風(fēng)電質(zhì)量云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

荊忠亮+++宋志強(qiáng)

摘 要：本研究項(xiàng)目是一種能夠利用企業(yè)云資源，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)及風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)與設(shè)計(jì)，它能利用企業(yè)云計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算及采集。其內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)終端采集模塊、高密度服務(wù)器、大容量存儲(chǔ)器、云服務(wù)軟件和企業(yè)應(yīng)用軟件。利用STM32嵌入式系統(tǒng)對(duì)各個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)方式傳入企業(yè)云網(wǎng)絡(luò)，得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果或?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于企業(yè)內(nèi)部的海量處理器里。可經(jīng)濟(jì)、快速、準(zhǔn)確的對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，大量復(fù)雜運(yùn)算由云網(wǎng)絡(luò)瞬間完成，成本低、高效、數(shù)據(jù)共享。是未來新能源分布式管理的方向。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；云計(jì)算；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 技術(shù)背景

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)新能源不斷需求，風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，越來越多受到青睞，大量風(fēng)機(jī)被投入并網(wǎng)運(yùn)行。然而，風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量產(chǎn)生的影響也越來越大。風(fēng)資源的不穩(wěn)定性和風(fēng)機(jī)本身的局限性使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率呈波動(dòng)性，直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，有必要對(duì)風(fēng)機(jī)輸出的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，把握各種指標(biāo)是否滿足用戶要求，從而為提高風(fēng)電質(zhì)量，改善風(fēng)電系統(tǒng)提供有力可靠的依據(jù)。

目前，風(fēng)電質(zhì)量的監(jiān)測(cè)仍存在幾個(gè)問題：（1）多數(shù)風(fēng)機(jī)沒有提供詳細(xì)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單的電壓有效值、電流有效值、功率等電能質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)不足以對(duì)實(shí)際風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行有效分析，而需要通過對(duì)風(fēng)機(jī)輸出電能質(zhì)量在一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)來獲得；（2）由于資源有限，多數(shù)風(fēng)機(jī)不提供對(duì)電壓、電流諧波、風(fēng)速、有功和無功的關(guān)系等電能質(zhì)量的分析功能；（3）風(fēng)力裝機(jī)容量的不斷增加和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)入網(wǎng)的影響造成的電力諧波不可忽視。

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)到了革命性時(shí)代，即“云時(shí)代”。云概念正在迅速的滲透到各行各業(yè)，能源管理的信息化必然成為未來發(fā)展方向。云監(jiān)測(cè)可以拋棄傳統(tǒng)模式下硬件和軟件的架構(gòu)，充分利用云資源，高效、經(jīng)濟(jì)、靈活的為風(fēng)電、光伏等新能源提供更有效、更科學(xué)的管理。

電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集通過分布式終端，與互聯(lián)網(wǎng)相連，使計(jì)算不依賴風(fēng)機(jī)本身或本地計(jì)算機(jī)以及遠(yuǎn)程服務(wù)器，而是分布在大量的網(wǎng)絡(luò)分布式計(jì)算機(jī)上，數(shù)據(jù)處理將與互聯(lián)網(wǎng)相似，根據(jù)要求提出計(jì)算數(shù)據(jù)和所需存儲(chǔ)。

這種模式使得本地硬件資源大大節(jié)省，風(fēng)機(jī)的監(jiān)控更加靈活，無需專門組建監(jiān)控系統(tǒng)。由于采用云計(jì)算模式，可高速處理海量數(shù)據(jù)，并實(shí)施存儲(chǔ)于云網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器，監(jiān)控質(zhì)量大幅度提升。

2 權(quán)利要求

（1）利用云計(jì)算，對(duì)各個(gè)云終端提供計(jì)算服務(wù)，實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)資源企業(yè)內(nèi)部共享。具備高密度服務(wù)器、海量存儲(chǔ)器、企業(yè)云平臺(tái)、云軟件服務(wù)、企業(yè)應(yīng)用軟件。（2）針對(duì)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)或光伏電站進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控。（3）分布式數(shù)據(jù)終端、STM32嵌入式操作系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)通信，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳并獲取計(jì)算。

