一种基于GSM的风力发电机组监测系统的设计与研究

韩婧 胡兰馨 杨静远

【摘要】 随着新能源的不断发展，其代替传统的能源成为日后能源的主要来源将指日可待。风能作为一种新型的可再生能源，已经成为一种现代发电的重要形式。而风力发电机组往往建设于沙漠、戈壁、草原、沿海等风能资源丰富却交通不便的地方，加大了维护的困难和成本。本文通过对风力发电机各部分数据的采集，设计一种基于GSM的检测系统，旨在监测风力发电机组的工作状态。

【关键词】 风力发电 监测 GSM 无线传输 传感器

一、引言

随着风力发电机组的入网率不断提高，越来越多的风能资源运用到现在的新能源发电当中，但因风力发电机组修建的环境恶劣、交通不便等因素，长期以来风力发电机一直采用计划维修与事后维修的方式。这样的方式不能及时了解到风力发电机组出现的故障，因而不能使其得到及时的维修，造成重大的不必要的损失。因此设计研究一种可以及时反映风力发电机组状态的监测系统变得尤为重要。

二、设计方法及关键技术

2.1 检测系统的基本原理及组成

如下图1所示为该系统的设计框图，该系统的组成主要分为发送和接收两大部分。发送的信息内容由振动传感器、转动传感器、温度传感器、风速传感器、风向传感器、湿度传感器等组成，利用单片机整合信息，将信息通过GSM模块发送到接收端。接收端接收到信息后，将信息传送到计算机，利用软件把所得的数据保存并显示。

2.2 风力发电机组故障分析及检测方法

如下图2所示风力发电机组最主要的为以下的几个部分，叶片、轮毂、机箱、塔身。而这几个部分都极易产生故障，需要对其进行监控以保证风力发电机组的正常运行。

叶片是风能转化为电能的主要介质，它能否正常运行直接影响风力发电机能否正常工作，叶片在环境的影响下出现故障的可能性是最高的，因其尺寸较长，鉴别其是否出现裂痕、掉漆、断裂等的现象比较困难，所以要使用设备自身的机械性能对其进行检测。该机械性能为物体固有频率，固有频率是物体做自由振动时位移与时间按正弦规律变化的简谐振动，它只与物体的形状、材质、质量等系统固有特性有关，这些固有特性一旦发生变化其固有频率也会相应的发生变化。

轮毂连接着叶片和机舱内的齿轮箱，一旦出现故障就会影响叶片转动向齿轮箱的传动，继而导致叶片的突然停转或齿轮打死等现象，因而需要在轮毂上加载转动传感器对轮毂的转动进行检测。

机舱中的齿轮箱同样需要监控，齿轮在工作中的磨损影响着发电的效率，虽然小的磨损不会及时的影响到发电机组的运行，但是长久以往磨损越来越严重就会使齿轮咬合出现错误，同样要想检测到这些微小的变化要运用其自身的特性，需检测其自身的固有频率。

塔身的细小裂纹和因环境造成的损伤也影响着风力发电机自身的运行，裂纹不断变大、损伤不断加强，加上叶片转动产生的离心力会使风力发电机组面临倒塌的危险。同样需要检测其自身的固有频率，确保第一时间发现问题。

因为风速、风向、温度、湿度等环境因素也会影响测量结果，所以在风力发电机组上也需要安装相应的传感器以最终确定故障点的综合考虑。

2.3 GSM无线传输技术

全球移动通信系统（Global System for Mobilecommunications，GSM）是一个蜂窝网络，是当前应用最广泛的移动电话标准之一。具有网络容量大、稳定性强不易受干扰、信息灵敏等特点。本系统采用了GSM的短信功能进行无线数据传输，并通过GSM网络及串口通讯将各个传感器测量的数据传送至PC机上保存并显示。

本系统采用的GSM模块为TC35，TC35是西门子公司的一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块，它秉承了西门子一贯的优秀品质，易于集成，在远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域都发挥着重要作用，对该模块具有的特点做如下说明：

