基于LPWA網(wǎng)絡的海上風電結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

黃煊赫，姚曉東，齊 亮

(1.上海電機學院電氣學院，上海 201306；2.上海電氣富士電機電氣技術(shù)有限公司，上海 201100)

0 引言

海上風電場處于條件極為惡劣的自然環(huán)境中，海上風機常由于海浪荷載、海上臺風以及海水腐蝕等因素的影響而誘發(fā)結(jié)構(gòu)損壞，在設備檢修與維護不及時的情況下，容易引發(fā)安全事故[1]。因此對海上風機結(jié)構(gòu)健康進行監(jiān)測是保障海上風機安全穩(wěn)定運行的必要措施。

現(xiàn)有的大部分海上風電場中使用的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)仍沿用了陸地風電場的方案，即利用有線總線進行數(shù)據(jù)傳輸，但是在海上布設線纜不僅難度大、成本高，且線纜容易受到海水腐蝕而損壞，從而影響監(jiān)測系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性，因此有線總線的方式并不適合用于海上風電場監(jiān)測中，秦旭斌[2]、O. O. ESU等[3]通過理論與實驗，提出了利用ZigBee無線局域網(wǎng)技術(shù)來解決風電監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，大幅降低了系統(tǒng)搭建的難度與成本，但是實際海上風電場占地面積大，機組間隔長，ZigBee技術(shù)的通信距離欠匹配，網(wǎng)絡傳輸效率低；近年來，LPWA技術(shù)憑借功耗低、覆蓋廣以及智能化程度高等特點，為一些特殊環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集提供了新的解決思路，其中王晶等[4]、許鵬程等[5]、徐洋等[6]分別對LoRa技術(shù)、NB-lot技術(shù)進行深入研究，并分別應用于大氣監(jiān)測、風電維護、煤礦安全等不同領(lǐng)域。

針對目前海上風電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中布線困難、傳輸效率低等問題，本文設計了一種基于LPWA(low-power wide-area)網(wǎng)絡的海上風電結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用CC1310無線MCU為核心搭建數(shù)據(jù)采集節(jié)點，配合多種傳感器實時采集海上風機運行時風機塔筒與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的振動特性以及犧牲陽極陰極保護電位，并通過LPWA網(wǎng)絡遠程匯總至集總協(xié)調(diào)節(jié)點，最后可由4G網(wǎng)絡上傳至集控中心，工作人員可通過上位機實時監(jiān)測各機組結(jié)構(gòu)健康狀況，便于在機組結(jié)構(gòu)發(fā)生異常時及時進行維護與檢修。經(jīng)過實驗測試可知，本系統(tǒng)具有通信距離長、傳輸效率高、穩(wěn)定性好、組網(wǎng)靈活等特點。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點、集總協(xié)調(diào)節(jié)點以及集控中心服務器組成。系統(tǒng)通過多組傳感器對機組健康結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行測量，測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后，通過I2C總線傳輸?shù)揭訡C1310為核心的數(shù)據(jù)采集節(jié)點；節(jié)點將數(shù)據(jù)信號進行A/D轉(zhuǎn)換后，再由內(nèi)部射頻電路調(diào)制放大并通過天線輻射發(fā)送；集總協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)信號后由ARM8主控制器進行分析處理，并將數(shù)據(jù)保存在升壓站本地服務器中，最后由4G模塊打包數(shù)據(jù)并將其上傳至集控中心服務器；集控中心工作人員通過上位機訪問集控中心服務器便可查看各組風機實時的健康安全數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)記錄，便于對海上風機進行維護與檢修。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框架圖

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件電路主要包括傳感器電路、數(shù)據(jù)采集節(jié)點與集總協(xié)調(diào)節(jié)點。傳感器電路主要包括傳感器與信號調(diào)理電路；數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要包括采集控制器電路與射頻前端電路；集總協(xié)調(diào)器的電路主要包括射頻接收電路和4G模塊等。系統(tǒng)硬件的具體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框架圖