3 發(fā)明內(nèi)容

由于風(fēng)機(jī)涉及企業(yè)私有數(shù)據(jù)和技術(shù)，建立在風(fēng)場(chǎng)的云架構(gòu)可采用“私有云”模式。在企業(yè)內(nèi)部構(gòu)建云平臺(tái)，配合分布式存儲(chǔ)，采用分布式數(shù)據(jù)采集終端并組網(wǎng)是風(fēng)機(jī)云監(jiān)測(cè)的基本底層架構(gòu)；中間層由定制化的應(yīng)用服務(wù)器組成；管理層可由企業(yè)信息中心集中管理。軟件可由云計(jì)算運(yùn)營(yíng)商提供相應(yīng)的專業(yè)軟件，或?yàn)槠髽I(yè)定制軟件。云架構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)是節(jié)省硬件，有效利用資源。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

除了與多數(shù)云架構(gòu)相似的地方外，主要的硬件區(qū)別體現(xiàn)在分布式數(shù)據(jù)采集終端。

如圖1所示，企業(yè)云架構(gòu)可由企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器及相關(guān)硬件網(wǎng)絡(luò)組成，數(shù)據(jù)采集監(jiān)控僅僅是企業(yè)云的服務(wù)對(duì)象之一。

風(fēng)機(jī)中的數(shù)據(jù)終端將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通訊方式實(shí)時(shí)上傳至企業(yè)云，硬件終端只負(fù)責(zé)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集，無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算就可以從云計(jì)算中快速得到高速的計(jì)算服務(wù)和相關(guān)數(shù)據(jù)。硬件終端也無需配置大容量存儲(chǔ)設(shè)備，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于企業(yè)云中的海量存儲(chǔ)器中，大量節(jié)省資源，數(shù)據(jù)可集中管理，隨時(shí)增減，并方便調(diào)用。集控中心或其它云用戶可在企業(yè)云中隨時(shí)得到任何一臺(tái)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

底層數(shù)據(jù)終端硬件采用STM32系列處理器為核心的數(shù)據(jù)采集通訊模塊，配合無線通訊接入企業(yè)云。企業(yè)內(nèi)部采用高密度服務(wù)器，將數(shù)量眾多的計(jì)算節(jié)點(diǎn)集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中，比傳統(tǒng)服務(wù)器的部署密度提高了數(shù)倍。高效、穩(wěn)定的海量存儲(chǔ)設(shè)備是企業(yè)云計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)。運(yùn)營(yíng)服務(wù)可提供方便的針對(duì)性的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)，大大節(jié)省企業(yè)資源?？煽康钠髽I(yè)應(yīng)用軟件是必不可少的組成部分，對(duì)企業(yè)內(nèi)部所有資源的整體把握后，可宏觀的對(duì)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)甚至多個(gè)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃和實(shí)時(shí)調(diào)整。

4 具體實(shí)施方式

圖2 終端數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)

如圖2，終端硬件采用STM32系列處理器為核心的數(shù)據(jù)采集模塊，外圍使用高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)采集到的模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過ADS轉(zhuǎn)換后變成串行數(shù)據(jù)輸入到FPGA進(jìn)行集中處理，數(shù)據(jù)打包后通過SI4432無線模塊接入網(wǎng)絡(luò)。得到的運(yùn)算結(jié)果可直接存儲(chǔ)在云網(wǎng)絡(luò)中或通過485接口網(wǎng)絡(luò)傳輸給當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)監(jiān)控中心，以備調(diào)用。

