蘇繼恒 冉 濤 黨舒俊

（1.綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061；2.國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司 河南鄭州 450006）

風(fēng)能作為一種無污染、可再生的清潔能源，因其儲(chǔ)量巨大，利用相對方便，受到了很多國家的青睞。在相關(guān)政策的支持下，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，并取得了巨大成就。目前，無論從技術(shù)上還是從產(chǎn)業(yè)規(guī)模上，我國的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)都已處于世界前列水平。中國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，也帶來了一些問題，由于風(fēng)資源受到環(huán)境因素的限制，風(fēng)場多數(shù)遠(yuǎn)離城市，處于山地、草原和沙漠環(huán)境之中，大風(fēng)、暴雨和熱干擾等惡劣天氣極易影響發(fā)電機(jī)和電力電子器件等風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)備。在這種情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各種故障容易發(fā)生，主要體現(xiàn)在葉片、齒輪箱、主軸承、發(fā)電機(jī)等部件。如果風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，可能使其工作效率低下，不僅造成長時(shí)間停機(jī)影響電網(wǎng)，甚至?xí)斐稍O(shè)備失靈進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染和人員傷亡事故。

因此，為了確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，本文研究設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)不僅可以監(jiān)測機(jī)組各部件的狀態(tài)，及時(shí)檢測出機(jī)組故障，提醒工作人員采取措施解決故障，保證設(shè)備安全。而且降低了運(yùn)行與維護(hù)的成本，對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著積極的意義。

一、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。如圖1所示，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)檢測部分、數(shù)據(jù)處理部分和上位機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集部分利用應(yīng)力、加速度、溫度和霍爾等傳感器獲得風(fēng)機(jī)葉片損傷、齒輪箱振動(dòng)、潤滑油溫度和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息；數(shù)據(jù)處理部分則利用MSP430單片機(jī)作為核心控制器來處理、儲(chǔ)存和顯示所采集到狀態(tài)信息；數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊傳給上位機(jī)，上位機(jī)端接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；上位機(jī)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析后，如有異常情況則進(jìn)行報(bào)警處理。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

（二）數(shù)據(jù)檢測部分。

1.葉片損傷檢測電路。結(jié)合風(fēng)力葉片的實(shí)際情況，采用應(yīng)變片電阻來檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的狀態(tài)。由于葉片結(jié)構(gòu)簡單，只需測量表面應(yīng)力變化就可判斷葉片情況，而電阻式應(yīng)變片的電阻值隨受力大小的變化而變化，且測量方法簡單，無需復(fù)雜算法，因此以電阻式應(yīng)變片來檢測出葉片的形變和磨損情況。

選取的應(yīng)變片型號(hào)為BF-1K，電阻值為1000±0.1歐姆，靈敏系數(shù)Ks=2.0±1%[1]。該應(yīng)變片還具有自補(bǔ)償功能，能夠較好的避免溫度變化所產(chǎn)生的阻值漂移；工作溫度范圍廣，能適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組復(fù)雜多變的工作條件。由于葉片受力形變所引起的應(yīng)變片阻值變化非常微小，為獲取該傳感器的信號(hào)需要運(yùn)用電橋電路使其擴(kuò)大，如圖2所示。

圖2 葉片損傷檢測電路

2.齒輪箱振動(dòng)檢測電路。為了對齒輪箱各部件的振動(dòng)情況進(jìn)行檢測，必須選擇一種高效、可靠的傳感器檢測方法，盡快發(fā)現(xiàn)齒輪箱可能存在的故障，故采用加速度傳感器來檢測齒輪箱各部件的振動(dòng)情況。

如圖3所示，選取加速度計(jì)的型號(hào)為ADXL335，該加速度計(jì)可以測量傾斜測量中的靜態(tài)重力加速度，以及振動(dòng)導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。加速度計(jì)內(nèi)部的關(guān)鍵部件為差分電容，其由獨(dú)立固定板和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊組成。當(dāng)測量加速度時(shí)，傳感器被固定在被測物體上面，物體的振動(dòng)使加速度計(jì)相對運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致差分電容失衡，從而輸出模擬電壓信號(hào)。特別適合齒輪箱這種對響應(yīng)速度要求較快的場景。

