基于物联网的风力发电机状态监测系统设计

王维娜，吴玲敏，高海瑞

(1.河套学院，内蒙古巴彦淖尔 015000；2.内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特 010051)

0 引言

随着经济和社会的发展，人类对能源的消耗日益加剧，石油、煤炭等不可再生能源日益枯竭[1]，而且其燃烧会对环境造成严重污染，因此，需要重点开发和利用风能、水能、太阳能等无污染、可再生能源。其中，风力发电技术作为利用风能的方法之一，已日趋成熟，它产生的经济效益已逼近常规能源，具有很大的开发潜力[2]。由于风力发电机组长期处于腐蚀、风沙等工况中，工作环境非常恶劣。当风力发电机组长期运行时，会出现叶片损耗、发电机、齿轮箱等故障，从而导致设备停车。因此，如何有效地监测风力发电机组的工作状态，及时发现设备的异常，提前排除故障状态成为研究的主要方向。本文设计了一种基于物联网的风力发电机状态监测系统，其通过4G网络传输方式将实时采集到的风电机组的各项参数发送到服务器中，在上位机界面上可观察到各个风电机组的运行参数，可实时查看风电机组的工作状态，为预测和预防风电机组故障提供了数据基础[3]。

1 系统概述

基于物联网的风力发电机状态监测系统主要是通过温度传感器、转速传感器以及电压、电流采集电路完成风力发电机参数的采集[4]。将采集到的数据在单片机内部完成相关计算、处理，通过4G模块将采集到的数据发送到服务器数据中心。每个风力发电机组上装有单独的数据采集传输装置，该装置中的4G模块可实现数据传输以及地点定位的功能，因此在上位机界面上可观察到相应风力发电机组的工作参数，系统示意图如图1所示。

图1 系统检测示意图

2 系统硬件设计

系统硬件框图如图2所示。系统硬件电路主要包括电压电流检测电路、转速检测电路、温度检测电路等[5]。系统通过温度、转速检测电路实时监测风力发电机的工作状态，通过电压电流检测电路反映风力发电机工作的效率。通过多个传感器协同工作实时监测风力发电机组的工况，利用4G模块将监测到的数据发送到服务器数据中心，在PC端通过网页的形式可实时查看对应风力发电机组的工作参数，及时了解风力发电机的工作状态，可预防故障状态的发生。

图2 系统硬件框图

2.1 转速检测电路

系统利用电涡流转速传感器来检测风力发电机的转速，其中电涡流转速传感器选用KD2446-9C型传感器[6]。该型传感器的前端绕有线圈，当旋转体转动时，传感器线圈的磁力线就会发生变化，因此传感器会输出周期性的电压。旋转体的转动速度与传感器输出电压的周期成正比，因此可以通过检测周期频率计算得到风力发电机的转速。

由于转速传感器输出的信号中含有高频杂波，且有效信号的频率不超过1 kHz，因此系统选用巴特沃斯低通滤波器滤除信号中的高频干扰，使得传感器输出的信号更加精确，便于检测输出信号的频率，从而计算得到风力发电机的转速。其中滤波电路采用的是八阶巴特沃斯低通滤波器MAX7480，其采用单5 V供电，通过配置电容C51来控制内部时钟的频率[7]，系统配置的MAX7480的时钟频率为500 kHz，硬件电路如图3所示。

图3 转速检测电路

2.2 温度检测电路

对风力发电机各个部件温度的监测有利于及时了解各个部分的工作状况[8]，系统主要监测齿轮箱以及风机的工作温度。系统利用热电阻传感器实现温度的检测，它是将温度的变化等效地转换为电阻的变化，具有精度高、性能稳定等特点。除此之外，其测温范围广，在-200～+850 ℃之间，完全满足对风力发电组温度测量的要求。温度检测电路如图4所示。

图4 温度检测电路

其中U4、U5以及其外围电阻器件产生100 mA的恒流源去激励热电阻传感器，当温度变化时，热电阻传感器的电阻值也会相应改变，此时会产生一个与温度变化成正比的电压信号。由于此电压信号比较微弱，因为通过U6运算放大电路对此信号进行适当放大，将传感器输出电压的幅值调节到A/D转换器允许的范围内，便于进行模数转换。

