胡 濤，王致杰，程亞麗

（上海電機學院 電氣學院，上海 201306）

1 引言

近年來，我國能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型進程不斷加快，我國已成為全球風力發(fā)電規(guī)模最大、增長最快的市場。風能作為一種可再生能源，具有綠色清潔的特點，是目前世界各國的研究重點。相對陸上風電而言，海上風力資源更加豐富，具有發(fā)電量大、發(fā)電時間長、對生活環(huán)境影響小、不占用耕地、可進行大規(guī)模開發(fā)等諸多優(yōu)勢，因此，開發(fā)海上風力發(fā)電技術已經(jīng)成為風電行業(yè)發(fā)展的新趨勢?！讹L電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出，到2020年，全國海上風電開工建設規(guī)模達到1.0×107kW，力爭累計并網(wǎng)容量達到5.0×106kW以上。

隨著海上風電的發(fā)展，要保障風電行業(yè)的核心利益，滿足監(jiān)管需要，海上風機的無線通訊技術作為新型監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵技術之一受到了專家的高度重視，特別是在海上風電場環(huán)境惡劣，維護人員不能及時到達故障點進行檢修時，基于無線通訊的海上風電監(jiān)測系統(tǒng)就愈發(fā)顯得重要。比如，在海上風機日常監(jiān)測中，經(jīng)常會遇到以下問題：如何確認該風機是否正常運行？如何能快速定位到某風機狀態(tài)異常點？如何能掌握到每臺風機的實時信息和歷史工作信息？國外研究設備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術發(fā)展得比較早，可追溯到半個世紀以前，在理論研究和儀器、系統(tǒng)的研發(fā)上，造詣比較高。監(jiān)測算法主要有傳統(tǒng)的、數(shù)學的和智能的3種診斷方法。傳統(tǒng)故障診斷方法包括振動檢測和油液分析等，數(shù)學診斷方法包括模糊原理和小波分析等，智能診斷方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯和專家系統(tǒng)等。診斷與監(jiān)測系統(tǒng)是由功能各異的軟件模塊集成，具有柔軟性好的優(yōu)點，所以，比儀表系統(tǒng)應用更廣泛。國外對狀態(tài)監(jiān)測平臺的研究已趨于成熟，且許多公司都推出了成熟的產(chǎn)品。比如美國SKFCMMSl00/110、M800A，Entek-IRD的IQ/2000，Bently Navada的ADRE、Trendmaster2000，Vibro Meter的5501，Scientific-Atlanta的M6000、Ascent、CMS、Condition Diagnostics System、Condition Based Maintenance System（CBM）、Turbine Condition Monitoring（TCM）、Condition Management。

國內(nèi)對監(jiān)測平臺的研究也比較早，文獻[1]通過建立風機振動狀態(tài)監(jiān)測平臺采集風機振動數(shù)據(jù)，然后建立風機振動特征值數(shù)據(jù)庫，根據(jù)振動特征值數(shù)據(jù)庫對特征值參數(shù)進行數(shù)據(jù)挖掘，優(yōu)點是該平臺可以實時分析和診斷風機故障，但沒有對風機齒輪箱等部位的溫度監(jiān)測也影響風機的正常運行，該平臺監(jiān)測的范圍不全面。文獻[2]建立了基于B/S模式的大型海上風電機組監(jiān)測平臺，通過查看設備歷史運行數(shù)據(jù)，可以遠程并且及時了解海上設備的運行狀況、診斷風機故障，從而減小風機的故障損失。但該文獻沒有考慮當監(jiān)測平臺診斷到風機發(fā)生故障，而此時工作人員又不在工作現(xiàn)場的情況，這樣是無法及時處理故障的。文獻[3]通過改進微分經(jīng)驗模式分解（DEMD）和獨立分量分析（ICA）對海上風機傳動系統(tǒng)早期故障進行診斷，解決了傳動系統(tǒng)早期故障振動信號比較弱的問題。李虎通過分析風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)的典型故障，通過軟硬件設計并基于Labview開發(fā)出了風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測的平臺；侯君設計了基于B/S模式的風力發(fā)電機組監(jiān)測平臺的結(jié)構，在監(jiān)測平臺上可以進行數(shù)據(jù)讀寫。

