肖東裕,胡立坤,呂智林,李　捷

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南寧　530004)

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基于B/S結(jié)構(gòu)的分布式風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖東裕,胡立坤,呂智林,李捷

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南寧530004)

為解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分布不集中，各品牌的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備不統(tǒng)一的問(wèn)題，開發(fā)了一種基于B/S結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)；系統(tǒng)采用三層B/S軟件架構(gòu)思想，由客戶端瀏覽器、Web服務(wù)器端以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成；利用ASP.NET技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的故障診斷等功能；該監(jiān)控系統(tǒng)具備跨平臺(tái)運(yùn)行能力，降低了監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)客戶端的要求，對(duì)不同風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)具有整合監(jiān)控能力，同時(shí)該監(jiān)控系統(tǒng)診斷功能能提高風(fēng)機(jī)維護(hù)針對(duì)性，有效的減少維護(hù)時(shí)間。

風(fēng)力發(fā)電；B/S結(jié)構(gòu)；ASP.NET；小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；故障診斷

0　引言

隨著國(guó)家對(duì)綠色能源的進(jìn)一步推廣，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量逐年攀升。全國(guó)各地正在建設(shè)或已經(jīng)建設(shè)了由各式各樣的分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成的風(fēng)電場(chǎng)。但風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一般都建設(shè)在人煙稀少,野外空曠或者近海地區(qū)，人力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控并不現(xiàn)實(shí)。

目前風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式大多為C/S模式，該模式把大部分業(yè)務(wù)置于客戶端處理，加大了對(duì)客戶端設(shè)備的要求，不能跨平臺(tái)運(yùn)行，具有一定的局限性[1]。且又由于每一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)型以及控制系統(tǒng)均不一樣,都有一套獨(dú)立的中央監(jiān)控軟硬件設(shè)備[2]。這就要求分布式風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)具有對(duì)不同型號(hào)風(fēng)電系統(tǒng)整合監(jiān)控能力。同時(shí)，風(fēng)電系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)傳回大量系統(tǒng)信息，要求監(jiān)控系統(tǒng)能利用先進(jìn)智能的算法對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的能力。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于B/S結(jié)構(gòu)帶有智能故障診斷功能的風(fēng)電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)需求。

1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1，由前端風(fēng)力傳動(dòng)部分、發(fā)電機(jī)、并網(wǎng)逆變器、各種傳感器和嵌入式控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)主要監(jiān)控發(fā)電機(jī)、并網(wǎng)逆變器這兩個(gè)關(guān)鍵部分。通過(guò)發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出端電壓電流、整流逆變器溫度、整流逆變器輸出端電壓電流等數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，以便監(jiān)控人員能夠快速而正確對(duì)其做出決策。

圖1　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理圖

1.1系統(tǒng)組成部署

設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)由客戶端、服務(wù)器端(包含Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器)以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集端組成，主要采用C#語(yǔ)言開發(fā)設(shè)計(jì)。具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)采用B/S三層結(jié)構(gòu)包括顯示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。顯示層是軟件的用戶界面，該界面用于人機(jī)交互，通過(guò)用戶計(jì)算機(jī)瀏覽器顯示界面。業(yè)務(wù)邏輯層主要用于分析和處理數(shù)據(jù)，包含有一系列的邏輯組件負(fù)責(zé)處理顯示層的請(qǐng)求并輸出分析結(jié)果，還有通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化通訊接口從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層負(fù)責(zé)與發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)通信并獲取數(shù)據(jù)和向業(yè)務(wù)邏輯層Web應(yīng)用提供數(shù)據(jù)。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的B/S三層架構(gòu)能很好地匹配風(fēng)電的高速擴(kuò)張性，使新投產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組只要能夠連接Web服務(wù)器就能快速地添加入監(jiān)控系統(tǒng)中。本監(jiān)控系統(tǒng)只要求客戶端的設(shè)備帶有連接網(wǎng)絡(luò)的瀏覽器，這樣就滿足了該監(jiān)控系統(tǒng)在用戶使用上的快速部署以及降低對(duì)客戶端設(shè)備的要求。隨著智能手機(jī)、掌上電腦的發(fā)展，很大一部分的移動(dòng)設(shè)備也滿足本系統(tǒng)的接入要求；使得該系統(tǒng)也滿足移動(dòng)辦公靈活監(jiān)控的需求。

還有風(fēng)電系統(tǒng)在不間斷的監(jiān)控下需要存儲(chǔ)大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[3]。這樣把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)放在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)服務(wù)器避免了在客戶端購(gòu)買昂貴的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，同時(shí)又減少了不必要的存儲(chǔ)設(shè)備維護(hù)成本。并且此結(jié)構(gòu)在云計(jì)算時(shí)代煥發(fā)了新的活力，即服務(wù)器存儲(chǔ)容量越來(lái)越大，價(jià)格越來(lái)越便宜。

