基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的小型風(fēng)電智能管控系統(tǒng)研究

孫燕華，趙 飛

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

隨著物聯(lián)網(wǎng)新興產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃與風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展崛起，分布式中小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在我國將有廣泛的應(yīng)用前景。目前，中小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)面臨兩大關(guān)鍵技術(shù)問題：一是系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性、可靠性，即實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組低風(fēng)速下能啟動運(yùn)行發(fā)電；高風(fēng)速下能控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定發(fā)電；特大風(fēng)下能停機(jī)保護(hù)；二是并網(wǎng)控制逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，主要是對風(fēng)機(jī)發(fā)出的電進(jìn)行整流實(shí)現(xiàn)逆變上網(wǎng)供電，同時對風(fēng)機(jī)實(shí)行相應(yīng)控制與保護(hù)。上述第二個問題以目前的電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)已可以完全實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是第一個問題。由于風(fēng)有間歇性、隨機(jī)性、突變性的特征，有時風(fēng)只有3～4級，有時可達(dá)10～12級甚至更高，許多控制較差的風(fēng)力機(jī)組常常在大風(fēng)中超速運(yùn)行超功率運(yùn)行，擊穿控制系統(tǒng)，使風(fēng)輪承受的風(fēng)壓越來越大，最后導(dǎo)致發(fā)生槳葉飛出、風(fēng)機(jī)掉下、塔桿倒塌等事故。為此，我校進(jìn)行了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的5kW校園智能風(fēng)電管控系統(tǒng)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對中小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中的“實(shí)時、遠(yuǎn)程、智能”監(jiān)管與控制，較好地解決并提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性、安全性。

1 物聯(lián)網(wǎng)智能風(fēng)電管控系統(tǒng)的基本架構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)屬于離散型控制，系統(tǒng)將風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計(jì)、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓、頻率、電流、發(fā)電機(jī)溫升、增速器溫升、機(jī)艙振動、塔架振動、電纜過纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸送給單片機(jī)，再按設(shè)計(jì)程序給出各種指令實(shí)現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、運(yùn)行中機(jī)組故障的自動停機(jī)、自動電纜解繞、過振動停機(jī)、過大風(fēng)停機(jī)等的自動控制。

物聯(lián)網(wǎng)智能風(fēng)電控制系統(tǒng)是在風(fēng)電微機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用 WSN無線傳感網(wǎng)、云計(jì)算、Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、Tinyos操作系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)的智能風(fēng)電控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)上部署無線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)群與風(fēng)機(jī)內(nèi)部的各傳感器實(shí)施對接，通過系統(tǒng)軟件中的智能采集模塊實(shí)時采集數(shù)據(jù)，提交到FUT－STAR數(shù)據(jù)平臺，為風(fēng)電管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，使風(fēng)電控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及其數(shù)據(jù)監(jiān)測在有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，通過手機(jī)或PC機(jī)等終端實(shí)現(xiàn)“無時不在、無處不能”的管控。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智能風(fēng)電管控系統(tǒng)的基本架構(gòu)

2 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測的“實(shí)時、遠(yuǎn)程、智能”，采用無線傳感器技術(shù)、ZigBee、云計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、解析。

2.1 485型無線采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)采集采用485型采集節(jié)點(diǎn)，采集風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)后通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到后臺服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析處理。

485型無線采集節(jié)點(diǎn)是針對485輸出設(shè)備設(shè)計(jì)的專用型傳感節(jié)點(diǎn)。它通過485－232轉(zhuǎn)換器與風(fēng)電機(jī)組485接口連接，完成采集信息、融合并發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊（有傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理器模塊（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、無線通信模塊和電源供應(yīng)模塊四部分組成［1］，如圖2所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。此外，可以選擇的其他功能單元包括定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.2 WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)采集風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)后通過WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、計(jì)算機(jī)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)，能夠通過各種集成化的微型傳感器以協(xié)作方式實(shí)時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并通過自組織通信網(wǎng)絡(luò)將所感知的信息傳送到用戶端，從而實(shí)現(xiàn)“無處不在的計(jì)算”理念。

風(fēng)電機(jī)組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個485型采集節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)采集任務(wù)的需求自組織而成的網(wǎng)絡(luò)。其任務(wù)是從風(fēng)電機(jī)組讀取機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，所采集到的數(shù)據(jù)通過多個中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)以多跳方式傳遞給匯集節(jié)點(diǎn)。