現(xiàn)階段的無線通信技術主要包括藍牙技術、WiFi技術、UWB技術、ZigBee技術。隨著無線技術的成熟，新型的無線通信技術ZigBee得到關注，尤其是在所需設備體積不大、耗能不高的無線消息傳送領域中，ZigBee技術被大量應用。ZigBee具有功耗低、成本低、時延短、網(wǎng)絡自組織、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡容量大、高安全模式的優(yōu)點，因此，在海上建立基于ZigBee技術的風電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)大大降低了運維成本。本文構建的基于ZigBee的海上風機機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在風力發(fā)電機各部位上安裝無線傳感器，采集風機運行的數(shù)據(jù)，再將傳感器采集的信號傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊存儲，數(shù)據(jù)采集模塊將存儲的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送到監(jiān)控終端，風電場管理人員通過監(jiān)控中心屏幕即可全面了解和把控海上風電場風機的工作情況，對風機在工作期間的活動情況一目了然。當出現(xiàn)緊急情況時，利用該系統(tǒng)可立刻定位到風機布置的測點，及時處理。該系統(tǒng)在提高工作效率、監(jiān)控工作狀態(tài)、危險情況處理等方面提供了強有力的支持，對于海上風電技術的發(fā)展有著十分重要的意義。

2 基于ZigBee的海上風電機組狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案

基于ZigBee的海上風電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括采集終端（測點處的傳感器）、ZigBee局域網(wǎng)絡、在線采集、遠程監(jiān)控中心四部分。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 ZigBee海上風機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

在風機狀態(tài)參數(shù)采集終端，海上風機通過安裝在測點處的各類傳感器完成風機狀態(tài)參數(shù)的采集，并通過ZigBee發(fā)送模塊發(fā)送到局域網(wǎng)絡中的ZigBee協(xié)調(diào)器中。ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器通過對局域網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行匯總后轉(zhuǎn)發(fā)到在線采集模塊，在線采集模塊主要負責接受遠程監(jiān)控中心的命令，采集協(xié)調(diào)器傳輸過來的數(shù)據(jù)，并通過Internet傳送到監(jiān)控中心。該系統(tǒng)還具備海上風機狀態(tài)定位功能，當風機某個部位有故障時，相應的測點傳感器的數(shù)據(jù)就會異常。遠程監(jiān)控中心主要處理傳輸過來的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)儲存、離線分析、故障診斷、數(shù)據(jù)庫查詢等。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中測點的選擇和數(shù)量直接關系到監(jiān)測信號能否很好地反映設備的運行狀態(tài)和設備的整體運行狀態(tài)。本文的測點安裝既要監(jiān)測風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，還需要振動測點，以及針對封閉的齒輪箱對其內(nèi)部工作溫度進行監(jiān)測，測點布置如圖2所示。

振動測點共有發(fā)電機后軸承測點（測點1）、發(fā)電機前軸承測點（測點2、3）、主軸承測點（測點8）、齒輪箱中間軸測點（測點4）、齒輪箱輸出軸測點（測點5）、齒輪箱輸入軸測點（測點7）和齒輪箱體測點（測點6）8個；轉(zhuǎn)速測點包括高速軸測點（測點10）、低速軸測點（測點11）2個；溫度測點有齒輪箱測點（測點9）。

圖2 測點布置圖

3 硬件設計

整個系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構成，硬件部分完成對風電機組狀態(tài)信息的實時采集與傳輸；軟件部分依據(jù)風電機組狀態(tài)的狀態(tài)信息，完成狀態(tài)監(jiān)測。硬件部分包括測點傳感器、采集卡，軟件主要包括在線采集和遠程監(jiān)控中心兩部分。測點傳感器主要安裝在風機關鍵設備上，采集卡用于采集振動數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，在線采集負責采集振動數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳給遠程監(jiān)控中心，同時，接收遠程監(jiān)控中心的開始采集命令，實現(xiàn)采集的遠程控制。遠程監(jiān)控中心主要是處理傳輸過來的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)儲存、離線分析、故障診斷、數(shù)據(jù)庫查詢等。在實際工作中，風場一般都距離遠程監(jiān)測中心比較遠，現(xiàn)場與監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)傳輸只能借助于網(wǎng)絡，所以，為了使系統(tǒng)更符合實際，系統(tǒng)中的在線采集端與遠程端的通信采用網(wǎng)絡的形式，利用網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換和指令傳輸。具體風電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設計部分

硬件部分采用TI公司推出的有SOC的CC2530單片機作為控制器，對于2.4 GHz、IEEE802.15.4標準、ZigBee和RF4C的片上系統(tǒng)，CC2530是最佳的選擇。由圖3可知，數(shù)據(jù)采集處理和無線發(fā)送主要由CC2530單片機完成，它具有很強的數(shù)字處理能力，為風力發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時、準確采集提供了保證。電源模塊為CC2530單片機提供電能，它的穩(wěn)定性和可靠性是整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎。因此，電源管理芯片采用TI公司的TP4057芯片，當電源沒達到要求的電平時，為了防止CC2530芯片出現(xiàn)不受控制的狀態(tài)，需設計復位電路。在控制系統(tǒng)的復位電路中，一般采用電壓監(jiān)控或者看門狗電路，低電平有效。

