風力發電機組狀態監測系統的設計

Design of the Wind Turbine Generator Condition Monitoring System

顏　喜1　張世軍2　蔣銀忠3　鄧艾東1

(東南大學火電機組振動國家工程研究中心1，江蘇 南京　210096；

江蘇蘇美達集團公司2，江蘇 南京　210018；江蘇省投資管理有限責任公司3，江蘇 南京　210005)

風力發電機組狀態監測系統的設計

Design of the Wind Turbine Generator Condition Monitoring System

顏喜1張世軍2蔣銀忠3鄧艾東1

(東南大學火電機組振動國家工程研究中心1，江蘇 南京210096；

江蘇蘇美達集團公司2，江蘇 南京210018；江蘇省投資管理有限責任公司3，江蘇 南京210005)

摘要：針對風力發電機組(WTG)布置分散、運行環境惡劣的特點，結合現代風力發電機組的發展需求,從數據采集分析等方面開展研究，研發出適合風力發電機組的多參數數據采集與分析儀。硬件開發平臺以ARM 為核心，并以 Windows CE 為嵌入式操作系統。著重分析了硬件系統開發平臺的外圍接口電路、模擬信號的預處理和通信接口的設計，并對軟件總體結構和開發流程進行設計。該系統可以解決目前風機故障頻發、故障不能及時得到處理的問題，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：風力發電機組(WTG)嵌入式系統EM9000狀態監測Windows CEGPRS模塊

Abstract：The wind turbine generator(WTG) features scattering arrangement, and operating in harsh environment, aiming at these conditions, Combining with the developing demands for modern WTG, the researched is conducted from data acquisition and analysis aspects, and the multi-parameters data acquisition and analyzer suitable for wind turbine generation units is developed. The hardware development platform based on ARM as the core is selected, and Windows CE is the embedded operating system of the platform. The development of the peripheral interface circuits of the hardware system developing platform, pre-processing of the analog signals and the communication interface is emphasized, and the overall software structure and developing flowchart are designed. The system solves the problem of frequent occurrence of faults, and the faults cannot be handled timely, it possesses broad applicable prospects.

Keywords：Wind turbine generator(WTG)Embedded systemEM9000Condition monitoringWindows CEGPRS module

0引言

隨著風電技術的逐漸成熟以及大容量機型在運行效率上的優勢，單機容量在兆瓦以上的機型成為市場主流。而大型風力發電機組(wind turbine generator,WTG)多應用于寬闊海域和邊遠地區，遠離監控中心,環境惡劣，分布面積廣，數量多且機械結構復雜。一旦出現故障，不僅需要昂貴的維修費用，而且因此產生的停機也將帶來很大的損失。要使大型風力發電設備更具競爭力，就必須提高其可靠性、高效性[1]。因此，風力發電機狀態監測和故障診斷技術的研究，具有重要的價值。

由于大型風機的結構復雜，需要監測的點很多，各個監測點的特征也各不相同，并且風機的運行高度一般達到幾十米，檢修不便。所以，監測系統必須能準確地反映出風機的運行狀態并根據傳輸的數據作出準確快速的處理，以適應風機的運行要求。

目前的微控制器開發系統中，嵌入式系統具有支持各種硬件資源、擴展性強、開發資源豐富，有利于縮短產品的開發周期，微處理器的處理速度快，便于數據處理，操作系統軟件資源豐富，可根據實際需要進行軟件編程等諸多優點[2]，能很好地滿足風電監測的要求。所以將嵌入式系統應用于風力發電狀態監測系統。本文基于嵌入式系統開發了風電機組嵌入式狀態監測系統。

1系統總體設計

嵌入式系統硬件包括嵌入式開發平臺、RAM存儲器、外圍處理設備、操作系統和應用軟件。基于ARM 技術的微處理器具有高效率、高可靠性、低功耗等優點。因此，本文采用基于ARM的嵌入式開發平臺作為核心硬件系統。嵌入式系統總體結構如圖1所示。

模擬電路部分主要包括振動信號、鍵相信號的預處理和采集。8路振動信號經預處理后送入8通道高速A/D轉換器，在同一觸發信號啟動下開始并行同步采樣，以確保同一軸系的振動信號相位的同步性。采集完畢后先暫存在數據緩存器中，采滿一個分析周期(如一個信號周期采樣64點，連續采樣16個周期，即每個通道信號采集1 024點)后，由CPLD發出讀取指令，一并將這批數據讀取至RAM，然后進行后續的數據處理。

鍵相信號的預處理包括閾值電平自動跟蹤電路和比較器整形電路。處理后的鍵相信號一路輸入CPU進行轉速/頻率測量，另一路輸入CPLD，由其內部已設計好的數字鎖相倍頻器產生高頻的振動信號A/D轉換觸發信號。這是實現8通道振動信號同步整周期采樣的關鍵環節。

