王世明,田園

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)與歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GALILEO)之后,又一成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),由中國(guó)獨(dú)立自主研制,建設(shè),運(yùn)行,并且與前述的衛(wèi)星系統(tǒng)能夠兼容運(yùn)行的全球性導(dǎo)航系統(tǒng),標(biāo)志中國(guó)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后,世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家[1]。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于測(cè)繪、水利、漁業(yè)、電信業(yè)、交通運(yùn)輸、公共安全等諸多領(lǐng)域已經(jīng)取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

我國(guó)是海洋大國(guó),擁有18000多千米的海岸線和300多萬(wàn)平方千米的“海洋領(lǐng)土”?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將再生能源規(guī)模化利用原理和新途徑作為“能源可持續(xù)發(fā)展中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題”;《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中也提出了積極推進(jìn)海洋能的開(kāi)發(fā)利用[2]。十八大報(bào)告明確提出了“提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力,發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì),保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境,堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益,建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的口號(hào),也因此波浪能發(fā)電作為一種重要的海洋能量利用方式,不僅是近年來(lái)技術(shù)攻克的熱門研究課題,更得到了國(guó)家的大力支持[3]。

波浪能究其本身,是一種沒(méi)有規(guī)律的能源,應(yīng)用于波浪能的發(fā)電設(shè)備,均需要放置于海洋,由于海洋環(huán)境變幻無(wú)常,十分復(fù)雜,導(dǎo)致了發(fā)電設(shè)備的耗損率較高,這就需要有較為成熟完備的監(jiān)控手段和定位系統(tǒng),為波浪能發(fā)電設(shè)備服務(wù),用以監(jiān)控和調(diào)整,在減少不必要損失的同時(shí),將波浪能的能源利用率最大化。

1 柔性漂浮式海洋能發(fā)電設(shè)備簡(jiǎn)介

由上海海洋大學(xué)獨(dú)立研制的柔性直驅(qū)式漂浮浪輪機(jī),采取柔性直驅(qū)式浪輪結(jié)構(gòu),有效突破傳統(tǒng)的經(jīng)過(guò)機(jī)械能轉(zhuǎn)換的三級(jí)波浪能轉(zhuǎn)換模式,實(shí)現(xiàn)波浪能發(fā)電設(shè)備核心零部件和整機(jī)原理、材料及備制技術(shù)和工藝的突破,目前原理樣機(jī)已經(jīng)進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)和海試實(shí)驗(yàn),形成了秦皇島碼頭、上海電氣臨港重型機(jī)械裝備有限公司等地的長(zhǎng)期海試報(bào)告及可驗(yàn)證的發(fā)電記錄。

柔性漂浮式海洋能發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示

此設(shè)備采用雙向葉輪直驅(qū)式發(fā)動(dòng)機(jī),波浪能能量在導(dǎo)流罩內(nèi)形成匯集,快速?zèng)_擊葉輪,葉輪獲取扭矩進(jìn)一步帶動(dòng)兩側(cè)的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),最終實(shí)現(xiàn)電能及轉(zhuǎn)速信號(hào)的輸出。

采集到的信號(hào)通過(guò)發(fā)電系統(tǒng)收集,處理,并傳輸至控制端,其整套的發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行原理圖如圖2所示。

2 海洋能發(fā)電設(shè)備通信方式的方案選取

系統(tǒng)中使用的無(wú)線通信方式GPRS,是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱,屬于第二代移動(dòng)通信中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),是基于IP技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在“十三五”被國(guó)家科技部點(diǎn)名運(yùn)用于“遠(yuǎn)海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為遠(yuǎn)海裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一,是因?yàn)楸倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能做到定位和通信,能夠獲取與傳輸海洋作業(yè)裝備的信息,由上海海洋大學(xué)研發(fā)的直驅(qū)式浪輪發(fā)電設(shè)備,就采用了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位與信息傳輸,可以及時(shí)地獲取波浪能發(fā)電設(shè)備的信息,以便完成對(duì)發(fā)電設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整。

波浪能發(fā)電設(shè)備一般用于遠(yuǎn)海作業(yè),數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)通訊成為波浪能發(fā)電中非常重要的一環(huán),只有將發(fā)電設(shè)備所處地的實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信的方式傳輸?shù)娇刂浦行?監(jiān)控后臺(tái)才能知曉所處地,發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)(包括電流,電壓,輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率,發(fā)電設(shè)備功率等)。

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有兩種工作模式,分為RDSS模式和RNSS模式。RDSS模式可以進(jìn)行定位,也可以進(jìn)行短報(bào)文通信,在RDSS模式的運(yùn)行下,定位和短報(bào)文通信需要每1 min一次,這樣無(wú)法滿足發(fā)電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控需求[5]。RNSS模式可以實(shí)現(xiàn)每秒的定位,但是RNSS模式?jīng)]有辦法實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信功能。綜上所述,采用RDSS和RNSS兩種模式共同協(xié)作的方式,可以滿足發(fā)電設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控,又能通過(guò)RDSS模式下短報(bào)文[6]的通信將定位信息傳送給接收終端。

海洋能發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其研制的PCB布局如圖3所示,其中包括單片機(jī),以及通過(guò)串口受單片機(jī)控制的通信模塊、傳感器、電平轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的外擴(kuò)FLASH,以及提供定時(shí)發(fā)送中斷的時(shí)鐘芯片。

