基于Rabbit2000的風力發(fā)電機選址測風系統(tǒng)設計

曾建成

ZENG Jian-cheng

（寧夏大學 物理電氣信息學院， 銀川 750021）

0 引言

在我國內(nèi)陸地區(qū)，風能資源主要集中在西北和東北的草原、丘陵和戈壁灘上，風力發(fā)電機機場建設之初，要進行長達2年的調(diào)研和選址工作，期間，主要考察風機場的地況和風力資源，風力資源的考察尤其重要，風力資源的準確評估可以使投資者對投資效益、資金回收周期大致做到心中有數(shù)，從而幫助決策者根據(jù)評估結(jié)果來下結(jié)論。

1 被測對象

由于風的能量密度很低，而且對天氣和氣候非常敏感，所以它是一種隨機能源，雖然各地區(qū)的太陽輻射和風的特性在一段時間內(nèi)大致有一個統(tǒng)計規(guī)律，但風強度無時無刻都在不斷的變化之中，這就決定了我們不能象統(tǒng)計其它能源那樣，有一個比較確定的計算，而只能根據(jù)一些參數(shù)來進行估算風的能量密度。進行估算的參數(shù)有以下幾個：

1）年平均風速

2）有效風能密度

3）風能可利用時間

4）空氣密度

而在實際的風能利用中，對于那些不能使風力發(fā)電機啟動或運行的風速（例如0～3m/s的風速不能使風機啟動；而大于20m/s的風速將會給風機帶來破壞，故這部分風速也無法利用）我們除去速后，得出的平均風速所求出的風能密度稱之為有效風能密度。

根據(jù)上述有效風能密度的定義得出計算公式：

其中，V為年平均風速，ρ為空氣密度，通常情況下為1.225kg/m3，P(V)是有效風速范圍內(nèi)的條件概率分布密度函數(shù)，一般選用韋布爾(Weibull)分布函數(shù)。

年風能可利用時間是指一年之中可以運行在有效的風速范圍內(nèi)的時間，它可由下式求得：

其中，N為統(tǒng)計時段的總時間，c，k為韋布爾分布的兩個參數(shù)。

為此，在實際測風系統(tǒng)設計中，主要考慮風速、測風時間以及風向。

2 系統(tǒng)結(jié)構設計

根據(jù)現(xiàn)場條件及系統(tǒng)要求，開發(fā)基于Rabbit2000單片機的現(xiàn)場控制系統(tǒng)的通用平臺，通過RS－485接口接受現(xiàn)場儀表的信號，通過CDMA接口與遠程控制中心通信。系統(tǒng)設遠程控制中心和測風現(xiàn)場監(jiān)控級（RTU）兩級，由遠程控制中心集中統(tǒng)一管理。每個測風塔為相對獨立的監(jiān)控站，能實現(xiàn)本地控制的各種功能。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構示意圖

Rabbit 2000微處理器是Z-World公司推出的一款低成本的嵌入式控制系統(tǒng)的核心器件。采用100引腳PQFP封裝，工作電壓范圍2.7 V—5 V；時鐘速度可達30MHz；Rabbit可經(jīng)由串行口或并行口的訪問實現(xiàn)冷啟動；共有40條并行I/O口線（與串行口共用）；共有4個串行口，這4個串行端口都可以在多種操作模式下實現(xiàn)異步工作。其中兩個口還可以同步工作，實現(xiàn)與串行I/O設備的接口；有一個內(nèi)置的看門狗定時器。

傳感器將采集到的風向、風速數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，被微處理器Rabbit 2000定時收集，經(jīng)Rabbit 2000處理后，通過無線網(wǎng)絡與遠程控制中心進行通訊，實時地向上位機傳輸采集到的數(shù)據(jù)。

遠程控制中心有一臺連接Internet的服務器，并有固定公網(wǎng)IP地址，通過NAT端口映射方式，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)可以作為內(nèi)網(wǎng)中的一臺服務器實現(xiàn)與現(xiàn)場采集點CDMA1x DTU實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。同樣，聯(lián)通公司也不必為每一臺CDMA1x DTU分配固定IP地址，DTU連接CDMA1x網(wǎng)絡后，所分配的IP地址是動態(tài)的，這種情況下，數(shù)據(jù)中心根據(jù)每臺DTU的ID號進行注冊和通訊，不必擔心由于DTU掉線后上線再次分配的動態(tài)IP不同而不能與數(shù)據(jù)中心取得聯(lián)系。微控制器收集到數(shù)據(jù)信息后，要通過Internet把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。而系統(tǒng)中完成微控制器與Internet網(wǎng)通訊工作的就是CDMA RUTER和CDMA網(wǎng)。由于CDMA是基于IP協(xié)議的，但普通的CDMA RUTER沒有內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，需要用戶提供TCP/IP的支持。就是說，需要在使用CDMA RUTER的上位機系統(tǒng)中嵌入TCP/IP,這是一個復雜而繁瑣的工作。為了減小應用本身的工作量和增加系統(tǒng)的實用性，本系統(tǒng)采用了廈門桑榮科技工業(yè)級CDMA RUTER，型號為Saro 6230R，它內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，具有Socket通訊功能，并提供透明數(shù)據(jù)傳輸通道，用戶只需設置一些參數(shù)就可實現(xiàn)將嵌入式系統(tǒng)直接與Internet相連，實現(xiàn)網(wǎng)絡的相互連通。CDMA RUTER在每次開機后會自動撥號，接入CDMA并動態(tài)獲得一個IP地址，此IP地址為CDMA骨干內(nèi)網(wǎng)地址，在未進入連接狀態(tài)時，服務器（監(jiān)控中心）是無法直接與CDMA RUTER通訊的。CDMA RUTER主動向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)進行連接。當連接的路由建立以后，服務器和終端才可以雙工地進行數(shù)據(jù)傳輸。

電源采用太陽能電池板配以蓄電池供電，可以適應測風系統(tǒng)所處的偏遠地帶。

現(xiàn)場工控機接線圖如圖2所示。

圖2 硬件線路圖

3 軟件設計

無線通信軟件設計基于下面的程序流程圖，圖3是CDMA Modem復位的流程，圖4是CDMA Modem撥號的流程，圖5是報文發(fā)送線程的流程圖。

4 結(jié)束語

本文開發(fā)的計算機遠程控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對覆蓋方圓幾十公里地區(qū)的測風系統(tǒng)進行集中管理。控制中心的工作人員只需點擊按鈕，通過計算機屏幕就可以觀察到測風系統(tǒng)中各測風點的實時工作情況。利用計算機控制系統(tǒng)進行采集數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、制作各種報表，不再需要原始的手工記錄和繪制報表。使測風系統(tǒng)的管理更加方便，并提高了工作效率。

圖3 CDMA Modem復位的流程

圖4 CDMA Modem撥號的流程

圖5 報文發(fā)送線程的流程圖

[1]謝建民,曾建成,等.風力發(fā)電成本主要影響因素分析與計算[J].華東電力,2003,1.

[2]張廣輝.RABBIT2000在工業(yè)以太網(wǎng)中的應用研究[J].測控技術,2003,07.

[3]張曉華.基于RABBIT2000的嵌入式測控系統(tǒng)[J].測控技術,2002,06.

[4]陳劍,陳菊芳.移動IP在基于CDMA1x網(wǎng)絡中的應用.微計算機信息,2007,01.