信息传送内容：语音和数据

频段：双频GSM900MHz和DCS1800 MHz（Phase 2+）

SIM卡连接方式：外接

天线：由天线连接器连接外部天线

工作温度：-20℃ to +55℃

短信息：MT，MO，CB和PDU模式

模块复位：采用AT指令或掉电复位

2.4 单片机

本系统采用的单片机为STC系列芯片STC89C52，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。

三、实施与实现

3.1 传感器选择

针对风力发电机组的不同位置的监控需要对上述的传感器选择如下：

振动传感器

型号：801S振动传感器

工作电压：直流3-5V

特点：灵敏度可调（精调）、振动侦测范围宽，无方向性、体积小安装方便。

转动传感器

型号：HAL3144霍尔传感器

工作电压：4.5-24V

利用霍尔开关电路，当N极靠近它的印章面时，输出低电平，当N极撤离后输出高电平。这样只要旋转到N极时就表示转动正常进行。

特点：小巧灵活、安装便利、价格低廉。

温度湿度传感器

型号：AOSONG-AM2320-数字型温湿度传感器

传感器包括一个电容式的感湿元件和_个高精度测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

特点：品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高

风速传感器

型号：WFS-1-4风速传感器

测量范围：1.0～60m/s

特点：RS485数字输出、安装方便、高耐候性、高强度、具有很好的耐恶劣环境的适应性

风向传感器

型号：TX系列风向传感器

测量范围：8个方向/360度角

特点：外型小巧轻便，便于携带和组装、壳体采用优质铝合金型材，外部进行电镀喷塑处理，具有良好的防腐、防侵蚀等特点，能够保证仪器长期使用确保采集数据的准确性。

3.2 传感器的安装及调试

振动传感器需要安装在风力发电机组每一个叶片内部的空腔、齿轮箱、塔身中，为了达到统一的标准，对安装的位置要有统一的规定。考虑到配重以及线路问题，测量叶片振动的传感器需安装到距轮毂10-15厘米的叶片内部；齿轮箱的振动传感器需要将其安装到齿轮箱底部；塔身的振动传感器需要安装到塔身的上、中、下三个位置；转动传感器需要套装在轮毂上，保证对轮毂转动的监测；风速传感器与风向传感器要加装在机舱尾部；温度传感器与湿度传感器要加装在塔身中间。为保证信号发送的质量减少干扰，单片机与CSM模块需要加装在距地面2米高的塔身内部。

通过GSM模块将信号发送到监测站，由监测站的GSM模块将信号接收，并利用GSM与计算机的连接，将获取到的数据通过软件进行保存并显示到软件的界面当中，实现各机组各部分数据的采集。与正常工作时的数据进行对比，对出现超过正常偏差的机组和出现超正常偏差的部分进行标注并报警。该系统设定每10分钟对各传感器采集到的数据进行一次传输。

3.3 系统解面

如下图3所示为该系统的整个界面，该界面显示在一定的测量日期、测量时间下的机组信息。同时包含查询、删除、显示当前、显示今天所有信息的菜单，可以对出现问题的机组进行报警，并提供手动解除报警和手动关闭机组的选项。（下图3中的数据仅代表测试系统正常工作时的数据，不能用来作为实际数值进行参考。）

四、效果评价

本文主要涉及领域为信号采集、远距离无线通信、信号监测等领域。整套装置有着方便、快捷、准确等特点，能够及时发现风力发电机组的故障所在并报警，通过判断故障原因进而远程停车，这样就能够大大节约人力和物力资源。同时该系统能够记录所有数据从而能对每一台机器的使用情况加以综合判断，由此确定每一台机组的维护时间。

本文提到的各类传感器的安装位置及安装种类对综合判断故障起到重要作用，能够客观的反应风力发电机组自身的机械性能，以及周围环境对它的影响，这些数据对改进风力发电机组材料、线路、朝向等有着重要意义。

五、结语

随着风力发电机装机量的不断增加，安装环境的不断多样化，仅靠人力逐一排查故障已变得不再现实，不但花销巨大而且不能够及时发现故障位置。考虑到环境的多样性、线路安装的复杂性、线路检修的困难性，提出依靠无线传输来传递信号，因此依靠这种远程监测系统变得尤为重要。

该监测系统操作简单、安装方便，能够实现对风力发电机组的监控，也可以根据测量的实际情况改变测量间隔，达到更加经济有效的监控。同时该监测站的设立位置比较灵活，只要能够满足信息的正常传输即可。