鄔春明，楊　濤，張金強（東北電力大學信息工程學院，吉林吉林132012）

?

基于ZigBee的風電機艙火災預警系統(tǒng)設計*

鄔春明，楊濤*，張金強
（東北電力大學信息工程學院，吉林吉林132012）

摘要：為了解決風電機組中火災隱患帶來的損失，提出了基于ZigBee的風電機艙的火災預警系統(tǒng)。系統(tǒng)由傳感器采集節(jié)點、網(wǎng)絡協(xié)調節(jié)點，以及監(jiān)控中心節(jié)點組成。采用CC2530作為處理器來控制傳感器采集風機艙內主要的火災隱患位置，在協(xié)調節(jié)點匯聚，通過GPRS網(wǎng)絡傳送到遠處監(jiān)控中心。通過實驗和測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高，預警準確，能夠有效的監(jiān)測各區(qū)域的各個時間段的運行情況，從而能夠保證風電機組安全、穩(wěn)定的運行。

關鍵詞：風電機艙；防火；CC2530；GPRS網(wǎng)絡；軟件平臺

項目來源：國家自然科學基金項目（61301257）；2013吉林省科技發(fā)展計劃項目（20130206050GX）

由于全球能源供應緊張，環(huán)境污染問題的日益嚴重，作為綠色能源的風能已受到世界各國的高度關注和重視。2014年3月，中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會正式公布《2013年中國風電裝機容量統(tǒng)計》。2013年中國（不包括臺灣地區(qū)）新增安裝風電機組9356臺，裝機容量16 088.7 MW，累計安裝風電機組63120臺，裝機容量91 412.89 MW，年增長21.4%。年發(fā)電量達到1 400億kW·h。預計到2020年，風電裝機容量將達到1.5×105MW［1］。隨著風電機組的容量的加大，風電機組的火災隱患也日益的突出，因此預防風電機組火災的發(fā)生也成為風電機組研究的熱點課題。

機艙內有主軸、潤滑散熱系統(tǒng)、齒輪箱、剎車系統(tǒng)、發(fā)電機、提升機、偏航軸承、偏航驅動、機艙底座、照明系統(tǒng)、傳輸電纜、控制柜等［2］。容易由于高溫運行、通風不良、過熱老化、潤滑油泄露、高速制動和極端惡劣氣候條件等原因引起火災［3］。

葉輪部分會因葉片遭受雷擊、電機超負荷運行、控制系統(tǒng)過熱老化擊穿等原因引起火災。塔柱一般為中空圓柱形，設有數(shù)個平臺，內有爬梯、傳輸控制電纜，塔架底層設有變頻柜、控制柜等。容易由于控制柜空間狹小、通風不良、電氣元件過熱老化擊穿，電纜過流絕緣能力降低而引發(fā)火災［4］。

目前在線監(jiān)測技術已經在農業(yè)［5］、醫(yī)療［6-7］、航海［8］、風電［9-10］等領域得到廣泛的利用，國內外關于風電機組在線檢測技術也比較成熟，并且開發(fā)了一些專用監(jiān)測設備［11］。其中風電機艙是風電機組的重要組成部分，且風電機組的主要設備都在機艙內，因此風電機艙的安全、穩(wěn)定的運行是風電機組安全運行的關鍵。本文火災預警系統(tǒng)主要針對風電機艙的監(jiān)測。

1　系統(tǒng)硬件設計

1.1系統(tǒng)組成及工作原理

風電機艙監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器采集節(jié)點、GPRS無線網(wǎng)絡、監(jiān)控中心節(jié)點等3部分組成，將傳感器節(jié)點部署在風電機艙內主要的火災隱患易發(fā)生位置，主要監(jiān)測的關鍵部位有齒輪箱潤滑油溫度、發(fā)電機線圈溫度、發(fā)電機前軸承溫度、發(fā)電機后軸承溫度、控制柜溫度等。傳感器采集節(jié)點將采集得到的實時數(shù)據(jù)（各監(jiān)測區(qū)域的溫濕度和煙霧濃度等）匯集到協(xié)調器節(jié)點，再通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測中心，在監(jiān)測界面中設定了各數(shù)據(jù)的閾值，當溫度或煙霧濃度超過閾值，則指示燈報紅，并通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到工作人員手里的手持終端，工作人員可根據(jù)手持終端開啟滅火系統(tǒng)。系統(tǒng)結構圖如下圖1所示。

1.2協(xié)調器節(jié)點設計

協(xié)調節(jié)點是整個網(wǎng)絡的核心部分，負責整個網(wǎng)絡協(xié)議的分配，是數(shù)據(jù)采集的節(jié)點的匯聚節(jié)點，將匯聚來的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)倪h處的監(jiān)控中心，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

