基于物联网技术的小型风电智能管控系统研究

孙燕华，赵 飞

（无锡职业技术学院 机械技术学院，江苏 无锡 214121）

随着物联网新兴产业的战略规划与风电产业的发展崛起，分布式中小型风力发电系统在我国将有广泛的应用前景。目前，中小型风力发电系统面临两大关键技术问题：一是系统运行的稳定性、安全性、可靠性，即实现风力机组低风速下能启动运行发电；高风速下能控制风轮转速稳定发电；特大风下能停机保护；二是并网控制逆变系统的稳定性、可靠性，主要是对风机发出的电进行整流实现逆变上网供电，同时对风机实行相应控制与保护。上述第二个问题以目前的电力电子技术、微电子技术已可以完全实现，关键是第一个问题。由于风有间歇性、随机性、突变性的特征，有时风只有3～4级，有时可达10～12级甚至更高，许多控制较差的风力机组常常在大风中超速运行超功率运行，击穿控制系统，使风轮承受的风压越来越大，最后导致发生桨叶飞出、风机掉下、塔杆倒塌等事故。为此，我校进行了基于物联网技术的5kW校园智能风电管控系统研发，实现了对中小型风力发电系统运行中的“实时、远程、智能”监管与控制，较好地解决并提高了系统运行的可靠性、稳定性、安全性。

1 物联网智能风电管控系统的基本架构

风力发电机的微机控制系统属于离散型控制，系统将风向标、风速计、风轮转速、发电机电压、频率、电流、发电机温升、增速器温升、机舱振动、塔架振动、电缆过缠绕、电网电压、电流、频率等传感器的信号经A/D转换输送给单片机，再按设计程序给出各种指令实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障的自动停机、自动电缆解绕、过振动停机、过大风停机等的自动控制。

物联网智能风电控制系统是在风电微机控制系统基础上，采用 WSN无线传感网、云计算、Zigbee网络协议、Tinyos操作系统等物联网技术进行二次开发的智能风电控制系统。本系统在风机上部署无线传感自组网节点群与风机内部的各传感器实施对接，通过系统软件中的智能采集模块实时采集数据，提交到FUT－STAR数据平台，为风电管理系统提供数据支撑，使风电控制系统的运行状况及其数据监测在有网络的环境下，通过手机或PC机等终端实现“无时不在、无处不能”的管控。

图1 物联网智能风电管控系统的基本架构

2 风电机组运行数据实时监测技术

为实现风电机组运行数据监测的“实时、远程、智能”，采用无线传感器技术、ZigBee、云计算等物联网技术对风电机组运行数据进行采集、传输、解析。

2.1 485型无线采集节点的数据采集

风电机组运行数据采集采用485型采集节点，采集风电机组运行数据后通过无线传感器网络将数据上传到后台服务器进行数据解析处理。

485型无线采集节点是针对485输出设备设计的专用型传感节点。它通过485－232转换器与风电机组485接口连接，完成采集信息、融合并发送数据的功能。传感器节点由传感器模块（有传感器和数模转换功能模块组成）、处理器模块（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、无线通信模块和电源供应模块四部分组成［1］，如图2所示。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，通常采用微型电池。此外，可以选择的其他功能单元包括定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。

图2 无线传感器网络节点结构

2.2 WSN无线传感器网络数据传输

系统采集风电机组运行数据后通过WSN无线传感器网络传输数据。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、计算机及无线通信技术、分布式信息处理技术，能够通过各种集成化的微型传感器以协作方式实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过自组织通信网络将所感知的信息传送到用户端，从而实现“无处不在的计算”理念。

风电机组无线传感器网络由多个485型采集节点根据数据采集任务的需求自组织而成的网络。其任务是从风电机组读取机组运行数据，采集节点负责数据的采集，所采集到的数据通过多个中继节点转发以多跳方式传递给汇集节点。

