基于DSP的風(fēng)力發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測分析系統(tǒng)設(shè)計

趙宏飛，馬宏忠，時維俊，朱躍光

（河海大學(xué)，南京 210098）

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，作為綠色能源的風(fēng)能已受到世界各國的高度關(guān)注和重視。2009年，全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量已達(dá)到159213MW，新增裝機(jī)容量38312MW，增長率為31.7%。根據(jù)目前的增長趨勢，世界風(fēng)能協(xié)會預(yù)測，截止到 2020年底，全球裝機(jī)容量至少為 1.9×106MW[1]。然而風(fēng)電場一般地處偏遠(yuǎn)地區(qū)、環(huán)境惡劣，給機(jī)組的維護(hù)維修工作造成了困難，增加了機(jī)組的運行維護(hù)成本。因此，如何保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運行，高效地利用風(fēng)力資源已經(jīng)成為非常重要的一個課題。

針對以上問題，本文設(shè)計一種采用32位DSP處理器TMS320F2812（以下簡稱F2812）作為主控芯片，融合GPRS通信方式。具有很強(qiáng)操作性的遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)測和分析系統(tǒng)[2-3]。F2812是一種新型高性能32位定點數(shù)字信號處理器，最高運行頻率可以達(dá)到 150MHz，保證裝置有足夠的運算能力。該系統(tǒng)主要由監(jiān)測終端（采集模塊）、GPRS通信模塊、客戶端（監(jiān)控中心）等3部分組成，通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計

風(fēng)力發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測分析系統(tǒng)總體設(shè)計如圖 1所示，系統(tǒng)由監(jiān)測終端、GPRS無線通信模塊和客戶端3部分組成。監(jiān)測終端通過傳感器檢測各項指標(biāo)，經(jīng)過F2812進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步處理后，利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端。同時，客戶端也可向監(jiān)控終端發(fā)送查詢和控制命令，監(jiān)測終端一旦收到命令后，將根據(jù)命令要求返回當(dāng)前的狀態(tài)信息，然后發(fā)送給客戶端或?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的操作。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖

在客戶端的監(jiān)控中心，客戶端的工作人員在客戶機(jī)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和分析，并將傳送的信號數(shù)據(jù)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出設(shè)備的運行狀態(tài)和潛在故障信息。最后監(jiān)控人員根據(jù)比較的結(jié)果最終給出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運行狀況分析表。

計算機(jī)的數(shù)據(jù)分析比較過程主要是辨別 3類過程狀態(tài)(正常、預(yù)警、異常)，如使用G表示實時監(jiān)測值，Y表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)預(yù)警值，R表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)異常值。當(dāng)G＜Y時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行正常；Y＜G＜R時，監(jiān)控設(shè)備發(fā)出警報，監(jiān)控人員必須密切關(guān)注運行狀況；G＞R時，可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動停機(jī)，等待工作人員的檢修。

2 監(jiān)測終端的設(shè)計

監(jiān)測終端系統(tǒng)利用 F2812豐富的外設(shè)模塊實現(xiàn)下位機(jī)模擬量采集、數(shù)字量輸入/輸出、信號的快速傅里葉變換以及GPRS通信。圖2為設(shè)計出的基于F2812為主控芯片的監(jiān)控終端原理框圖。

圖2 監(jiān)測終端原理框圖

監(jiān)控終端的工作過程描述如下：首先對輸入的模擬量信號進(jìn)行調(diào)理，將電壓調(diào)理到適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606可接受的范圍，AD7606將轉(zhuǎn)換的結(jié)果傳輸給F2812，然后在 DSP系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)頻域變換以及原始數(shù)據(jù)的存儲。最后通過GPRS DTU模塊利用無線通訊方式發(fā)送到監(jiān)控中心的客戶端。