STM32對(duì)硬件任務(wù)協(xié)調(diào)管理，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)度和運(yùn)算要求進(jìn)行協(xié)調(diào)。終端本身不負(fù)責(zé)運(yùn)算，只提供運(yùn)算數(shù)據(jù)、運(yùn)算類型和運(yùn)算要求。主要計(jì)算包括：電網(wǎng)頻率計(jì)算、電壓電流有效值及其偏差計(jì)算、功率、功率因素及電能計(jì)算、功率及功率因素計(jì)算、電能計(jì)算、三相不平衡度計(jì)算、諧波分析等。外圍除了AD采樣電路外，還有人機(jī)交互模塊，可對(duì)終端發(fā)出命令，并實(shí)時(shí)調(diào)用采集參數(shù)和電能質(zhì)量情況。通訊模塊主要包括無線網(wǎng)絡(luò)模塊和485通訊模塊，對(duì)云網(wǎng)絡(luò)和本地網(wǎng)絡(luò)均可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。電源模塊可接入風(fēng)機(jī)的UPS電源，保證掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)立即丟失，及時(shí)對(duì)未處理完的數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)，并上報(bào)故障情況。

5 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的有益效果

對(duì)于風(fēng)資源的不穩(wěn)定性及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)本身的特性，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率呈波動(dòng)性，直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控后可以對(duì)輸出的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，確認(rèn)系統(tǒng)輸出的三相電流和頻率是否恒定，波形畸變率是否滿足要求，為發(fā)電質(zhì)量的改善和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障診斷及管理提供依據(jù)。云計(jì)算使得終端更加快速的將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，并可大量存儲(chǔ)，企業(yè)得到的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)不僅僅是穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，更多的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可隨時(shí)獲取，而無需增加終端的硬件負(fù)擔(dān)和存儲(chǔ)空間。endprint

摘 要：本研究項(xiàng)目是一種能夠利用企業(yè)云資源，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)及風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)與設(shè)計(jì)，它能利用企業(yè)云計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算及采集。其內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)終端采集模塊、高密度服務(wù)器、大容量存儲(chǔ)器、云服務(wù)軟件和企業(yè)應(yīng)用軟件。利用STM32嵌入式系統(tǒng)對(duì)各個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)方式傳入企業(yè)云網(wǎng)絡(luò)，得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果或?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于企業(yè)內(nèi)部的海量處理器里。可經(jīng)濟(jì)、快速、準(zhǔn)確的對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，大量復(fù)雜運(yùn)算由云網(wǎng)絡(luò)瞬間完成，成本低、高效、數(shù)據(jù)共享。是未來新能源分布式管理的方向。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；云計(jì)算；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 技術(shù)背景

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)新能源不斷需求，風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，越來越多受到青睞，大量風(fēng)機(jī)被投入并網(wǎng)運(yùn)行。然而，風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量產(chǎn)生的影響也越來越大。風(fēng)資源的不穩(wěn)定性和風(fēng)機(jī)本身的局限性使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率呈波動(dòng)性，直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，有必要對(duì)風(fēng)機(jī)輸出的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，把握各種指標(biāo)是否滿足用戶要求，從而為提高風(fēng)電質(zhì)量，改善風(fēng)電系統(tǒng)提供有力可靠的依據(jù)。

目前，風(fēng)電質(zhì)量的監(jiān)測(cè)仍存在幾個(gè)問題：（1）多數(shù)風(fēng)機(jī)沒有提供詳細(xì)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單的電壓有效值、電流有效值、功率等電能質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)不足以對(duì)實(shí)際風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行有效分析，而需要通過對(duì)風(fēng)機(jī)輸出電能質(zhì)量在一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)來獲得；（2）由于資源有限，多數(shù)風(fēng)機(jī)不提供對(duì)電壓、電流諧波、風(fēng)速、有功和無功的關(guān)系等電能質(zhì)量的分析功能；（3）風(fēng)力裝機(jī)容量的不斷增加和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)入網(wǎng)的影響造成的電力諧波不可忽視。

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)到了革命性時(shí)代，即“云時(shí)代”。云概念正在迅速的滲透到各行各業(yè)，能源管理的信息化必然成為未來發(fā)展方向。云監(jiān)測(cè)可以拋棄傳統(tǒng)模式下硬件和軟件的架構(gòu)，充分利用云資源，高效、經(jīng)濟(jì)、靈活的為風(fēng)電、光伏等新能源提供更有效、更科學(xué)的管理。