傳感器（transducer/sensor）是一種可以將檢測對象的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詸z測、傳輸和處理的信號的檢測裝置。通常情況下，風電機組主軸軸承和齒輪箱輸入端軸承都在低速狀態(tài)下運行，因此，低頻加速度傳感器的型號為Turningpoint TP500（500 mv/g）。而齒輪箱輸出端軸承和發(fā)電機輸入輸出端軸承與上述相反，通常工作在高速運行狀態(tài)下，因此，加速度傳感器的型號為Turningpoint TP100（100 mv/g）。溫度傳感器的作用是實時采集監(jiān)測對象的溫度值，薄膜鉑熱電阻PT100溫度傳感器在國內(nèi)外大多風電機組中通用，它的溫度檢測范圍－100～500℃，對監(jiān)測機組運行時溫度變化范圍和精度要求均能達到要求。高速軸的轉(zhuǎn)速傳感器的構成是在電機和齒輪箱高速軸輸出端安裝1個齒盤，并用2個獨立的接近開關對齒盤的轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)速測量，這是一種傳統(tǒng)的機械傳感測量方式。

4 軟件設計

Z-Stack支持ZigBee2007規(guī)范是德州儀器開發(fā)的高水平的ZigBee協(xié)議棧，由于支持多個平臺開發(fā)，使得其幾乎包含了網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的全功能協(xié)議。本文采用Z-Stack協(xié)議棧。

4.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個傳感網(wǎng)絡的核心部位，如圖4所示。先給協(xié)調(diào)器上電，這時啟動代碼來初始化軟硬件設備，接著協(xié)調(diào)器會掃描信道，查看新建立的ZigBee網(wǎng)絡是否成功，如果成功，整個模塊就進入無線監(jiān)控模式下。此時，如果有節(jié)點請求加入網(wǎng)絡的話，協(xié)調(diào)器會自動分配地址，并開始對其新的網(wǎng)絡節(jié)點地址進行存儲處理。最后，更新和顯示關聯(lián)設備的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點便接收從路由節(jié)點和傳感器節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)，并將其傳送到上位機，然后指令請求中斷返回，形成一個多循環(huán)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)模式。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖

4.2 終端節(jié)點軟件設計

ZigBee網(wǎng)絡通信使得終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點之間互相通信，整理和存儲傳感器節(jié)點采集到的風機關鍵設備數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，如圖5所示。終端節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集、分析和存儲等功能，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上一級模塊。當終端節(jié)點上電后，初始化設備，查看是否成功加入網(wǎng)絡，接著請求加入ZigBee網(wǎng)絡，將網(wǎng)絡地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。如果新加入的節(jié)點通過已存在網(wǎng)絡中的全功能設備，則成功加入網(wǎng)絡，然后為其節(jié)點分配一個唯一的ID。最后，在進入休眠與喚醒采集數(shù)據(jù)之間循環(huán)，采取低功耗工作模式。

4.3 基于ZigBee的海上風電機組狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

風機關鍵設備上的傳感器主要安裝在風機的關鍵測點上，用來采集當前風機設備的狀態(tài)參數(shù)。在實際工作中，先打開串口調(diào)試助手連接至協(xié)調(diào)器，終端的測點傳感器會采集當前運行風機設備的狀態(tài)參數(shù)，傳感器采集的信號傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊存儲，數(shù)據(jù)采集模塊將存儲的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊隔一定的時間會將數(shù)據(jù)上報到協(xié)調(diào)器節(jié)點。當監(jiān)控中心發(fā)送開始采集的命令后，在線采集模塊開始接受協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后再通過Internet轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心。因此，可通過監(jiān)控中心獲取當前風機的最新信息。

圖5 路由節(jié)點軟件流程圖

5 小結(jié)

ZigBee技術是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術。本文中的ZigBee通信系統(tǒng)成功實現(xiàn)了上位機與風機之間的數(shù)據(jù)交流，可以解決現(xiàn)有的海上風電場監(jiān)測系統(tǒng)采用的有線通信方式存在的問題，如果海上風電場環(huán)境惡劣，則可進入性差，有線通信方式的布線困難，布線成本高。基于ZigBee的海上風電機組狀態(tài)監(jiān)測技術的研究可以保證海上風電機不會因為突然故障引起人員、經(jīng)濟的損失，對于海上風電技術的發(fā)展有著十分重要的意義。

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