2.3 ZigBee网络协议传输数据

ZigBee是一个由多到65 000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，类似现有的移动通信CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信［2］。不同的是，ZigBee网络主要为自动化控制数据传输而建立，每个Zig－Bee网络节点既可以与监控对象直接进行数据采集和监控，还可以自动中转其他网络节点传输的数据资料［3］。除此之外，每个ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内，与多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点无线连接。ZigBee网络节点可支持多个传感器和受控设备，每个传感器与受控设备有8种不同的接口方式，用来采集、传输数字量和模拟量［4］［5］。

风电采集的ZigBee网络通信协议中数据帧长度为42字节：8字节帧头＋32字节数据＋2字节校验，其中32字节数据中包含有蓄电池电压、风机电压、风机电流、风机功率、风速、风向等参数。

2.4 本地控制PC数据采集流程图

图3 PC数据采集流程图

上位机软件先配置好串口以及串口参数，下位机一直等待请求指令，上位机发送“读数据”命令到下位机，下位机接受后会在1秒内返回相应数据。上位机在接受到数据后，先检查协议是否符合Zig－Bee风电协议的标准，正确的使用，否则丢弃后重读。然后再检查数据类型与和校验是否正确，正确的使用，否则丢弃后重读。如果1秒内无数据返回，则需重读。下位机完成回馈数据后再转为接受状态，等待上位机的指令。根据风电的采集协议，风电采集软件从风电设备中的串口读取数据。

2.5 基于物联网云计算FUT－STAR风电通讯应用平台

基于物联网云计算FUT－STAR风电通讯应用平台，采用“面向数据”的设计理念，使用数据透传的传输模式，解决了异构系统之间信息交互的难点。平台提供丰富的基础服务接口和应用接口，各个应用系统可以方便地和平台对接并进行数据交换，具有设计精良的实时数据获取接口和功能细化的反向控制接口，从而确保了数据的实时性和子系统的可控制性。

3 风机运行状态实时控制

物联网智能风电管控系统对风机的运行环境与运行状态进行了实时监控，监测量包括：风速、风向、蓄电池电压、风机电压、风机功率、风机电流等，可通过PC端实时查询历史数据。

恶劣天气或出现设备故障时，系统对风机的开启和停止进行自动控制，当用户在界面上点击风机按钮操作时，系统平台会对风机控制设备发送一条指令，指令传输通过数据节点对风机发出，进而对风机的开启或停止的状态进行控制。

从手机或PC端实时控制风机开启、关闭的控制流程如下：

（1）反向控制程序向风机变桨控制器写入控制风机的开启和关闭的控制代码；

（2）控制器将收到的控制代码解析完成后，将消息传递给控制器；

（3）控制器控制变桨控制器改变风机的运行状态。

图4 实时数据监控画面

4 总结

物联网智能风电管控系统集环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等物联网技术于一体，深入绿色能源利用的核心问题，为安全、高效利用风能提供可靠保障，这具有重要的实际应用意义。

［1］ Estrin D，Girod L，Pottie G，Srivastava M.Instrumenting the world with wireless sensor networks［C］.In Proceedings of the International Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing （ICASSP’01），2004，5（4）：2033－2036.

［2］ 吴键，袁慎芳.无线传感器网络节点的设计和实现［J］.仪器仪表学报，2006，27（9）：140－144.

［3］ WU J，YUAN SH F.Design and implement of Wireless Sensor network［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27（9）：140－144.

［4］ 郑凯，赵宏伟，张孝临.基于网络的心电监护系统的研究［J］.仪器仪表学报，2008，29（9）：1908－1911.

［5］ ZHENG K，ZHAO H W，ZHANG X L.Research on monitor system of electrocardiograph based on ZigBee network ［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29（9）：1908－1911.

［6］ 孙燕华，赵飞.5kW校园智能风电系统的开发与应用［J］.无锡职业技术学院学报，2012，11（6）：70－72.