2.1 傳感器選型與調(diào)理電路

海上風機在運行時受到風浪流多種外部動力荷載聯(lián)合影響而產(chǎn)生風機結(jié)構(gòu)振動，通過采集并分析風機結(jié)構(gòu)振動特性能較好地評估海上風機運行的結(jié)構(gòu)安全[7]。本系統(tǒng)主要采用加速度傳感器以及應變式傳感器對風機塔筒和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運行時的振動特性進行采集。考慮精度、量程以及體積等因素，選用LIS2DS12三軸式加速度傳感器與WFCA-3-11-3L防水應變片。LIS2DS12傳感器與MCU通過I2C總線[8]進行通信，由于LIS2DS12傳感器的工作電壓為1.8 V，系統(tǒng)所使用的CC1310 MCU工作電壓為3.3 V，需要對傳感器進行電源電壓轉(zhuǎn)換與I/O口電平轉(zhuǎn)換。LIS2DS12傳感器具體電路如圖3所示。

圖3 LIS2DS12傳感器電路圖

海上風機的鋼構(gòu)基礎(chǔ)長期處于海洋腐蝕環(huán)境中，應力腐蝕和腐蝕疲勞是影響風機基礎(chǔ)壽命的主要原因[9]。犧牲陽極陰極保護方法需要定期檢測被保護結(jié)構(gòu)與參比電極之間的電位是否處于合理范圍，判斷結(jié)構(gòu)的陰極保護效果。本系統(tǒng)采用鋅參比電極，將電極探頭連接風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；由于電極輸出電壓信號微弱，將電極輸出線纜接入信號調(diào)理電路，經(jīng)過濾波后將電壓抬升至0.225～2.225 V，再由內(nèi)部12位ADC進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。參比電極的信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 參比電極信號調(diào)理電路圖

2.2 采集控制器電路

數(shù)據(jù)采集節(jié)點選用CC1310 MCU為主控制芯片。CC1310芯片集成了高性能微控制器與支持LPWA標準的射頻收發(fā)器，并設有12位ADC、定時器、GPIO等外設，有利于簡化電路以保證數(shù)據(jù)采集節(jié)點體積小，便于在海上風電場中布設。CC1310設有128 KB的FLASH以及8 KB RAM的高性能CPU，支持0.8～3.8 V寬電壓范圍供電，待機電流僅有0.7 μA，其射頻收發(fā)器符合IEEE802.15.4標準，適用于433/868/915 MHz等ISM頻段。CC1310與傳感器組通過I2C總線方式進行通信，通過內(nèi)置ADC對數(shù)據(jù)信號進行A/D處理，最后由內(nèi)部射頻電路將信號調(diào)制放大到射頻頻段。本系統(tǒng)采集節(jié)點采用3.7 V鋰電池供電，通過內(nèi)部DC-DC轉(zhuǎn)換成芯片內(nèi)部電路工作電壓。CC1310外圍電路主要包括電源電路、晶振電路以及復位電路等。CC1310具體外圍電路圖如圖5所示。

圖5 CC1310主控芯片外圍電路圖

2.3 射頻前端電路

本系統(tǒng)采集節(jié)點的射頻前端電路采用了SKY66115功放芯片，其內(nèi)部集成了功率放大器以及邏輯控制器，最高輸出功率為20 dBm。將功放芯片CTX腳與CSD腳分別與CC1310控制芯片的DIO_1和DIO_30引腳相接，即可控制SKY66115內(nèi)部開關(guān)的收發(fā)切換以及功放的休眠。射頻信號經(jīng)過功放增強后從ANT口輸出，經(jīng)過低通濾波電路減低雜散輻射后傳至天線。射頻天線采用螺旋型板載天線，電容ANT1、電容ANT3以及電感ANT2組成天線開關(guān)電路，另外在電路上拓展了一個天線SMA接口，可以根據(jù)實際需要選擇合適的外接天線。射頻前端具體電路圖如圖6所示。