1.2系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)功能分為面向客戶和面向管理員兩部分，各功能模塊如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

其中面向用戶的是風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)的前臺(tái)功能，主要包括有：

1)用戶管理功能：包括用戶對(duì)賬號(hào)的登陸、注冊(cè)、修改、刪除等。

2)數(shù)據(jù)通信功能：用戶可以選擇通信監(jiān)控的設(shè)備。

3)數(shù)據(jù)查詢和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)和歷史監(jiān)控信息進(jìn)行查詢和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)發(fā)送簡(jiǎn)單的指令。

4)智能診斷功能：讓用戶可以在系統(tǒng)異常的情況下進(jìn)行快速診斷出風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)故障類型與故障位置，以便迅速做出處理。

而管理員除了具備用戶所能使用的功能外，還負(fù)責(zé)后臺(tái)的用戶權(quán)限管理以及網(wǎng)站的更新維護(hù)，網(wǎng)站的維護(hù)包括：根據(jù)客戶需求修改監(jiān)控界面，與風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)的通信建立，數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)。

1.3通信和數(shù)據(jù)庫(kù)

本節(jié)的通信指在風(fēng)電場(chǎng)與數(shù)據(jù)服務(wù)器端的通信，其模式主要由風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議或通信模塊決定。風(fēng)電發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)以串口組網(wǎng)或通過(guò)網(wǎng)線以TCP/IP協(xié)議組網(wǎng)都可以通過(guò)系統(tǒng)管理員選擇通信模式和修改通信參數(shù)后接入到本系統(tǒng)，以滿足與不同的風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)通信的需求。其中的通信參數(shù)主要指串口通信的串口號(hào)和波特率、TCP/IP通信的IP地址和其端口號(hào)。

現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)據(jù)服務(wù)器端通信成功后把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以供用戶調(diào)用。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端部署SQL Server 2008，使用 ADO.NET技術(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶可以檢索在監(jiān)視時(shí)段內(nèi)的任何數(shù)據(jù)來(lái)滿足各種監(jiān)控需求。此外數(shù)據(jù)庫(kù)定期刪除數(shù)據(jù)清理存儲(chǔ)空間，以減少數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)擔(dān)。

2　界面顯示設(shè)計(jì)

界面顯示主要以Chart圖和表單顯示，而ASP.NET提供了Chart和Form控件可以快速根據(jù)客戶需求建設(shè)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)顯示模塊。Chart和Form控件可以綁定數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，使其中電流，電壓數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)的Chart圖顯示，其他如風(fēng)機(jī)狀態(tài)(運(yùn)行、停運(yùn)、故障等)，風(fēng)速、風(fēng)向，累計(jì)發(fā)電量等狀態(tài)數(shù)據(jù)以Form表以數(shù)字或文字的形式顯示。各個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控量都設(shè)置有安全報(bào)警值。當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)控量超過(guò)安全報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)將彈出報(bào)警框提醒用戶。而且為確保警告?zhèn)鬟_(dá)給用戶，警告框上設(shè)置確認(rèn)功能，即用戶沒(méi)有確認(rèn)警告框不會(huì)消失。

利用ASP.NET AJAX技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)頁(yè)中數(shù)據(jù)顯示部分動(dòng)態(tài)刷新，達(dá)到對(duì)監(jiān)控對(duì)象狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)，避免了不必要的重復(fù)刷新導(dǎo)致的網(wǎng)頁(yè)部分占用資源和網(wǎng)頁(yè)頻繁出現(xiàn)的“白屏”現(xiàn)象，使得界面更可能友好。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為在ASP.NET頁(yè)面加入ScriptManager和UpdatePanel控件, 再將需要?jiǎng)討B(tài)更新數(shù)據(jù)的Chart或Form控件放入U(xiǎn)pdatePanel控件即可實(shí)現(xiàn)。其中的ScriptManager控件用來(lái)處理頁(yè)面上的所有組件以及頁(yè)面局部更新，生成相關(guān)的客戶端代理腳本以便能夠在JavaScript中訪問(wèn)Web服務(wù)器，而UpdatePanel控件用以指定了局部更新的區(qū)域。

3　智能故障診斷

本節(jié)介紹系統(tǒng)中的智能故障診斷功能，它是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能狀態(tài)診斷，能夠整合和處理傳感器傳回存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)以診斷出發(fā)電機(jī)系統(tǒng)故障狀態(tài)，包括故障類型與故障位置。

圖4　智能診斷示意圖

具體如圖4所示，用戶可以根據(jù)需求向服務(wù)器提出對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)診斷請(qǐng)求，在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端的風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)會(huì)被輸入Web服務(wù)器中訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，經(jīng)過(guò)計(jì)算后對(duì)用戶返回診斷結(jié)果。再根據(jù)用戶對(duì)該功能使用的反饋的診斷效果情況決定對(duì)訓(xùn)練的小波BP網(wǎng)絡(luò)模型的更新。