電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集通過分布式終端，與互聯(lián)網(wǎng)相連，使計(jì)算不依賴風(fēng)機(jī)本身或本地計(jì)算機(jī)以及遠(yuǎn)程服務(wù)器，而是分布在大量的網(wǎng)絡(luò)分布式計(jì)算機(jī)上，數(shù)據(jù)處理將與互聯(lián)網(wǎng)相似，根據(jù)要求提出計(jì)算數(shù)據(jù)和所需存儲(chǔ)。

這種模式使得本地硬件資源大大節(jié)省，風(fēng)機(jī)的監(jiān)控更加靈活，無需專門組建監(jiān)控系統(tǒng)。由于采用云計(jì)算模式，可高速處理海量數(shù)據(jù)，并實(shí)施存儲(chǔ)于云網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器，監(jiān)控質(zhì)量大幅度提升。

2 權(quán)利要求

（1）利用云計(jì)算，對(duì)各個(gè)云終端提供計(jì)算服務(wù)，實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)資源企業(yè)內(nèi)部共享。具備高密度服務(wù)器、海量存儲(chǔ)器、企業(yè)云平臺(tái)、云軟件服務(wù)、企業(yè)應(yīng)用軟件。（2）針對(duì)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)或光伏電站進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控。（3）分布式數(shù)據(jù)終端、STM32嵌入式操作系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)通信，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳并獲取計(jì)算。

3 發(fā)明內(nèi)容

由于風(fēng)機(jī)涉及企業(yè)私有數(shù)據(jù)和技術(shù)，建立在風(fēng)場(chǎng)的云架構(gòu)可采用“私有云”模式。在企業(yè)內(nèi)部構(gòu)建云平臺(tái)，配合分布式存儲(chǔ)，采用分布式數(shù)據(jù)采集終端并組網(wǎng)是風(fēng)機(jī)云監(jiān)測(cè)的基本底層架構(gòu)；中間層由定制化的應(yīng)用服務(wù)器組成；管理層可由企業(yè)信息中心集中管理。軟件可由云計(jì)算運(yùn)營(yíng)商提供相應(yīng)的專業(yè)軟件，或?yàn)槠髽I(yè)定制軟件。云架構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)是節(jié)省硬件，有效利用資源。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

除了與多數(shù)云架構(gòu)相似的地方外，主要的硬件區(qū)別體現(xiàn)在分布式數(shù)據(jù)采集終端。

如圖1所示，企業(yè)云架構(gòu)可由企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器及相關(guān)硬件網(wǎng)絡(luò)組成，數(shù)據(jù)采集監(jiān)控僅僅是企業(yè)云的服務(wù)對(duì)象之一。

風(fēng)機(jī)中的數(shù)據(jù)終端將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通訊方式實(shí)時(shí)上傳至企業(yè)云，硬件終端只負(fù)責(zé)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集，無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算就可以從云計(jì)算中快速得到高速的計(jì)算服務(wù)和相關(guān)數(shù)據(jù)。硬件終端也無需配置大容量存儲(chǔ)設(shè)備，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于企業(yè)云中的海量存儲(chǔ)器中，大量節(jié)省資源，數(shù)據(jù)可集中管理，隨時(shí)增減，并方便調(diào)用。集控中心或其它云用戶可在企業(yè)云中隨時(shí)得到任何一臺(tái)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

底層數(shù)據(jù)終端硬件采用STM32系列處理器為核心的數(shù)據(jù)采集通訊模塊，配合無線通訊接入企業(yè)云。企業(yè)內(nèi)部采用高密度服務(wù)器，將數(shù)量眾多的計(jì)算節(jié)點(diǎn)集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中，比傳統(tǒng)服務(wù)器的部署密度提高了數(shù)倍。高效、穩(wěn)定的海量存儲(chǔ)設(shè)備是企業(yè)云計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)。運(yùn)營(yíng)服務(wù)可提供方便的針對(duì)性的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)，大大節(jié)省企業(yè)資源?？煽康钠髽I(yè)應(yīng)用軟件是必不可少的組成部分，對(duì)企業(yè)內(nèi)部所有資源的整體把握后，可宏觀的對(duì)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)甚至多個(gè)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃和實(shí)時(shí)調(diào)整。

