风力发电机组无线监测系统设计

84传感器与微系统TRANSDUCERANDMICROSYSTEMTECHNOLOGIES2014年第33卷第5期风力发电机组无线监测系统设计尹少平，焦锦绣，王灵梅，段临志1山西大学，山西太原030013；2清华核能研究院。北京102201摘要针对目前风力发电机组有线监测系统安装、维护不便和监测点有限等问题，设计了一种基于ZIGBEE的无线传感器网络监控系统。通过网关将ZIGBEE协议转换成TCPIP协议后，ZIGBEE子网采集的数据，经光纤网络传送至中心服务器，并通过登陆界面来显示和控制无线监测系统，实现风力发电机组的智能化监测。测试表明测量精度达到设计要求，实现高效率、高可靠性的监测，并通过LNTERNET提供远程数据服务，进行离线数据分析和挖掘。关键词风力发电机组；ZIGBEE；无线监测系统；数据库管理平台中图分类号TP36文献标识码A文章编号10009787201405008403D1“,G0FWIRELESSMONITORINGSYSTEMOFXINDTURIN“DESIGNWIRELESSMONITORINSYSTEMOFWINDTURDINE0I。YINSHAOPING，JIAOJINXIU，WANGLINGMEI，DUANLINZHI1SHANMUNIVERSITY，TAIYUAN030013，CHINA；2NUCLEARENERGYINSTITUTEOFTSINGHUA，BEIJING102201，CHINAABSTRACTAIMINGATPRESENTPROBLEMSTHATINCONVENIENTINSTALLATION，MAINTENANCEANDLIMITEDMONITORINGPOINTEXISTINGINCABLEMONITORINGSYSTEM，AKINDOFWIRELESSSENORNETWORKSWSNSMONITORINGSYSTEMBASEDONZIGBEETECHNOLOGYISDESIGNEDAFTERZIGBEEPROTOCOLISCONVENEDTOTCPIPPROTOCOLBYTHEGATEWAY，DATASCOLLECTEDBYZIGBEESUBNET，ISTRANSMITTEDTOCENTRALSERVERVIAOPTICALNETWORK，ONCELOGININGINTHEPAGE，THEWIRELESSMONITORINGSYSTEMCANBEDISPLAYEDANDCONTROLLED，ANDINTELLIGENTMONITORINGOFWINDTURBINEISREALIZEDTESTSHOWTHATTHEMEASUREMENTPRECISIONCANMEETDESIGNREQUIREMENTS，HIGHEFFICIENTANDHIGHRELIABLEMONITORINGISREALIZED，ANDREMOTEDATASERVIEEISPROVIDEDBYINTERNET，DATASCANASOBEANALYZEDANDMINEDOFFLINEKEYWORDSWINDTURBINE；ZIGBEE；WIRELESSMONITORINGSYSTEM；MANAGEMENTPLATFORMOFDATABASE0引言目前，风电场运行维护人员主要通过机组的主控系统和定期巡视检查来了解机组的运行状态，但监控系统尚有需要完善的地方J风电场气候条件比较恶劣，需要工作人员进行日常的巡检维护，增加了维护人员的劳动强度；风电场设备状态不同，往往需要对不同设备的运行情况作具体分析，并做出具有针对性的分析处理；风力发电机组属于大型旋转设备，现有监控系统缺乏对机组振动等状态的监测手段；有线监控系统在现有的基础设备上进行布线，难度大、成本高。针对这些情况，本文设计了一种在线的分布式无线监测系统J，根据风力发电机组主要设备所处工况、采样频率和结构原理的各种要求，开发了低功耗、自组织、能量自检的无线加速度节点、温度节点和电流节点等。利用IAR开发环境设计了ZIGBEE协议栈，将ZIGBEE协议栈移植到无线节点中，将节点安装在风力发电机组的测点上，形成自收稿日期20131021基金项目山西省重大科技专项资助项目20111101048组织、动态和可靠的通信子网，并通过ZIGBEE网关转换成TCPIP协议之后，用分布式数据库对传感器网络的数据进行存储，为庞大的数据流提供了有效的服务，在集控室内进行显示、预处理和自动分析，中心数据库还可以提供远程数据服务，为风力发电机组远程故障诊断提供数据依据。