電流電壓從現(xiàn)場電流電壓互感器副方引出，根據(jù)電力系統(tǒng)運行規(guī)范，電流電壓互感器副方輸出范圍是：電壓是 100V，電流是 5A。因此對電壓的測量直接使用帶隔離的瞬態(tài)電壓傳感器 LV100-100，而在對發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子電流信號進(jìn)行測量時，我們選用帶隔離的瞬態(tài)電流傳感器LA25-NP。LV100-100和LA-25-NP是瑞士LEM公司產(chǎn)品，具有原副方隔離，響應(yīng)速度快，非線性小等優(yōu)點，特別適用于電力、電機(jī)等電氣動態(tài)測量。溫度測量時，由于溫度的測量無需很高的精度和實時性要求，所以選用DS18B20集成溫度傳感器，其輸出結(jié)果為數(shù)字信號。它和DSP之間采用一條線的總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無需再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.1 DSP核心模塊

F2812芯片是美國德州儀器公司開發(fā)的應(yīng)用于控制領(lǐng)域的高端數(shù)字信號處理器，它把一個高性能的DSP內(nèi)核和微處理器以及片外設(shè)備集成為一個芯片。F2812集成有許多外設(shè)，提供了整套的片上系統(tǒng)，從而降低了系統(tǒng)成本，實現(xiàn)更簡單、高效的控制。另外，該器件還有3個獨立的32位CPU定時器，以及多達(dá)56個獨立編程的GPIO（通用輸入/輸出）引腳[4-6]。

F2812實現(xiàn)下位機(jī)模擬量采集、數(shù)字量輸入/出、數(shù)據(jù)存儲、快速傅里葉變換、GPRS通信等功能。

2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊

ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）是數(shù)據(jù)采集電路的重要組成部分，在整個系統(tǒng)中占有重要的地位。在設(shè)計時，選用了美國ADI公司最新推出的新一代8通道雙極性同步采樣AD7606，其采用5V單電源供電，并支持真正±10V或±5V的雙極性信號輸入。AD7606與F2812的連接電路如圖3所示[7]。

圖3 AD7606和F2812的連接電路

實驗時，我們選取輸入范圍是±10V，因此AD7606傳遞函數(shù)為：

式中：CODE為16位二進(jìn)制輸出補碼；VIN為輸入電壓，可正可負(fù)；REF為參考電壓，選取的是2.5V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。

所有通道均能以高達(dá)200ksps的速率進(jìn)行采樣。由于在 AD7606內(nèi)部的信號調(diào)理電路中，已經(jīng)包含了低噪聲、高輸入阻抗的信號調(diào)理電路。同時輸入端集成了濾波器，簡化了前端設(shè)計，不再需要外部驅(qū)動和濾波電路。而且AD7606提供了過采樣和數(shù)字濾波功能。在運行時，F(xiàn)2812通過對管腳OS[2:0]控制就能設(shè)置過采樣倍數(shù)(OSR)為x2, x4, x8, x16, x32, x64。過采樣打開后，內(nèi)部的過采樣控制電路和1階Sinc數(shù)字濾波器會自動被使能。因此，F(xiàn)2812在處理信號時無需再進(jìn)行數(shù)字濾波，節(jié)省了大量時間。

2.3 存儲模塊

監(jiān)測終端除了將采集的數(shù)據(jù)通過無線傳送方式傳送到客戶端外，還要將原始數(shù)據(jù)直接存儲，以便日后查看數(shù)據(jù)。

由于電力系統(tǒng)的頻率為50Hz，為了方便檢測諧波，每周期采樣128點，即采樣頻率為：

而對數(shù)據(jù)的采集是每分鐘采集一次，一次連續(xù)采集5個周期，因此一天的數(shù)據(jù)量為14M左右，如果要存儲幾年的采樣數(shù)據(jù)，就需要大容量存儲設(shè)備。目前常用的有U盤、FLASH芯片、SD卡等，它們各有優(yōu)點，而最適合單片機(jī)系統(tǒng)的就是SD卡，它不僅容量可以做到很大（32Gb以上），而且支持SPI接口，可以方便地和F2812通過SPI接口進(jìn)行通信，而且方便移動，編程也比較簡單。SPI連接模式如圖4所示。