3 海洋能發(fā)電設(shè)備通訊系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)GPRS無(wú)線通信的工作原理如圖4所示,通過(guò)GPRS模塊與BTS(GSM基站)通信,數(shù)據(jù)通過(guò)BSC(基站控制器)分組后分別發(fā)送到SGSN(服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn))與MSC(移動(dòng)交換中心),SGSN與GGSN(GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn))進(jìn)行通信及數(shù)據(jù)處理后,再發(fā)送至目的地網(wǎng)絡(luò)PDN(分組數(shù)據(jù)網(wǎng))[7]。

由于遠(yuǎn)海環(huán)境的不可預(yù)測(cè)性,為防止惡劣的環(huán)境因素對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成干擾,因此在發(fā)電設(shè)備的通訊方案選擇上,選取了雙通道傳輸方式。雙通道的傳輸方式好處在于[8],某通道出現(xiàn)工作不正常的時(shí)候,另一通道可以作為互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)信息的上傳以及下載功能。

設(shè)備的通訊方案如圖5所示,由波浪能發(fā)電設(shè)備對(duì)基站發(fā)出信號(hào),通過(guò)基站與移動(dòng)交換設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,所接收的數(shù)據(jù)信息,通過(guò)網(wǎng)關(guān)和路由器、防火墻后,能傳達(dá)至上海海洋大學(xué)的移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái),通過(guò)校內(nèi)直接使用與校外VPN分方式訪問(wèn),可以直接遠(yuǎn)程訪問(wèn)波浪能發(fā)電設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)的功能,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)各部分的組成,以及空間分布和位置功能,可以簡(jiǎn)單的一分為三,一是北斗衛(wèi)星空間衛(wèi)星端,二是地面控制端,三是用戶終端。其中北斗衛(wèi)星空間衛(wèi)星端由地球同步軌道衛(wèi)星與低軌道衛(wèi)星兩種衛(wèi)星共同組成,其作用主要是作為無(wú)線電信號(hào)的中轉(zhuǎn)站,其二地面控制端則是整個(gè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心樞紐,是整個(gè)系統(tǒng)的管理與控制中心,對(duì)于所有經(jīng)過(guò)這個(gè)系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),都是通過(guò)地面控制端進(jìn)行處理與計(jì)算,并且通過(guò)地面控制端進(jìn)行無(wú)線電信號(hào)的發(fā)送與接收,其三用戶終端則是用戶直接使用的裝置。系統(tǒng)選用的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行通信的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。其中,地面設(shè)備分三個(gè)部分構(gòu)成。第一個(gè)部分是發(fā)電設(shè)備參數(shù)采集端,投放至遠(yuǎn)海的發(fā)電設(shè)備,其設(shè)備中安置有各類傳感器,以實(shí)時(shí)收集發(fā)電設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)(電流,電壓,輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率,發(fā)電設(shè)備功率等);第二個(gè)部分是地面控制中心,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理和信息傳輸;第三個(gè)部分是作為用戶端的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

第一部分的發(fā)電設(shè)備參數(shù)采集端,將發(fā)電設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息,通過(guò)發(fā)電設(shè)備搭載的傳感器,通過(guò)短報(bào)文將設(shè)備的運(yùn)行信息,如功率、電壓、轉(zhuǎn)速等收集并傳送給北斗衛(wèi)星,北斗衛(wèi)星將采集的參數(shù)信息發(fā)送給地面控制中心的北斗信號(hào)接收機(jī),地面控制中心將接收的信息進(jìn)行解析,再將解析過(guò)后的信息又發(fā)送北斗衛(wèi)星,最后北斗衛(wèi)星將收到的返回信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的北斗信號(hào)接收機(jī),并進(jìn)行信息提取和解析,這樣就能成功實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的雙向通信。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行與測(cè)試

此次測(cè)試,將發(fā)電設(shè)備投放于海洋環(huán)境相對(duì)較好的青島黃島區(qū)海域進(jìn)行海上實(shí)驗(yàn),將監(jiān)控的設(shè)備參數(shù),通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,接收衛(wèi)星發(fā)回的發(fā)電設(shè)備采集參數(shù)直接在后臺(tái)可見(jiàn),通過(guò)VB編程軟件展示,其各項(xiàng)參數(shù)直觀可見(jiàn),界面如圖7所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是由我國(guó)自主研發(fā),自主運(yùn)行的新一代衛(wèi)星定位通信系統(tǒng),相比較起國(guó)外的衛(wèi)星導(dǎo)航通訊系統(tǒng)(如GPS等),其投入資本會(huì)更小,并且由于其自主研發(fā)的特性,所以可靠性和保密性會(huì)更高。本文為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海波浪能發(fā)電設(shè)備的監(jiān)控,提供了一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的監(jiān)控方案,從實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)來(lái)看,其監(jiān)控的發(fā)電設(shè)備各項(xiàng)參數(shù),都可以實(shí)時(shí)穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)。事實(shí)證明,本方案可以有效地對(duì)波浪能發(fā)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息采集和控制,為我國(guó)的遠(yuǎn)海監(jiān)測(cè)平臺(tái)提供有力的支持。

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