光纤通信在风力发电系统中的应用研究分析

2024-04-16周远峰

通信电源技术 2024年3期

周远峰

（北京外企人力资源服务江苏有限公司南通分公司，江苏南通 226000）

0 引言

随着对风力发电系统通信质量研究的不断深入，需要整合资源内容，建构一个更加高效、合理的光纤通信控制体系，以充分发挥风力发电作为清洁可再生能源的优势，打造更加可控且合理的通信平台，优化风力发电系统内数据管理的可靠性和安全性。

近几年，风力发电系统的应用范围不断扩大，是新能源发电技术中较为成熟且规模开发条件较好的发电方式之一。风力发电系统由3 个基本部分组成，即塔基控制单元（S1）、机舱控制单元（S2）和轮毂控制单元（S3）。传统的信息交互体系主要利用位于控制局域网络（Controller Area Network，CAN）上的高层通信协议连接机舱和轮毂，受通信距离、传输频带等因素的限制，无法及时建立通信。因此，可以将光纤通信技术应用在风力发电系统中，以建立一种能够实现远距离实时数据通信的体系，提高信息交互水平，为风力发电系统的通信管理效能优化提供保障[1]。

1 风力发电系统中光纤通信模块设计要点

在明确风力发电系统中光纤通信管理要求的同时，要结合实际情况选取适配的技术方案，满足系统运行需求，确保硬件处理、软件处理等工作都能贴合实际要求，从而提高光纤通信的质量水平。

1.1 需求分析

为确保风力发电系统中的塔基和机舱之间能够实现长距离信息数据传输，要选取适配的技术方案，不仅要符合风机控制系统运行的标准，还要有效提高通信网络的质量水平。因此，文章以STM32 为控制平台，利用光纤作为传输介质，并选取数据用户报协议（User Datagram Protocol，UDP）作为通信协议格式，以建构光纤通信模块的运行方案。此外，利用现场可编程门列阵（Field Programmable Gate Array，FPGA）建立主从站应用结构，使系统能在1 ms 内完成塔基和机舱之间的数据交换。

1.2 硬件结构

文章基于可变静态存储控制器（Flexible Static Memory Controller，FSMC）建立网络拓扑结构，利用光电转换芯片完成信息的实时性交互处理，确保模块能更加精准地访问相关联数据。同时，利用FGPA设计具体应用模块，只需将其插入底板即可完成采样访问分析[2]。

光纤分为单模光纤和多模光纤2 种，要结合实际情况选取适配的光纤模块，确保应用效果和信息交互质量。单模光纤通常使用黄色光纤跳线，对应的接头和保护套为蓝色。由于其信息传输距离较长，因此能更好地满足长距离信息交互管理需求。而多模光纤则使用橙色或灰色光纤跳线，接头和保护套为米色。对应的传输距离有限，因此更适合在传输距离受限的环境中使用。为确保光纤模块应用控制的合理性，光纤跳线两端的光模块发收发波长要维持一致，从而更好地保障信息交互处理的科学性和规范性。

1.3 软件结构

在设计软件结构时，要结合软件应用平台，选取更加适配风力发电系统常态化运行环境的软件，在满足内存共享要求的同时，能践行UDP 协议，以维持综合应用控制的合理性和可控性。

1.3.1 内存共享

基于硬件设计，整个系统拥有2 KB 的信息只读存储空间，并划分了对应的共享空间。一旦完成域内数据汇总，便能支持后续操作。同时，在系统完成数据交互的过程中，光纤模块能够迅速读取信息数据并打包发送。接收端在获取数据后，会进行精准解析处理，并将其存储在存储空间。对于整个系统主机而言，这种处理能更好地满足访问协议的应用要求，提高通信实效性[3]。共享内存空间的读写协议如图1所示。

图1 共享内存空间的读写协议

为确保各模块能更好地落实访问内容，需要在分配空间的过程中确保身份信息、状态信息、信息中断等功能都能得到有效利用[4]。

1.3.2 UDP 协议

在风力发电系统中应用光纤通信技术时，要结合运行环境和具体应用规范开展相关内容。如果采取UDP通信方式，数据包要依照规范格式完成信息交互。同时利用通信校验字，避免外来数据对交互信息产生干扰，提高信息传递的安全性，以满足应用处理的基本需求[5]。数据包定义如表1 所示。

表1 数据包定义

1.3.3 配置过程

在完成数据包分析后，要结合具体的配置要求完成配置作业，以建立更加完整的模块运行方案，确保数据流能发挥实际作用，更好地维系运行管理的效果。

第一，初始化设计，依照光纤通信模块应用的运行要求完成初始化操作[6]。第二，读取调频（Frequency Modulation，FM）模块的信息数据。当State=1 时，能够完成对应数量的字节传输；当读取信息为State=2 时，读取共享空间的信息，并将获取的信息发送给模块接收设备，维持正常工作模式。通过配合光纤发送模式，可以确保信息的及时交互。第三，配置各个模块的功能内容。

1.3.4 系统运行流程

在完成基础模块单元的设计处理工作后，将配置信息集中发送至固定接收中心，确保CAN 数据处理的及时性和规范性。借助光纤设备，实现UDP 接收服务器读取的目的，并提高接收服务函数的应用水平。同时，调取规范参数管理方案，以维持光纤通信模块应用控制的合理性。

在系统运行过程中，要依次落实主循环，对硬件初始化和设备常态运行进行监管，确保配置参数的稳定应用[7]。系统运行流程如图2 所示。

图2 系统运行流程

2 风力发电系统中光纤通信模块应用仿真分析

全面分析光纤通信模块的应用要点后，要结合实际的应用运行环境完成仿真试验分析，从而确保风力发电系统常态化管理工作能顺利开展，维系信息交互的实时性和规范性，也能更好地依据数据关联性落实后续工作。在整个系统中，设置了2 个光纤模块，分别是FM 模块和FS 模块。其中，FM 模块负责搭建对应的参数设置体系，以便了解模块的网络运行情况。FS 模块则配合程序一同写入芯片，以便在系统重启后进行测试和分析。同时，模块将被放置在不同的底板结构位置上，并使用多模光纤完成连接处理[8]。通信模块参数如表2 所示。

表2 通信模块参数

搭建实验室平台时，要自上而下对塔基、机舱和轮毂展开部署。在完成数据处理后要共享内存空间读写访问协议，共享空间划分结构如图3 所示[9]。

图3 共享空间划分结构

为更好地验证系统运行情况，要对具体运行参数和流程展开针对性的分析，从而全面评估系统运行的稳定性，更好地发挥光纤通信模块的应用价值，促进风力发电系统的进步。

第一，对链路进行实时性测试。借助网络传输运行命令访问FM 对应模块后，对返回时间进行跟踪。跟踪结果表明，平均返回时间在1 ms 内，证明光纤通信链路处于较为完整且规范运行的状态，整体运行的可靠性较高。此外，为确保数据管理的科学性，要结合实际应用控制规范，利用抓取信息的方式。通过对比抓取数据和规范运行数据，可以判断系统是否处于正常启动状态。

第二，对链路通信速度进行测试。在完成一系列安装操作后，要在系统处于正常运行状态下测定FM 模块发送信息的速率。通过向计算机发送对应的调试信息，利用模拟分析的方式，获取实时性传输的基础数据。结合数据关联性，可以了解耗时与系统设计要求之间的差距。如果该差距在允许误差范围内，则表示系统传输效率满足要求[10]。