圖3 齒輪箱振動(dòng)檢測電路

3.潤滑油溫檢測電路。鉑熱電阻是一種正溫度系數(shù)的熱敏電阻，其阻值會(huì)隨著溫度的升高而逐漸變大，可以利用鉑熱電阻組成測溫電路。如圖4所示，選取鉑熱電阻的型號(hào)為PT100，鉑熱電阻PT100在0℃時(shí)，阻值為100Ω，其溫度范圍為-200℃～650℃[2]。由于溫度與其阻值的關(guān)系近似為線性，可以通過測量PT100的阻值，計(jì)算得出齒輪箱潤滑油溫。

圖4 潤滑油溫檢測電路

4.轉(zhuǎn)速檢測電路。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境密閉，沒有明顯光亮，容易產(chǎn)生灰塵，而霍爾傳感器為非接觸式測量，能在大部分場景中保持良好的工作狀態(tài)，故選擇霍爾傳感器來測量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。測速方法是將4小塊5mm×4mm×2.5mm的釹鐵硼C號(hào)磁鋼(兩極周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度大約為2500高斯)均分固定在轉(zhuǎn)盤上，再把轉(zhuǎn)盤固定在被測發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，把霍爾傳感器放置于磁體的邊緣處，距離約為4mm或5mm[3]。

如圖5所示，傳感器選擇為ALLEGRO公司生產(chǎn)的A04E型開關(guān)霍爾傳感器。當(dāng)轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，沒有磁鋼時(shí)A04E輸出高電平脈沖的時(shí)間為TH，有磁鋼時(shí)A04E輸出低電平的時(shí)間為TL，利用MSP430F149單片機(jī)的定時(shí)器捕獲功能，采用電平變換捕獲的工作方式，即可測量脈寬周期。

圖5 轉(zhuǎn)速檢測電路

5.發(fā)電機(jī)電壓檢測電路。如圖6所示，以A相電壓檢測電路為例，因?yàn)橐话愦笮偷娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定線電壓為690V，故采用DVDI-001M臥式穿芯電壓電流通用互感器，為了防止電壓瞬時(shí)值過大對電路造成損害，在互感器后增加了一個(gè)壓敏電阻10D821K，當(dāng)電壓低于壓敏電阻閾值時(shí)，流經(jīng)電流極小，相當(dāng)于阻值無窮大；當(dāng)電壓超過閾值時(shí)，流過它的電流激增，相當(dāng)于阻值無窮小，可以吸收多余的電流來保護(hù)電路[4]。

圖6 發(fā)電機(jī)電壓檢測電路

6.發(fā)電機(jī)電流檢測電路。如圖7所示，同樣采用DVDI-001M臥式穿芯電壓電流通用互感器，作電流互感器使用時(shí)，為了防止電壓瞬間過大對電路造成損害，在副邊也增加了一個(gè)壓敏電阻MVR1206-120G[5]。

圖7 發(fā)電機(jī)電流檢測電路

（三）數(shù)據(jù)處理部分。

1.單片機(jī)最小系統(tǒng)電路?？刂破鬟x取TI公司生產(chǎn)的16位MSP430F149單片機(jī)。其最小系統(tǒng)電路由MSP430F149單片機(jī)、時(shí)鐘、復(fù)位電路和JTAG接口電路等部分組成，具體電路如圖8。

圖8 MSP430F149最小系統(tǒng)電路

2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路。由于SD卡具有大容量、高性能、安全等特點(diǎn)，故選擇其作為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的核心。SD卡共支持三種數(shù)據(jù)傳輸模式：SPI（串行外設(shè)接口）、1位SD模式和4位傳輸模式[6]。本設(shè)計(jì)使用SPI模式的SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，儲(chǔ)存容量可達(dá)32GB以上，最高通信速度可達(dá)18Mbps，每秒可傳輸數(shù)據(jù)2M字節(jié)以上，能夠較好的滿足設(shè)計(jì)要求，具體電路如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存電路