4 具體實(shí)施方式

圖2 終端數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)

如圖2，終端硬件采用STM32系列處理器為核心的數(shù)據(jù)采集模塊，外圍使用高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)采集到的模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過ADS轉(zhuǎn)換后變成串行數(shù)據(jù)輸入到FPGA進(jìn)行集中處理，數(shù)據(jù)打包后通過SI4432無線模塊接入網(wǎng)絡(luò)。得到的運(yùn)算結(jié)果可直接存儲(chǔ)在云網(wǎng)絡(luò)中或通過485接口網(wǎng)絡(luò)傳輸給當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)監(jiān)控中心，以備調(diào)用。

STM32對(duì)硬件任務(wù)協(xié)調(diào)管理，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)度和運(yùn)算要求進(jìn)行協(xié)調(diào)。終端本身不負(fù)責(zé)運(yùn)算，只提供運(yùn)算數(shù)據(jù)、運(yùn)算類型和運(yùn)算要求。主要計(jì)算包括：電網(wǎng)頻率計(jì)算、電壓電流有效值及其偏差計(jì)算、功率、功率因素及電能計(jì)算、功率及功率因素計(jì)算、電能計(jì)算、三相不平衡度計(jì)算、諧波分析等。外圍除了AD采樣電路外，還有人機(jī)交互模塊，可對(duì)終端發(fā)出命令，并實(shí)時(shí)調(diào)用采集參數(shù)和電能質(zhì)量情況。通訊模塊主要包括無線網(wǎng)絡(luò)模塊和485通訊模塊，對(duì)云網(wǎng)絡(luò)和本地網(wǎng)絡(luò)均可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。電源模塊可接入風(fēng)機(jī)的UPS電源，保證掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)立即丟失，及時(shí)對(duì)未處理完的數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)，并上報(bào)故障情況。

5 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的有益效果

對(duì)于風(fēng)資源的不穩(wěn)定性及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)本身的特性，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率呈波動(dòng)性，直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控后可以對(duì)輸出的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，確認(rèn)系統(tǒng)輸出的三相電流和頻率是否恒定，波形畸變率是否滿足要求，為發(fā)電質(zhì)量的改善和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障診斷及管理提供依據(jù)。云計(jì)算使得終端更加快速的將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，并可大量存儲(chǔ)，企業(yè)得到的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)不僅僅是穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，更多的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可隨時(shí)獲取，而無需增加終端的硬件負(fù)擔(dān)和存儲(chǔ)空間。endprint

摘 要：本研究項(xiàng)目是一種能夠利用企業(yè)云資源，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)及風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)與設(shè)計(jì)，它能利用企業(yè)云計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算及采集。其內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)終端采集模塊、高密度服務(wù)器、大容量存儲(chǔ)器、云服務(wù)軟件和企業(yè)應(yīng)用軟件。利用STM32嵌入式系統(tǒng)對(duì)各個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)方式傳入企業(yè)云網(wǎng)絡(luò)，得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果或?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于企業(yè)內(nèi)部的海量處理器里。可經(jīng)濟(jì)、快速、準(zhǔn)確的對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，大量復(fù)雜運(yùn)算由云網(wǎng)絡(luò)瞬間完成，成本低、高效、數(shù)據(jù)共享。是未來新能源分布式管理的方向。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；云計(jì)算；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 技術(shù)背景

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)新能源不斷需求，風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，越來越多受到青睞，大量風(fēng)機(jī)被投入并網(wǎng)運(yùn)行。然而，風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量產(chǎn)生的影響也越來越大。風(fēng)資源的不穩(wěn)定性和風(fēng)機(jī)本身的局限性使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率呈波動(dòng)性，直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，有必要對(duì)風(fēng)機(jī)輸出的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，把握各種指標(biāo)是否滿足用戶要求，從而為提高風(fēng)電質(zhì)量，改善風(fēng)電系統(tǒng)提供有力可靠的依據(jù)。