圖5　小波BP網(wǎng)絡(luò)診斷流程圖

該智能診斷功能主要應(yīng)用小波BP診斷法，它以風(fēng)電系統(tǒng)輸出的三相相電流為輸入，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行診斷分析，包括故障類型和故障位置。如圖1當(dāng)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的三相相電流通過(guò)霍爾傳感器采集處理存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器后，故障診斷功能將其從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器調(diào)用出來(lái)。具體運(yùn)算過(guò)程如下圖5所示三相相電流為了減少運(yùn)算量先進(jìn)行歸一化，然后對(duì)它們小波分解得到反映信號(hào)基本特征的低頻系數(shù)cA，在對(duì)低頻系數(shù)提取小波低頻能量值En，在加入附加特征值Tn后輸入利用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱訓(xùn)練好的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出輸出值，在與訓(xùn)練時(shí)的期望值比對(duì)后得出診斷結(jié)果。

4　系統(tǒng)測(cè)試分析

測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的PC機(jī)使用Windows7系統(tǒng)，利用Microsoft Visual Studio 2013內(nèi)嵌的ASP.NET Development Server在PC端建立ASP網(wǎng)絡(luò)開發(fā)服務(wù)器作為系統(tǒng)的Web服務(wù)器，利用Microsoft SQL Server 2008建立數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

如圖6瀏覽器在3秒內(nèi)成功連接服務(wù)器監(jiān)控，系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示功能正常，點(diǎn)擊診斷鍵進(jìn)入故障診斷界面，在此之前輸

圖6　數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)圖

入一組由MATLAB/Simulink仿真的風(fēng)電系統(tǒng)背靠背并網(wǎng)變流器三相逆變橋中A相上橋臂開關(guān)管T1斷路故障的三相電流數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器作為測(cè)試數(shù)據(jù)。在點(diǎn)擊開始診斷鍵后，系統(tǒng)成功在1秒內(nèi)響應(yīng)并診斷出系統(tǒng)故障位置為逆變器A相上橋臂開關(guān)管T1，故障類型為斷路故障，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明監(jiān)控界面與小波BP診斷法符合Web服務(wù)器的運(yùn)行環(huán)境的要求，并且有較快的響應(yīng)速度，其在B/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中的應(yīng)用是現(xiàn)實(shí)可行的。

圖7　故障診斷應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

5　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)目前面面臨的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于B/S結(jié)構(gòu)的分布式風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)，以此系統(tǒng)為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信功能、數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能診斷功能。系統(tǒng)有利于服務(wù)器端與客戶端的部署，減少了升級(jí)維護(hù)的工作量，而智能診斷功能的成功應(yīng)用能讓風(fēng)機(jī)維護(hù)人員盡早地發(fā)現(xiàn)故障的位置與原因及時(shí)修復(fù)，減少風(fēng)電系統(tǒng)由于故障而停機(jī)帶來(lái)的一系列經(jīng)濟(jì)損失。另外，此風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)為風(fēng)/光/蓄/柴混合發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)預(yù)留了有力的數(shù)據(jù)與接口支持與實(shí)驗(yàn)室中已完成的使用同一框架的光伏發(fā)電系統(tǒng)整合為一體，為讓微電網(wǎng)得到安全、可靠的監(jiān)控奠定了基礎(chǔ)。

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Design of Distributed Wind Power Monitoring System Based on B/S Structure

Xiao Dongyu，Hu Likun，Lyu Zhilin，Li Jie

(College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning530004，China)

In order to solve the dispersion of distribution and the monitoring equipments of different brands is not uniformed for the wind power generation system, this paper develops a monitoring system for wind power generation system based on B/S structure. Three-tier software framework needs to be adopted in this system, which is constituted by the client browser, web servers and database servers, while using ASP.NET technology to achieve the real-time monitoring for wind power system and using wavelet neural network to achieve fault diagnosis of wind turbine. The monitoring system includes a cross-platform capability, which reduces the monitoring system to the client's request, and the monitoring system has the integrated capabilities for different wind sites. Moreover, fans maintenance can be improved using the fault diagnosis function of the monitoring system, which reduces the maintenance time effectively.

wind power; B/S structure; ASP.NET; wavelet neural network; fault diagnosis

2015-06-25；

2015-09-07。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61364027)。

肖東裕(1990-)，男，廣東湛江人，碩士研究生，主要從事能源監(jiān)控與管理，系統(tǒng)優(yōu)化方向的研究。

胡立坤(1977-)，男，湖北襄陽(yáng)人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，非線性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制，可再生能源變換系統(tǒng)與應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2016)01-0105-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.029

TP3

A