1.3CC2530外圍模塊電路

處理器采用CC2530芯片，芯片及外圍電路圖如圖3所示。滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，以及ZigBee對低成本，低功耗的要求；集成了增強型高速8051內核處理器，8 kbyte的RAM，多達256 kbyte的閃存以及支持更大的應用。

圖1　系統(tǒng)總體結構圖

圖2　ZigBee協(xié)調節(jié)點模塊

圖3　CC2530外圍模塊電路

1.4電源模塊

ZigBee模塊采用3.3 V電壓供電，當電壓達不到3.3 V時，對收發(fā)產生一定的影響。該系統(tǒng)通過變壓芯片，由5 V轉3.3 V，提供穩(wěn)定的電源供應［12］，電路圖如圖4所示。

圖4　電源模塊

由于大型風電機組利用大型的機械設備進行發(fā)電，產生機械振動能，將其轉換為電能，無需布線和電池，就可以提供驅動傳感器的能量，減少因更換電池帶來的不便。該設計可以安裝到狹小的空間和大型機械設備，而且在不需要維護的情況下無限期工作，尤其適合需要常使用壽命、高溫運行或者人員難以接近的應用中。

1.5溫濕度采集節(jié)點設計

該系統(tǒng)通過采用SHT11數(shù)字溫濕度傳感器對機艙的各監(jiān)控位置的溫濕度進行數(shù)據(jù)的采集，并將MCU1微控芯片進行控制，其電路圖如圖5所示。

圖5　溫濕度采集模塊電路

1.6煙霧傳感器模塊

該系統(tǒng)的煙霧傳感器采用MQ-2，在可燃氣體或煙霧中MQ-2煙霧傳感器的電阻會有相應的變化，電路圖如圖6所示。

圖6　煙霧傳感器電路圖

2　系統(tǒng)的軟件設計

ZigBee模塊上電后，CC2530硬件設備初始化并嘗試加入無線傳感器網(wǎng)絡，當加入到網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點進入低功耗的休眠模式。當定時器發(fā)生中斷，進入工作模式，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，并將溫度等數(shù)據(jù)向上層傳輸。之后檢查數(shù)據(jù)是否傳輸完成，成功則再次進入休眠模式，等待下次中斷發(fā)生，否則重新發(fā)送［13］，程序流程圖如圖7所示。

協(xié)調節(jié)點是整個網(wǎng)絡的核心部分，負責網(wǎng)絡協(xié)議的分配，以及數(shù)據(jù)的中轉，協(xié)調節(jié)點首先初始化CC2530并建立一新ZigBee網(wǎng)絡，然后進入無線監(jiān)測模式。在此狀態(tài)下，判斷信號是入網(wǎng)信號還是傳感器的檢測數(shù)據(jù)，以此決定是分配地址或是將數(shù)據(jù)傳到GPRS模塊。

圖7　傳感器節(jié)點程序流程圖

圖8　協(xié)調節(jié)點程序流程圖

3　監(jiān)控中心模塊

監(jiān)控中心具歷史數(shù)據(jù)查詢、顯示歷史數(shù)據(jù)曲線、開始查詢、打印輸出、報警模塊、啟動和關閉滅火系統(tǒng)、以及返回監(jiān)控中心等功能，監(jiān)控中心模塊圖如圖9所示。

風電機組運行參數(shù)監(jiān)測、故障診斷以及控制管理平臺界面如圖10所示，風電機組正常運行時，狀態(tài)指示燈綠燈點亮；當溫度值超過了設定的著火點的臨界值時或者煙霧傳感器感覺到煙霧濃度較大時，紅燈就會點亮，因此監(jiān)控中心工作人員可以根據(jù)實際情況控制并啟動滅火系統(tǒng)。

1號機組歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖11所示，顯示各個容易發(fā)生火災故障的數(shù)據(jù)信息。

1號機組溫度曲線圖形界面如圖12所示，打印歷史數(shù)據(jù)信息，并通過描點畫出歷史溫度曲線，使監(jiān)控人員更直觀的了解溫度的走勢。

圖9　監(jiān)控中心模塊

圖10　風電機組運行參數(shù)監(jiān)測中心

圖11　1號機組數(shù)據(jù)查詢平臺界面設計

圖12　機組溫度曲線圖

4　系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)測試部分，采用是杭州丘捷公司生產的CC2530系列開發(fā)板，這套開發(fā)板包括2個Q2530EB多功能開發(fā)板和3個Q2530BB開發(fā)板，Q2530EB板和Q2530BB板擁有串口液晶顯示接口、RS232接口、5V電源接口、USB供電接口等多個接口，系統(tǒng)支持2.4GHz-IEEE 802.15.4標準以及ZigBee2007/PRO標準。其開發(fā)套件實物圖如圖13所示。