目前，風(fēng)電質(zhì)量的監(jiān)測(cè)仍存在幾個(gè)問題：（1）多數(shù)風(fēng)機(jī)沒有提供詳細(xì)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單的電壓有效值、電流有效值、功率等電能質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)不足以對(duì)實(shí)際風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行有效分析，而需要通過對(duì)風(fēng)機(jī)輸出電能質(zhì)量在一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)來獲得；（2）由于資源有限，多數(shù)風(fēng)機(jī)不提供對(duì)電壓、電流諧波、風(fēng)速、有功和無功的關(guān)系等電能質(zhì)量的分析功能；（3）風(fēng)力裝機(jī)容量的不斷增加和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)入網(wǎng)的影響造成的電力諧波不可忽視。

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)到了革命性時(shí)代，即“云時(shí)代”。云概念正在迅速的滲透到各行各業(yè)，能源管理的信息化必然成為未來發(fā)展方向。云監(jiān)測(cè)可以拋棄傳統(tǒng)模式下硬件和軟件的架構(gòu)，充分利用云資源，高效、經(jīng)濟(jì)、靈活的為風(fēng)電、光伏等新能源提供更有效、更科學(xué)的管理。

電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集通過分布式終端，與互聯(lián)網(wǎng)相連，使計(jì)算不依賴風(fēng)機(jī)本身或本地計(jì)算機(jī)以及遠(yuǎn)程服務(wù)器，而是分布在大量的網(wǎng)絡(luò)分布式計(jì)算機(jī)上，數(shù)據(jù)處理將與互聯(lián)網(wǎng)相似，根據(jù)要求提出計(jì)算數(shù)據(jù)和所需存儲(chǔ)。

這種模式使得本地硬件資源大大節(jié)省，風(fēng)機(jī)的監(jiān)控更加靈活，無需專門組建監(jiān)控系統(tǒng)。由于采用云計(jì)算模式，可高速處理海量數(shù)據(jù)，并實(shí)施存儲(chǔ)于云網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器，監(jiān)控質(zhì)量大幅度提升。

2 權(quán)利要求

（1）利用云計(jì)算，對(duì)各個(gè)云終端提供計(jì)算服務(wù)，實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)資源企業(yè)內(nèi)部共享。具備高密度服務(wù)器、海量存儲(chǔ)器、企業(yè)云平臺(tái)、云軟件服務(wù)、企業(yè)應(yīng)用軟件。（2）針對(duì)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)或光伏電站進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控。（3）分布式數(shù)據(jù)終端、STM32嵌入式操作系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)通信，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳并獲取計(jì)算。

3 發(fā)明內(nèi)容

由于風(fēng)機(jī)涉及企業(yè)私有數(shù)據(jù)和技術(shù)，建立在風(fēng)場(chǎng)的云架構(gòu)可采用“私有云”模式。在企業(yè)內(nèi)部構(gòu)建云平臺(tái)，配合分布式存儲(chǔ)，采用分布式數(shù)據(jù)采集終端并組網(wǎng)是風(fēng)機(jī)云監(jiān)測(cè)的基本底層架構(gòu)；中間層由定制化的應(yīng)用服務(wù)器組成；管理層可由企業(yè)信息中心集中管理。軟件可由云計(jì)算運(yùn)營(yíng)商提供相應(yīng)的專業(yè)軟件，或?yàn)槠髽I(yè)定制軟件。云架構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)是節(jié)省硬件，有效利用資源。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

除了與多數(shù)云架構(gòu)相似的地方外，主要的硬件區(qū)別體現(xiàn)在分布式數(shù)據(jù)采集終端。

如圖1所示，企業(yè)云架構(gòu)可由企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器及相關(guān)硬件網(wǎng)絡(luò)組成，數(shù)據(jù)采集監(jiān)控僅僅是企業(yè)云的服務(wù)對(duì)象之一。