圖4 SD卡和F2812的SPI連接模式

3 無線通信模塊

為實現(xiàn)現(xiàn)場和客戶端的通訊，我們選取了北京天同誠業(yè)科技有限公司W(wǎng)G-8010GPRS DTU無線通訊模塊，實現(xiàn)監(jiān)測終端與客戶端的數(shù)據(jù)通信。用戶只需設(shè)置一些參數(shù)就可以實現(xiàn)將嵌入式系統(tǒng)直接與 Internet相連，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互連互通，該模塊外觀如圖5所示。

圖5 WG-8010GPRS DTU無線通訊模塊

GPRS模塊實現(xiàn)監(jiān)控中心主站與監(jiān)控終端的通訊。監(jiān)控終端上電后，GPRS模塊會根據(jù)預(yù)先設(shè)定在其內(nèi)部的IP地址或域名來主動訪問網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器，通過代理服務(wù)器和監(jiān)控中心建立TCP/IP鏈路。當(dāng)主站要向某個監(jiān)控終端提出數(shù)據(jù)請求時，它會根據(jù) IP地址和 ID號來找到對應(yīng)的終端。終端響應(yīng)后通過GRPS模塊把數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器端口再由端口映射轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心主站即完成一個應(yīng)答式的通訊流程。

4 客戶端數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計

在客戶端，我們安裝了天同誠業(yè)公司開發(fā)的一款集群服務(wù)器應(yīng)用軟件——Comway無線串口軟件，通過上網(wǎng)就可以利用無線串口軟件接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再利用Visual FoxPro數(shù)據(jù)庫軟件建立的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、曲線繪制以及報表打印等功能，數(shù)據(jù)庫的界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫顯示窗口

客戶端是風(fēng)力發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，由應(yīng)用程序服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)、參數(shù)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，以及出現(xiàn)故障的風(fēng)力發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)操作等功能。

5 軟件設(shè)計

5.1 監(jiān)測終端系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。

主程序完成對系統(tǒng)的初始化，設(shè)定各種標(biāo)志位和相應(yīng)狀態(tài)寄存器，然后等待中斷，判斷數(shù)據(jù)是否采集完畢，在數(shù)據(jù)采集完后跳轉(zhuǎn)至運算子程序，進(jìn)行后續(xù)的計算工作。DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時由定時器輸出觸發(fā)信號作為A/D轉(zhuǎn)換的啟動信號，轉(zhuǎn)換完成后標(biāo)志位置位。DSP查詢到標(biāo)志位后，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖7 系統(tǒng)軟件程序流程圖

5.2 FFT頻域變換算法

由于故障診斷對監(jiān)測實時性的要求，系統(tǒng)軟件算法的運行效率就要很高，所以必須對FFT算法進(jìn)行優(yōu)化。采用了TI公司的FFT Library[8]庫進(jìn)行頻域變換，其采用匯編語言實現(xiàn)，代碼執(zhí)行效率高、實時性好，而且結(jié)構(gòu)更加合理。算法流程如圖7所示：

圖8 FFT算法流程圖

FFT Library庫可在TI的網(wǎng)站上下載。解壓安裝后到C: idcsc28dsp_tbosfft中，其提供了128點、256點、512點和1024點FFT計算模塊，這些模塊支持F2812的C調(diào)用形式。將文件fft.1ib和頭文件fit.h添加到工程中后，即可通過調(diào)用函數(shù)來使用。

6 結(jié)語

本文從對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和分析目標(biāo)出發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于F2812的具有多通道數(shù)據(jù)采集分析功能的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測分析系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，維護(hù)人員就可以在監(jiān)控中心對各風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，這樣就免去了對各個風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)場定期檢查和巡視，特別是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生運行異常時，運行維護(hù)人員能及時地收到報警信息，及時處理，避免出現(xiàn)故障而影響系統(tǒng)的安全運行。

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