3.按鍵電路。按鍵電路如圖10所示，按鍵主要完成了對葉片狀態(tài)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、潤滑油溫度、齒輪箱振動(dòng)、端電壓和電流的設(shè)置和查詢的功能。其中K1的功能為參數(shù)設(shè)置，K2的功能為顯示，K3的功能為查詢，K4的功能為停止。

圖10 按鍵電路

4.顯示電路。具體顯示電路如圖11所示，采用OCM12864液晶屏顯示系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)。其電源電壓+3.0～+5.5V，本文采用+3.3V供電；內(nèi)置電壓轉(zhuǎn)換電路，無需外設(shè)電路；分辨率為128×64，內(nèi)置漢字字庫，2MHz刷新頻率；通訊方式串行、并口可選，本文采用串口通訊；工作溫度0℃～55℃，存儲(chǔ)溫度-20℃～60℃。

圖11 顯示電路

5.ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)電路。如圖12所示，本設(shè)計(jì)采用CC2530F256為ZigBee模塊的核心控制器，采用增強(qiáng)型的8051單片機(jī)內(nèi)核，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能的特點(diǎn)[7]。CC2530F256包含5路DMA(直接存儲(chǔ)器訪問)、基于IEEE802.5.4協(xié)議的MAC定時(shí)器和通用定時(shí)器、8路可配置分辨率的12位ADC、21個(gè)通用I/O端口、IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器等部分，能夠很好完成網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。

圖12 ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)電路

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。如圖13所示為系統(tǒng)的主程序流程圖。首先，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置；其次，檢查傳感器等設(shè)備是否正常，如果有傳感器未響應(yīng)或工作不正常，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)數(shù)并重新設(shè)置工作參數(shù)[8]；當(dāng)再次確認(rèn)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并通過ZigBee模塊傳送至上位機(jī)；如果傳感器正常，單片機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、顯示和ZigBee收發(fā)子程序，完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖13 主程序流程圖

（二）上位機(jī)監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)測界面，監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的部分參數(shù)，通過對這些參數(shù)的監(jiān)測，使工作人員能更加直接對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行分析和研究[9]。軟件主要由登錄界面、風(fēng)機(jī)選擇界面、數(shù)據(jù)監(jiān)測界面和數(shù)據(jù)傳輸界面等部分組成。其中數(shù)據(jù)傳輸界面程序圖，如圖14所示[10]。

圖14 數(shù)據(jù)傳輸程序圖

如圖15為數(shù)據(jù)傳輸界面的前面板，工作人員可以通過此界面調(diào)試設(shè)備，查看串口輸出、串口輸入、傳感器數(shù)據(jù)和傳輸錯(cuò)誤原因[10]。平時(shí)此界面不顯示，只有設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，工作人員可以查看。

圖15 數(shù)據(jù)傳輸界面前面板

三、測試結(jié)果

上位機(jī)界面的顯示結(jié)果如圖16所示，主要是由參數(shù)顯示功能、故障報(bào)警功能、轉(zhuǎn)速波形顯示功能等部分組成。通過參數(shù)顯示功能，用戶可以在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)機(jī)組實(shí)測運(yùn)行參數(shù)超過設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，界面中的報(bào)警燈會(huì)開始報(bào)警；界面中還包含轉(zhuǎn)速波形顯示功能，可對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在波形圖右側(cè)配有圖形工具面板，用戶可以對波形圖進(jìn)行放大、縮小和量程變換；上位機(jī)界面還具有Excel（電子表格）輸出功能，方便用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)算。

圖16 數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果

四、結(jié)論

隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速興起和迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)也開始逐漸被世界各國所重視，本文針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種采用ZigBee技術(shù)的風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由采集傳感器、單片機(jī)最小系統(tǒng)、ZigBee模塊和上位機(jī)監(jiān)測界面等部分組成。通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，使工作人員更好的對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)估，從而保證設(shè)備安全。

雖然設(shè)計(jì)較好的完成了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部分參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測，但由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件的限制，距離真正工程化仍有部分差距，未來可以考慮升級(jí)控制核心，采用更加高級(jí)的處理器控制系統(tǒng)的運(yùn)行，并搭載嵌入式操作系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行更加快速和靈活的處理；上位機(jī)界面則可通過更加專業(yè)的前端設(shè)計(jì)軟件完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。