基于Rabbit2000的風力發電機選址測風系統設計

曾建成

ZENG Jian-cheng

（寧夏大學 物理電氣信息學院， 銀川 750021）

0 引言

在我國內陸地區，風能資源主要集中在西北和東北的草原、丘陵和戈壁灘上，風力發電機機場建設之初，要進行長達2年的調研和選址工作，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，從而幫助決策者根據評估結果來下結論。

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，雖然各地區的太陽輻射和風的特性在一段時間內大致有一個統計規律，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計其它能源那樣，有一個比較確定的計算，而只能根據一些參數來進行估算風的能量密度。進行估算的參數有以下幾個：

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)是有效風速范圍內的條件概率分布密度函數，一般選用韋布爾(Weibull)分布函數。

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的時間，它可由下式求得：

其中，N為統計時段的總時間，c，k為韋布爾分布的兩個參數。

為此，在實際測風系統設計中，主要考慮風速、測風時間以及風向。

2 系統結構設計

根據現場條件及系統要求，開發基于Rabbit2000單片機的現場控制系統的通用平臺，通過RS－485接口接受現場儀表的信號，通過CDMA接口與遠程控制中心通信。系統設遠程控制中心和測風現場監控級（RTU）兩級，由遠程控制中心集中統一管理。每個測風塔為相對獨立的監控站，能實現本地控制的各種功能。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

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可經由串行口或并行口的訪問實現冷啟動；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異步工作。其中兩個口還可以同步工作，實現與串行I/O設備的接口；有一個內置的看門狗定時器。

傳感器將采集到的風向、風速數據，經A/D轉換，被微處理器Rabbit 2000定時收集，經Rabbit 2000處理后，通過無線網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據。

遠程控制中心有一臺連接Internet的服務器，并有固定公網IP地址，通過NAT端口映射方式，數據中心系統可以作為內網中的一臺服務器實現與現場采集點CDMA1x DTU實現數據通信。同樣，聯通公司也不必為每一臺CDMA1x DTU分配固定IP地址，DTU連接CDMA1x網絡后，所分配的IP地址是動態的，這種情況下，數據中心根據每臺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IP不同而不能與數據中心取得聯系。微控制器收集到數據信息后，要通過Internet把數據發送到監控中心。而系統中完成微控制器與Internet網通訊工作的就是CDMA RUTER和CDMA網。由于CDMA是基于IP協議的，但普通的CDMA RUTER沒有內嵌TCP/IP協議棧，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的實用性，本系統采用了廈門桑榮科技工業級CDMA RUTER，型號為Saro 6230R，它內嵌了TCP/IP協議棧，具有Socket通訊功能，并提供透明數據傳輸通道，用戶只需設置一些參數就可實現將嵌入式系統直接與Internet相連，實現網絡的相互連通。CDMA RUTER在每次開機后會自動撥號，接入CDMA并動態獲得一個IP地址，此IP地址為CDMA骨干內網地址，在未進入連接狀態時，服務器（監控中心）是無法直接與CDMA RUTER通訊的。CDMA RUTER主動向服務器發送數據進行連接。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據傳輸。

電源采用太陽能電池板配以蓄電池供電，可以適應測風系統所處的偏遠地帶。

現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是報文發送線程的流程圖。

4 結束語

本文開發的計算機遠程控制系統，可以實現對覆蓋方圓幾十公里地區的測風系統進行集中管理。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中各測風點的實時工作情況。利用計算機控制系統進行采集數據、存儲數據、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 報文發送線程的流程圖

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