圖13　ZigBee開發(fā)套件實物圖

通過溫度模塊對溫度數(shù)據(jù)進行采集來檢驗系統(tǒng)的可靠性，終端節(jié)點采集到的溫度數(shù)據(jù)通過節(jié)點發(fā)送給協(xié)調節(jié)點，協(xié)調節(jié)點再通過串口線與電腦連接，采集到的數(shù)據(jù)就可以在顯示器中顯示出了。通過測試結果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

5　總結

該系統(tǒng)以成熟的ZigBee技術應用于風力發(fā)電機組火災監(jiān)測系統(tǒng)中，通過短距離無線通信技術對風電機艙內的主要火災監(jiān)測參數(shù)進行采集，最終通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h處監(jiān)控中心，進行故障監(jiān)測，并且當發(fā)生火災事故或有火災安全隱患時，啟動滅火系統(tǒng)，保證風電機組安全、穩(wěn)定的運行。

參考文獻：

［1］陳雪峰，李繼猛，程航，等.風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的研究與進展［J］.機械工程學報，2011，47（9）：45-52.

［2］郝國文.大型風電機組傳動系統(tǒng)故障診斷信息分析方法研究與應用［D］.燕山大學，2011.

［3］吳華珠，唐寶蓮.風電機組失火原因及解決方案［J］.水利水電技術，2011，42（2）：86-89.

［4］張紅玲.風電快速發(fā)展中的火災隱患不容忽視［J］.內蒙古科技與經濟，2012，251（1）：107-108.

［5］常超，鮮曉東，胡穎.基于WSN的精準農業(yè)遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.傳感技術學報，2011，24（6）：879-884.

［6］彭蘭地，米明.基于3G技術的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設計［J］.計算機與現(xiàn)代化，2013，209（1）：88-91.

［7］王竹林，秦會斌，胡煒薇，等.基于ZigBee的無線呼叫系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.電子器件，2009，32（3）：612-615.

［8］K?uts T，Lilover M J，Vahter K. On-Line System for Monitoring and Forecast of Ship Resistance in Ice，Supporting Winter Naviga?tion in the Baltic Sea［J］. Baltic International Symposium（BAL?TIC），The Republic of Estonia，Tallinn，2014：1-5.

［9］Michal Kovalˇcík，Peter Feciíak，F(xiàn)ranti?ek Jakab. Control and Moni?toring System of Small Water and Wind Power Plant Emerging eL?earning Technologies and Applications（ICETA），2013：235-238.

［10］蘇連成，李興林，李小俚，等.風電機組軸承的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷與運行維護［J］.軸承，2012，（1）：47-53.

［11］American Wind Energy Association. Global Wind Energy Market Report［R］. 2008：13-37

［12］蔡文晶，秦會斌，程春榮.基于CC2430片內溫度傳感器的溫度監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電子器件，2010，33（3）：295-298.

［13］侯艷波，秦會斌，胡建人，等.基于嵌入式和ZigBee技術的節(jié)能系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.電子器件，2012，35（6）：670-673.

鄔春明（1966-），男，漢族，吉林省吉林市，碩士學位，東北電力大學信息工程學院教授，碩士生導師，從事無線通信技術領域科學研究與教學工作，wuhi1966@ 126.com；

楊濤（1991-），男，漢族，江西省撫州市，東北電力大學信息工程學院研究生，主要從事無線傳感網(wǎng)絡定位及系統(tǒng)硬件設計的研究，452065227@qq.com；

張金強（1987-），男，漢族，河北省邯鄲市，東北電力大學信息工程學院研究生，主要從事無線傳感網(wǎng)絡定位，joy?brick@126.com。

Design and Implementation of Wireless Voltage Monitoring System Based on ZigBee

YANG Yong*

（Huai’an College of Information Technology School of Electronic Engineering，Huai’an Jiangsu 223003，China）

Abstract：A low cost wireless voltage monitoring system based on ZigBee wireless transmission which contains a new floating voltage sensor was proposed. It is suitable for medium and high voltage（MV/HV）of public equipment monitoring. The system uses TI-CC2530 as the controller and through reasonable hypothesis proposes a new mov?ing average voltage sensing（MAVS）algorithm，and the single-phase and three-phase voltage applied algorithm are analyzed in theory. The actual experiment finally to wireless floating voltage sensor uses in the voltage up to 30 kV，the experimental results show that the proposed low cost wireless voltage sensor can realize the functions of voltage monitoring well，error is less than 3%.

Key words：voltage monitoring；voltage sensor；ZigBee；MAVS algorithm

doi：EEACC：7310B；721010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.045

收稿日期：2015-04-12修改日期：2015-08-31

中圖分類號：TN92

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0216-06