1系统总体设计风力发电机组无线监测系统是一个层次型网络1最底层为部署在风力发电机组的传感器节点和协调器组成的ZIGBEE通信子网；2网管通过协议转换负责将采集到的数据传输至风机的光纤网络；3从风机到控制中心的光纤通信；4控制中心的数据库管理平台和远程数据服务平台。系统结构图如图1所示。2系统硬件设计21无线传感器网络节点无线传感器节点的体系结构由传感器模块、处理器模第5期尹少平，等风力发电机组无线监测系统的设计85图1系统总体结构FIG1OVERALLSTRUCTUREOFSYSTEM块、无线收发模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。传感器模块包含ADXL345低功耗三轴加速度计和SHT10数字式温湿度传感器J，处理器模块采用CC2530，模块的天线采用的是倒F天线和折叠偶极子天线，通信性能良好。节点采用低功耗模式，供电电池可满足现场要求。传感器节点硬件原理图如图2所示。图2传感器节点硬件原理图FIG2HARDWAREPRINCIPLEDIAGRAMOFSENSORNODE22ZIGBEE网关ZIGBEE网关的核心芯片是RT5350，通过ZIGBEE协议到TCPIP协议的过渡，完成数据帧格式的转换。一方面，协调器将从以太网口接收的上位机的命令，通过RS232接口传送至协调器；另一方面，协调器将接收的传感器节点采集的监测数据通过RS232口传送网关，网关通过以太网口将数据传输至集控中心。协调器和网关的硬件结构如图3所示。图3协调器和网关的硬件结构图FIG3HARDWARESTRUCTUREDIAGRAMOFCOORDINATORANDGATEWAY3系统软件设计31ZIGBEE通信子网整个ZIGBEE自组织网络基于ZSTACK协议栈，ZIGBEE无线传感器网络中包括终端节点和协调器节点，组成星型网络。311终端节点终端节点是传感器经过串行接口接入ZIGBEE模块，完成对风力发电机组各个测点的数据采集和传输。无线传感器节点采用IC总线形式，分别连接ADXL345加速度传感器和SHT10温度传感器，进行数据采集，并带有节点能量自检测功能，将网络地址、采集物理量参数等数据在LCD液晶屏进行显示。终端节点在ZSTACK协议栈的应用层添加3个事件处理模块，系统事件的无线数据发送接收事件；网络状态变化事件；用户自定义的数据采集事件。当网络节点组建网络或加入已创建好的无线传感器网络时，将触发应用层任务中的网络状态变化事件；在网络状态变化的事件处理函数中触发网络节点数据采集事件，实现节点入网后便立即开始采集传感器的数据。在数据采集事件中通过设置超时定时器，超时时间到时再次触发数据采集事件，实现周期性的数据采集；当网络节点接收到无线数据时，将触发无线数据接收事件。应用层任务的上述各事件得到处理后，使其进入休眠状态。事件处理函数的实现周期性数据采集的实现，是在采集完一次传感器数据后，通过调用OSALSTARTTIMEREXTASKLD，EVENT_ID，TIMEOUTVALUE函数使任务超时等待一定时间，超时时间到后再次触发数据采集事件，其中超时等待时间可自由设定。传感器节点流程图如图4所示。312协调器节点协调器初始化后，建立网络，构建一个唯一的PINID的ZIGBEE网络，并定时监听信道，看是否有请求加入网络的终端节点，如果有协调器给终端节点分配唯一的网络地址，用来区分不同的测点采集的数据，终端节点加入网络。在应用中首先接收上位机通过串行接口发来的启动命令和采集频率，协调器将命令转发给传感器节点，传感器节点接收命令，并采集相应的数据，周期性地将数据反送给协调器，86传感器与微系统第33卷图4传感器节点流程图FIG4FLOWCHARTOFSENSORNODE协调器将接收到的数据通过RS232上传给上位机，完成收发数据的功能，其协调器节点流程图如图5所示。图5协调器节点流程图FIG5FLOWCHARTOFCOORDINATORNODE32数据库管理系统设计ZIGBEE网路是以数据为中心的网络，运用ASPNET技术实现风力发电机组运行参数的WEB发布可以使用户远程查看系统的运行状态，利用数据库对下位机采集的数据进行接收、处理、发送控制命令、数据格式化等操作，并为用户设计人性化的界面。数据库由两部分组成，第一部分是图形用户界面GUI，第二部分是客户端系统。1图形用户界面系统的登陆界面可以为用户划分权限，根据无线网络和数据库的自定义协议来配置风机的信息和客户端信息。ZIGBEE网络客户端向数据库服务器端发出连接请求，然后服务器开始以IP地址和端口来监听不同风力发电机组的运行情况。