圖6 采集節(jié)點射頻前端電路圖

2.4 射頻接收電路

集總協(xié)調(diào)節(jié)點通過LPWA網(wǎng)絡與各風機的數(shù)據(jù)采集節(jié)點進行通信，收集匯總各海上風機的結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)。集總協(xié)調(diào)器節(jié)點的射頻接收電路選用CC1101射頻收發(fā)芯片，該芯片接收功耗低且響應速度快，收發(fā)器靈敏度最高可達到-120 dBm，適合進行長距離通信。射頻信號由天線接收，通過T型濾波電路濾去高次諧波。由電容C131、C121、C124與電感L121、L131組成的巴倫電路進行信號平衡/非平衡轉(zhuǎn)換，最終信號從RF_N與RF_P差分接口進入CC1101芯片，CC1101芯片通過四線SPI與AM3352進行通信，將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給AM3352進行處理。集總協(xié)調(diào)節(jié)點射頻接收電路圖如圖7所示。

圖7 協(xié)調(diào)節(jié)點射頻接收電路

2.5 4G模塊

本系統(tǒng)的集總協(xié)調(diào)節(jié)點將數(shù)據(jù)匯總后，通過4G模塊將數(shù)據(jù)傳輸至集控中心服務器，4G網(wǎng)絡主要起到數(shù)據(jù)中繼傳輸?shù)淖饔?。EC20 4G-LTE模塊是一款高性能工業(yè)級4G模塊，支持130 Mbit/s最大下行速率與50 Mbit/s最大上行速率，具有響應速度快、穩(wěn)定性好、體積小等特點，并能同時兼容GSM/GPRS網(wǎng)絡。EC20模塊通過USB串口線與ARM8進行通信，可使用AT命令對其進行參數(shù)配置。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計主要包括采集端程序以及監(jiān)測平臺程序2部分。采集端程序主要功能是通過IEEE 802.15.4協(xié)議將硬件節(jié)點組建成LPWA網(wǎng)絡，遠程讀取傳感器組的數(shù)據(jù)，采集塔架結(jié)構(gòu)振動信息、支撐結(jié)構(gòu)安全信息以及陰極保護電極電位等結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)，通過TCP/IP協(xié)議[10]將4G模塊連接至集控中心服務器；監(jiān)測平臺的軟件將數(shù)據(jù)解析后保存到數(shù)據(jù)庫中，并可在集控中心上位機中對數(shù)據(jù)進行實時顯示與歷史查詢。系統(tǒng)整體軟件框圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)整體軟件框架圖

3.1 LPWA網(wǎng)絡程序設計

由于海上風電機組數(shù)量較多且系統(tǒng)對機組結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)的實時性要求較高，使得本系統(tǒng)LPWA網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)量多且節(jié)點發(fā)包頻率高，大量通信節(jié)點同時工作時，由于信道數(shù)量有限，節(jié)點間會因為信道擁堵而導致數(shù)據(jù)碰撞丟失，顯著降低網(wǎng)絡的傳輸效率。方案中系統(tǒng)LPWA網(wǎng)絡節(jié)點采用跳頻方式進行工作，即節(jié)點在入網(wǎng)時預設好信道序列，并在約定時間內(nèi)跳轉(zhuǎn)到不同的信道進行工作。跳頻方式可以合理分配信道，避免信道阻塞，且信道跳變的順序受偽隨機碼控制[11]，利于提高數(shù)據(jù)的安全性。

LPWA網(wǎng)絡組網(wǎng)基于IEEE 802.15.4協(xié)議，通過SmartRF Studio軟件進行網(wǎng)絡參數(shù)的配置。數(shù)據(jù)采集節(jié)點在通電后在空閑信道上發(fā)送異步幀進行入網(wǎng)請求，集總協(xié)調(diào)器收到請求后進行應答，并向采集節(jié)點分配地址、廣播時間表以及跳變序列等信息。建立網(wǎng)絡連接后節(jié)點會根據(jù)預設序列進行信道跳變，集總協(xié)調(diào)器也會周期性地更新跳頻規(guī)律并向采集節(jié)點發(fā)布新的跳頻序列。同時，這種組網(wǎng)方式較靈活方便，利于網(wǎng)絡進一步的拓展。系統(tǒng)節(jié)點入網(wǎng)流程圖如圖9所示。