2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)

ZigBee是一個由多到65 000個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，類似現(xiàn)有的移動通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信［2］。不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要為自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，每個Zig－Bee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既可以與監(jiān)控對象直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資料［3］。除此之外，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，與多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點(diǎn)無線連接。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可支持多個傳感器和受控設(shè)備，每個傳感器與受控設(shè)備有8種不同的接口方式，用來采集、傳輸數(shù)字量和模擬量［4］［5］。

風(fēng)電采集的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中數(shù)據(jù)幀長度為42字節(jié)：8字節(jié)幀頭＋32字節(jié)數(shù)據(jù)＋2字節(jié)校驗(yàn)，其中32字節(jié)數(shù)據(jù)中包含有蓄電池電壓、風(fēng)機(jī)電壓、風(fēng)機(jī)電流、風(fēng)機(jī)功率、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)。

2.4 本地控制PC數(shù)據(jù)采集流程圖

圖3 PC數(shù)據(jù)采集流程圖

上位機(jī)軟件先配置好串口以及串口參數(shù)，下位機(jī)一直等待請求指令，上位機(jī)發(fā)送“讀數(shù)據(jù)”命令到下位機(jī)，下位機(jī)接受后會在1秒內(nèi)返回相應(yīng)數(shù)據(jù)。上位機(jī)在接受到數(shù)據(jù)后，先檢查協(xié)議是否符合Zig－Bee風(fēng)電協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，正確的使用，否則丟棄后重讀。然后再檢查數(shù)據(jù)類型與和校驗(yàn)是否正確，正確的使用，否則丟棄后重讀。如果1秒內(nèi)無數(shù)據(jù)返回，則需重讀。下位機(jī)完成回饋數(shù)據(jù)后再轉(zhuǎn)為接受狀態(tài)，等待上位機(jī)的指令。根據(jù)風(fēng)電的采集協(xié)議，風(fēng)電采集軟件從風(fēng)電設(shè)備中的串口讀取數(shù)據(jù)。

2.5 基于物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算FUT－STAR風(fēng)電通訊應(yīng)用平臺

基于物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算FUT－STAR風(fēng)電通訊應(yīng)用平臺，采用“面向數(shù)據(jù)”的設(shè)計(jì)理念，使用數(shù)據(jù)透傳的傳輸模式，解決了異構(gòu)系統(tǒng)之間信息交互的難點(diǎn)。平臺提供豐富的基礎(chǔ)服務(wù)接口和應(yīng)用接口，各個應(yīng)用系統(tǒng)可以方便地和平臺對接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具有設(shè)計(jì)精良的實(shí)時數(shù)據(jù)獲取接口和功能細(xì)化的反向控制接口，從而確保了數(shù)據(jù)的實(shí)時性和子系統(tǒng)的可控制性。

3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時控制

物聯(lián)網(wǎng)智能風(fēng)電管控系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境與運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)控，監(jiān)測量包括：風(fēng)速、風(fēng)向、蓄電池電壓、風(fēng)機(jī)電壓、風(fēng)機(jī)功率、風(fēng)機(jī)電流等，可通過PC端實(shí)時查詢歷史數(shù)據(jù)。

惡劣天氣或出現(xiàn)設(shè)備故障時，系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)的開啟和停止進(jìn)行自動控制，當(dāng)用戶在界面上點(diǎn)擊風(fēng)機(jī)按鈕操作時，系統(tǒng)平臺會對風(fēng)機(jī)控制設(shè)備發(fā)送一條指令，指令傳輸通過數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)對風(fēng)機(jī)發(fā)出，進(jìn)而對風(fēng)機(jī)的開啟或停止的狀態(tài)進(jìn)行控制。

從手機(jī)或PC端實(shí)時控制風(fēng)機(jī)開啟、關(guān)閉的控制流程如下：

（1）反向控制程序向風(fēng)機(jī)變槳控制器寫入控制風(fēng)機(jī)的開啟和關(guān)閉的控制代碼；

（2）控制器將收到的控制代碼解析完成后，將消息傳遞給控制器；

（3）控制器控制變槳控制器改變風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面

4 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)智能風(fēng)電管控系統(tǒng)集環(huán)境感知能力的各類終端、基于泛在技術(shù)的計(jì)算模式、移動通信等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于一體，深入綠色能源利用的核心問題，為安全、高效利用風(fēng)能提供可靠保障，這具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

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