(tài)變化事件；用戶自定義的數(shù)據(jù)采集事件。

當網(wǎng)絡節(jié)點組建網(wǎng)絡或加入已創(chuàng)建好的無線傳感器網(wǎng)絡時，將觸發(fā)應用層任務中的網(wǎng)絡狀態(tài)變化事件；在網(wǎng)絡狀態(tài)變化的事件處理函數(shù)中觸發(fā)網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)采集事件，實現(xiàn)節(jié)點入網(wǎng)后便立即開始采集傳感器的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集事件中通過設(shè)置超時定時器，超時時間到時再次觸發(fā)數(shù)據(jù)采集事件，實現(xiàn)周期性的數(shù)據(jù)采集；當網(wǎng)絡節(jié)點接收到無線數(shù)據(jù)時，將觸發(fā)無線數(shù)據(jù)接收事件。應用層任務的上述各事件得到處理后，使其進入休眠狀態(tài)。

事件處理函數(shù)的實現(xiàn)：周期性數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)，是在采集完一次傳感器數(shù)據(jù)后,通過調(diào)用osal_start_timerEx(taskID,event_id,timeout_value)函數(shù)使任務超時等待一定時間，超時時間到后再次觸發(fā)數(shù)據(jù)采集事件，其中超時等待時間可自由設(shè)定。傳感器節(jié)點流程圖如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點流程圖

3.1.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點

協(xié)調(diào)器初始化后，建立網(wǎng)絡，構(gòu)建一個唯一的PINID的Zig Bee網(wǎng)絡，并定時監(jiān)聽信道，看是否有請求加入網(wǎng)絡的終端節(jié)點，如果有協(xié)調(diào)器給終端節(jié)點分配唯一的網(wǎng)絡地址，用來區(qū)分不同的測點采集的數(shù)據(jù)，終端節(jié)點加入網(wǎng)絡。在應用中首先接收上位機通過串行接口發(fā)來的啟動命令和采集頻率，協(xié)調(diào)器將命令轉(zhuǎn)發(fā)給傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點接收命令，并采集相應的數(shù)據(jù)，周期性地將數(shù)據(jù)反送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)通過RS—232上傳給上位機，完成收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，其協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖

3.2 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計

Zig Bee網(wǎng)路是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡,運用ASP.NET技術(shù)實現(xiàn)風力發(fā)電機組運行參數(shù)的Web發(fā)布可以使用戶遠程查看系統(tǒng)的運行狀態(tài)，利用數(shù)據(jù)庫對下位機采集的數(shù)據(jù)進行接收、處理、發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)格式化等操作，并為用戶設(shè)計人性化的界面。數(shù)據(jù)庫由兩部分組成，第一部分是圖形用戶界面GUI，第二部分是客戶端系統(tǒng)。

1)圖形用戶界面

系統(tǒng)的登陸界面可以為用戶劃分權(quán)限,根據(jù)無線網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫的自定義協(xié)議來配置風機的信息和客戶端信息。Zig Bee網(wǎng)絡客戶端向數(shù)據(jù)庫服務器端發(fā)出連接請求，然后服務器開始以IP地址和端口來監(jiān)聽不同風力發(fā)電機組的運行情況。

2)客戶端系統(tǒng)

客戶端系統(tǒng)把關(guān)系表定義為2種屬性:第一類屬性是感知數(shù)據(jù)屬性，如電壓值、溫度值；第二類屬性是描述感知數(shù)據(jù)的屬性，如傳感器節(jié)點的ID、感知數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型、感知數(shù)據(jù)的度量單位等。網(wǎng)絡中每個傳感器節(jié)點產(chǎn)生一個讀數(shù)都對應的關(guān)系表中的一行。數(shù)據(jù)庫關(guān)系如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫關(guān)系表

建立關(guān)系模型之后可以發(fā)送查詢命令用查詢語句來顯示感知數(shù)據(jù)，該查詢的生命期是從提交執(zhí)行時間開始的3 600 s，每1 s檢測一次指定節(jié)點的溫度是否超過閾值。另外客戶端系統(tǒng)采用內(nèi)置的TCP/IP發(fā)送控制命令包方式，網(wǎng)關(guān)接收到命令發(fā)送Zig Bee的協(xié)調(diào)器節(jié)點并進行命令解析，解析后把命令根據(jù)地址發(fā)送給相應的節(jié)點，去協(xié)調(diào)控制整個Zig Bee網(wǎng)路。

4 測試分析

通過在山西北部某風電場現(xiàn)場測試，根據(jù)《風力發(fā)電機組振動狀態(tài)監(jiān)測導則》[6]將節(jié)點的部署在相應的測點，通過發(fā)送上位機命令來啟動整個系統(tǒng)。

用戶可以經(jīng)過Internet遠程監(jiān)測和控制整個系統(tǒng)的運行情況，并能夠進行離線的數(shù)據(jù)挖掘和分析。典型節(jié)點的數(shù)據(jù)輸出波形如圖6所示。

圖6 典型監(jiān)測點數(shù)據(jù)輸出波形圖

系統(tǒng)運行一段時間后，中心服務器保存無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送的數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)庫導出現(xiàn)場測試時截取的終端節(jié)點為0x796F加速度信號的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)導出表

根據(jù)采樣頻率的不同，采集的數(shù)據(jù)記錄也有差異，100 Hz的平均記錄為359 711，200 Hz的平均記錄為719 423.3，300 Hz的平均記錄為1 079 044，平均丟包率是0.08 %，滿足本地自動分析和遠程故障診斷的需求。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合嵌入式、無線通信和傳感器技術(shù)，搭建了軟硬件平臺，組成風力發(fā)電機組無線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對風力發(fā)電機組的各個設(shè)備進行完整監(jiān)測，使風力發(fā)電機組基本實現(xiàn)“基于情況的維護”，并解決了現(xiàn)有的風電機組監(jiān)控裝置在傳感器安裝和網(wǎng)絡部署方面復雜性高、數(shù)據(jù)采集的準確性較低、以及監(jiān)控成本較高的問題。

參考文獻:

[1] 趙春生，何良平，蔣 勱,等.風電場計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].四川理工學院學報,2012，25(5):54-57.

[2] 楊文志，譚浩廣，諶文俊.基于WSNs的風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2011，21(2):95-96.

[3] 朱 琎，楊占勇.基于CC2530的無線振動監(jiān)測傳感器節(jié)點設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012,41(8):56-58.

[4] 李正民，張興偉，柳宏川.基于CC2530的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2013，32(5):25-28.

[5] 章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及Zig Bee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡傳感器節(jié)點[J].計算機系統(tǒng)應用,2011,20(7):184-187.

[6] NB/T 31004—2011.風力發(fā)電機組振動狀態(tài)監(jiān)測導則[S].