2.3 电压电流检测电路

系统利用电压互感器和电流互感器来检测风力发电机产生的三相电压和电流[9]。三相电压是通过电压互感器TV1013-1实现的，其是一种将高压降为低压的设备，它的一次线圈与高压系统的输出回路并联，二次绕组则跟设备的负载并联。该型电压互感器的工作频率范围在10 Hz～10 kHz之间，且体积小，精度高。TV1013-1检测原理图如图5所示。

图5 电压互感器检测原理图

电流是通过电流互感器检测的，电流互感器是一种将高压电网大电流转换为小电流的装置，系统选用TA1905-1型交流互感器，其具有体积小、电压隔离能力强等优点[10]。实际测量时，将电流互感器的一次绕组串联在高压系统的一次回路中，二次绕组与负载相串联。系统通过并联的电阻Rs获得采样电压，进而计算出电流的大小。检测原理图如图6所示。

图6 电流互感器检测原理图

2.4 4G传输电路

系统通过4G传输方式将采集到的风力发电机组的各项工作参数发送到服务器数据中心，在界面上可实时查看风力发电机的转速、各个部件的温度、三相电压电流等参数[11]。4G传输选用的是移远通讯的全网通4G模块QUECTEL EC20 LTE，其采用标准的Mini PCIe封装，同时支持LTE，UMTS和GSM/GPRS网络，最大上行速率为50 Mbit/s，最大下行速率为1 Gbit/s。该4G模块支持Linux操作系统，通过USB2.0接口与ARM实现数据通讯，供电电压为3.8 V，工作温度在-40～+80 ℃之间，硬件电路如图7所示。

图7 4G传输电路

3 系统软件的设计

系统软件利用C语言编写，采用Eclipse软件开发，编译成bin文件后下载到ARM中。系统程序主要包括A/D转换程序、定时器中断程序、ARM USB通讯程序、4G传输程序等。系统通过各个传感器以及处理电路采集到风力发电机组的工作参数，然后在ARM内部进行计算处理后，通过4G传输方式发送到服务器数据中心，系统软件流程图如图8所示。

图8 系统软件流程图

4 实验数据分析

根据上述软硬件设计，研制了基于物联网的风力发电机状态监测系统。为了进一步验证系统的性能，需要对系统做如下测试：将本文研制的数据采集传输装置安装到风力发电机上，将各个传感器按照要求安装到正确的位置，启动系统，在PC机的页面上查看风力发电机的工作参数。该系统可以监测到风力发电机产生的三相电压和电流、齿轮箱和风机的温度以及发电机的转速等。在PC机页面上监测风力发电机的工作参数，分别查看2次，2次间隔1 h，数据如图9、图10所示。

图9 风力发电机工作参数

图10 风力发电机工作参数

由图9、图10可知，风力发电机产生的三相电压比较稳定，约在690 V左右；三相电流在740～765 A之间；齿轮箱和风机的温度比较稳定，齿轮箱温度在40～50 ℃之间，风机的温度在90～110 ℃之间；发电机的转速在(1.7 ～2.0)×103r/min之间。各项工作参数均处于合理的范围内，风力发电机组运行稳定。

(3)在3台相机接入系统的情况下，当线程池线程数量在8～16之间时，SVR线程池的请求超时发生率明显低于HAHS线程池。经过进一步测试，当SVR线程池线程数量为9时，控制终端软件对图像帧请求的响应超时发生率最低，为1.74%。

4 结束语

本文以嵌入式系统为平台，将MVC模式应用到基于机器视觉的钮扣自动分选系统控制终端软件的设计中，通过分层模型思想和中间件技术进一步降低耦合，提高软件的易扩展能力。同时以多线程的方式处理外部设备的交互请求，通过动态设置线程优先级提高请求响应的实时性，为工业视觉检测领域同类型控制终端软件的研发提供了一个可行方案。