2客户端系统客户端系统把关系表定义为2种属性第一类属性是感知数据属性，如电压值、温度值；第二类属性是描述感知数据的属性，如传感器节点的ID、感知数据的数据类型、感知数据的度量单位等。网络中每个传感器节点产生一个读数都对应的关系表中的一行。数据库关系如表L所示。表1数据库关系表TAB1RELATIONALTABLEOFDATABASE建立关系模型之后可以发送查询命令用查询语句来显示感知数据，该查询的生命期是从提交执行时间开始的3600S，每1S检测一次指定节点的温度是否超过阈值。另外客户端系统采用内置的TCPIP发送控制命令包方式，网关接收到命令发送ZIGBEE的协调器节点并进行命令解析，解析后把命令根据地址发送给相应的节点，去协调控制整个ZIGBEE网路。4测试分析通过在山西北部某风电场现场测试，根据风力发电机组振动状态监测导则将节点的部署在相应的测点，通过发送上位机命令来启动整个系统。用户可以经过INTERNET远程监测和控制整个系统的运行情况，并能够进行离线的数据挖掘和分析。典型节点的数据输出波形如图6所示。魁蚓景魁层3O2O10O一1020301I血LKJ且。【_INR1W604O20。一2040JL1LNI止LLIFR1下。0L000200030000时间SA主轴承330325之320出315脚310305300时间SC齿轮箱低速轴CLOWSPEEDSHAFTOFGEARBOXE能量检测EENERGYTEST4020020406046454443424140100020003000时间SB发电机轴承BGENERATORBEARINGLLLI1R0100020003000时间，SFD齿轮箱高速轴D1HIGHSPEEDSHAFTOFGEARBOX时间S0机舱温度DENGINELOOMTEMPERATURE图6典型监测点数据输出波形图FIG6DATAOUTPUTWAVEFORM“GRAPHOFTYPICALMONITORINGPOINT下转第9O页传感器与微系统第33卷鼍锄P赠趔妇13531时间图7实时监测数据FIG7REALTIMEMOMTONGDATA通过监测泄露电流和环境温湿度来预测绝缘子污秽水平，以便实时了解该段的绝缘子表面积污状况，从而判断绝缘子是否应该进行清洗。2通过人工污秽实验，得出接触网复合绝缘子FQBJ一258760P泄漏电流有效值均值与P。的关系式为，4808P3ES8D8D4。3提出了在线监测装置判断接触网绝缘子安全运行的阈值，并且把接触网绝缘子运行过程分为3个区段安全运行区、污秽清理区、危险区。参考文献1于万聚高速电气化铁路接触网M成都西南交通大学出版社，20032黄新波，刘家兵，程荣贵绝缘子泄漏电流在线监测系统的设计与应用J电测与仪表，2007，445914F31RICHARDSCN，RENOWDENJDDEVDOPMENTOFAREMOTEINSULATORCONTAMINATIONMONITORINGSYSTEMJIEEETRANSACTIONSONPOWERDELIVERY，1997，1213893954何慧雯，戴敏，张亚萍，等污秽绝缘子泄漏电流在线监测及数据分析J高电压技术，2010，3612300730145聂一雄，尹项根绝缘子在线检测方法的探讨J电瓷避雷器，20002386陈攀，孙才新，米彦，等一种用于绝缘子泄漏电流在线监测的宽频带微电流传感器的特性研究J中国电机工程学报，2005，25261441487贺博，林辉人工污秽中绝缘子泄露电流的统计特性J高电压技术，2006，328468陈伟根，夏青，李琼延，等绝缘子污秽预测新特征量的泄漏电流时域特性分析J高电压技术，2010，365110711129张福增，彭功茂，王黎明，等环境温度对复合绝缘子直流污闪特性的影响J高电压技术，2010，365111911231O梅红伟，毛颖科，卞星明，等相对湿度对绝缘子泄漏电流最大值的影响J高电压技术，2010，36362763111方春华，王建国，操平梅，等污秽绝缘子泄漏电流与环境温、湿度相关分析J高电压技术，2012，38488589112司马文霞，李琛延，孙才新染污绝缘子污闪全过程泄漏电流波形及谐波特性分析J高电压技术，2010，36511011106作者简介景小兵1990一，男，陕西绥德人，硕士研究生，主要从事接触网检测技术研究。PP99；P上接第86页系统运行一段时间后，中心服务器保存无线传感器网络发送的数据，从数据库导出现场测试时截取的终端节点为0X796F加速度信号的数据如表2所示。表2数据导出表TAB2EXPORTT