風(fēng)機(jī)中的數(shù)據(jù)終端將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通訊方式實(shí)時(shí)上傳至企業(yè)云，硬件終端只負(fù)責(zé)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集，無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算就可以從云計(jì)算中快速得到高速的計(jì)算服務(wù)和相關(guān)數(shù)據(jù)。硬件終端也無需配置大容量存儲(chǔ)設(shè)備，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于企業(yè)云中的海量存儲(chǔ)器中，大量節(jié)省資源，數(shù)據(jù)可集中管理，隨時(shí)增減，并方便調(diào)用。集控中心或其它云用戶可在企業(yè)云中隨時(shí)得到任何一臺(tái)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

底層數(shù)據(jù)終端硬件采用STM32系列處理器為核心的數(shù)據(jù)采集通訊模塊，配合無線通訊接入企業(yè)云。企業(yè)內(nèi)部采用高密度服務(wù)器，將數(shù)量眾多的計(jì)算節(jié)點(diǎn)集成在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中，比傳統(tǒng)服務(wù)器的部署密度提高了數(shù)倍。高效、穩(wěn)定的海量存儲(chǔ)設(shè)備是企業(yè)云計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)。運(yùn)營(yíng)服務(wù)可提供方便的針對(duì)性的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)，大大節(jié)省企業(yè)資源?？煽康钠髽I(yè)應(yīng)用軟件是必不可少的組成部分，對(duì)企業(yè)內(nèi)部所有資源的整體把握后，可宏觀的對(duì)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)甚至多個(gè)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃和實(shí)時(shí)調(diào)整。

4 具體實(shí)施方式

圖2 終端數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)

如圖2，終端硬件采用STM32系列處理器為核心的數(shù)據(jù)采集模塊，外圍使用高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)采集到的模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過ADS轉(zhuǎn)換后變成串行數(shù)據(jù)輸入到FPGA進(jìn)行集中處理，數(shù)據(jù)打包后通過SI4432無線模塊接入網(wǎng)絡(luò)。得到的運(yùn)算結(jié)果可直接存儲(chǔ)在云網(wǎng)絡(luò)中或通過485接口網(wǎng)絡(luò)傳輸給當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)監(jiān)控中心，以備調(diào)用。

STM32對(duì)硬件任務(wù)協(xié)調(diào)管理，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)度和運(yùn)算要求進(jìn)行協(xié)調(diào)。終端本身不負(fù)責(zé)運(yùn)算，只提供運(yùn)算數(shù)據(jù)、運(yùn)算類型和運(yùn)算要求。主要計(jì)算包括：電網(wǎng)頻率計(jì)算、電壓電流有效值及其偏差計(jì)算、功率、功率因素及電能計(jì)算、功率及功率因素計(jì)算、電能計(jì)算、三相不平衡度計(jì)算、諧波分析等。外圍除了AD采樣電路外，還有人機(jī)交互模塊，可對(duì)終端發(fā)出命令，并實(shí)時(shí)調(diào)用采集參數(shù)和電能質(zhì)量情況。通訊模塊主要包括無線網(wǎng)絡(luò)模塊和485通訊模塊，對(duì)云網(wǎng)絡(luò)和本地網(wǎng)絡(luò)均可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。電源模塊可接入風(fēng)機(jī)的UPS電源，保證掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)立即丟失，及時(shí)對(duì)未處理完的數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)，并上報(bào)故障情況。

5 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的有益效果

對(duì)于風(fēng)資源的不穩(wěn)定性及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)本身的特性，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率呈波動(dòng)性，直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控后可以對(duì)輸出的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，確認(rèn)系統(tǒng)輸出的三相電流和頻率是否恒定，波形畸變率是否滿足要求，為發(fā)電質(zhì)量的改善和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障診斷及管理提供依據(jù)。云計(jì)算使得終端更加快速的將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，并可大量存儲(chǔ)，企業(yè)得到的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)不僅僅是穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，更多的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可隨時(shí)獲取，而無需增加終端的硬件負(fù)擔(dān)和存儲(chǔ)空間。endprint