圖9 節(jié)點入網(wǎng)流程圖

3.2 監(jiān)測平臺軟件設計

監(jiān)測平臺軟件主要包括數(shù)據(jù)解析軟件、數(shù)據(jù)庫以及上位機軟件部分。解析軟件將從4G模塊接收到的JSON數(shù)據(jù)包進行解析并存入Mysql數(shù)據(jù)庫中；基于LabVIEW開發(fā)的上位機軟件可實時顯示接收到數(shù)據(jù)，并通過LabSQL插件與數(shù)據(jù)庫建立連接，隨時可以查看數(shù)據(jù)庫中所儲存的歷史數(shù)據(jù)。

4 實驗測試

4.1 傳輸性能測試

數(shù)據(jù)采集節(jié)點與集總協(xié)調(diào)節(jié)點組成的LPWA網(wǎng)絡的通信質(zhì)量直接決定了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩紫韧ㄟ^實驗驗證節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸性能。將節(jié)點成功建立連接后，在不同的距離下使用軟件讓數(shù)據(jù)采集節(jié)點向集總協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，通過分析協(xié)調(diào)節(jié)點接收數(shù)據(jù)的丟包率來判斷節(jié)點在此距離下的傳輸性能。

本次測試選在空曠的海邊環(huán)境，同時測試常見的CC2430 ZigBee模塊以及SI4432模塊的傳輸性能并與本系統(tǒng)節(jié)點進行比較。數(shù)據(jù)包含16個有效字節(jié)，發(fā)送間隔為500 ms，發(fā)送1 000次。由于海上風機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性與穩(wěn)定性有較高的要求，當丟包率超過1%時均認為在該條件下傳輸性能不能滿足監(jiān)測需要。各模塊測試結(jié)果如表1所示。

表1 無線模塊數(shù)據(jù)傳輸測試對比表

實驗結(jié)果顯示，ZigBee模塊在距離超過3 km時接收端已經(jīng)無法識別信號；SI4432模塊雖然在3 km時仍能接收到信號，但是數(shù)據(jù)傳輸非常不穩(wěn)定，丟包率已經(jīng)遠超1%；本系統(tǒng)所使用的CC1310節(jié)點在5 km時仍能可靠地傳輸數(shù)據(jù)。由此可知本系統(tǒng)所使用的基于LPWA網(wǎng)絡的節(jié)點，相比于同類無線產(chǎn)品傳輸距離更長，穩(wěn)定性更好，能夠滿足海上風電場數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

4.2 系統(tǒng)測試

將該系統(tǒng)安裝到海上風機進行測試，將網(wǎng)絡連接調(diào)試成功后，對海上風機的結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)進行采集。通過上位機軟件便可以實時查看各位置傳感器采集到的數(shù)據(jù)，包括風場環(huán)境數(shù)據(jù)、風機塔筒振動特性、風機基礎(chǔ)振動特性以及陰極保護電位等，如圖10(a)所示。通過歷史查詢功能便可訪問數(shù)據(jù)庫，查看所儲存的歷史數(shù)據(jù)，如圖10(b)所示。經(jīng)過對比，本次測試所得數(shù)據(jù)與人工測試數(shù)據(jù)吻合度高，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精準性能夠滿足監(jiān)測需要。

圖10 上位機軟件界面和數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)查詢

5 結(jié)束語

本文設計了一種基于LPWA網(wǎng)絡的海上風電結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集節(jié)點與多種傳感器的配合，對機組關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行健康數(shù)據(jù)采集，使用LPWA網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)匯總并通過4G網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼傳輸。該系統(tǒng)組網(wǎng)簡單，網(wǎng)絡可拓展性強，相較于有線網(wǎng)絡更加適用于海上風電場。實驗測試表明，該系統(tǒng)通信距離長、傳輸效率高、穩(wěn)定性好，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存、實時顯示以及歷史查詢等功能。工作人員在集控中心便可對海上風機的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進行監(jiān)測，便于及時對機組進行檢修與維護，以保障海上風機的安全穩(wěn)定運行。