所有旋轉機械狀態信號的采集、計算、FFT運算等都由嵌入式系統來完成，計算出的狀態數據由以太網或無線通信接口接入狀態監測局域網。在工程師站上對風電場所有機組的振動信號進行監測和歷史數據存儲，并運用人工智能技術對振動故障進行趨勢分析和診斷。工程師站也可對采集系統的初試參數進行編程設置[3-4]。

硬件系統中所有芯片的片選信號、邏輯控制信號、A/D轉換控制、采集數據緩存與讀取、數字鎖相倍頻器等都是通過CPLD編程來實現。這可大大縮減電路板空間，使硬件系統布局緊湊，提高可靠性，降低功耗。

圖1　嵌入式系統總體框架圖

2系統硬件設計

2.1　嵌入式平臺介紹

嵌入式系統開發平臺是本系統的核心部分，其中的ARM芯片性能更是直接決定了整個系統的性能。本系統要求能夠實現現場操作和遠程監控，因此需要帶有LCD 實現人機交互，要有足夠的存儲空間，還要考慮采集數據的轉存和傳輸。最后，綜合考慮選擇EM9000嵌入式開發平臺。

EM9000是一款面向工業自動化領域的高端嵌入式模塊，其內核為32位ARM920T。CPU是Cirrus Logic的EP9315，主頻200 MHz，32 MB NOR Flash可外置CF卡。它預裝了微軟的Windows CE操作系統，用戶可在eVC集成開發環境中實現多線程的程序結構，同時在eVC環境中還可通過微軟的遠程調試工具來了解程序在EM9000的運行情況。EM9000帶有LCD專用接口，可直接與大多數數字TFT /LCD顯示屏相接。同時，EM9000帶有1個100 Mbit/s以太網接口、4個異步串口、2個HOST模式的USB接口、1個高速全雙工SPI以及1個CAN總線接口[5]。

2.2　嵌入式外圍設備

為了保障嵌入式系統能夠正常平穩地運行，需要提供多個電壓等級的穩定電源。傳感器測得的振動信號在進入后端處理器之前要進行一定的處理，采集來的信號要通過網絡端口實現通信傳輸等。這些功能由嵌入式外圍設備來完成。嵌入式開發平臺外圍設備包括電源、信號采集與處理設備、無線通信模塊、顯示器等。

2.2.1信號預處理設計

風電機組運行頻率較低，設其最大運行頻率為20 Hz，振動分析的諧波上限取32倍頻，則振動分析的上限頻率為640 Hz，下限設為1 Hz，因此頻響范圍(帶通截止頻率)約為0.4～800 Hz。為保證通帶內幅頻特性平穩光滑，濾波器設計為巴特沃斯型。其高通由運算放大器設計為二階有源巴特沃斯型高通濾波器，低通設計為八階自動跟蹤抗混疊濾波器，選用MAXIM公司的MAX291八階巴特沃斯型開關電容式有源低通濾波器來實現。配合CPLD中的數字倍頻功能，MAX291可以實現濾波帶的轉速自適應跟蹤。過程量信號近似為一個緩變的直流量，受到的干擾較小，因此設計一個截止頻率為1 Hz的二階有源低通濾波器即可。

輸入信號濾波后，還要經過放大、整形、積分等處理后才能進入A/D轉換器。該部分電路由市場上常見的運算放大器來實現。實現積分電路的運放應選用低失調電壓、低漂移、高穩定性運算放大器，這里選用OP系列的OPxx77、AD8599[6-7]。

2.2.2A/D轉換模塊

A/D轉換與保持電路是模擬電路的重要組成部分，采樣精度、通道、速率是選擇芯片的主要技術依據[7]。

對于振動信號的A/D轉換器，要求8通道同步采樣，可選擇1片8通道A/D芯片或2片4通道A/D芯片組合。本文選用MAX11046，其為8通道16位 A/D轉換器，同步采樣，每通道采樣速率達250 kS/s，可接收±5 V輸入。其他特征包括：4 MHz T/H輸入寬帶、內部時鐘、雙向并行接口輸出轉換結果，并可接受數字配置輸入；采用專門的供電電源，無需電瓶轉換器即可與主機連接[5]。

當有鍵相信號時，振動信號A/D轉換的觸發信號來自于鍵相信號經CPLD內的數字倍頻器倍頻2N倍后產生的A/D啟動控制脈沖。當無鍵相信號時，由CPU產生軟觸發信號啟動A/D轉換，以等時間間隔方式進行采集。對于4~20 mA信號形式輸入的負荷、溫度、壓力等參數，其輸入信號均為直流，需滿足測量誤差要求，一般<0.5%；轉換速率要求不高，可選擇MAX1308，該芯片為8通道12位 A/D轉換器。

2.2.3通信模塊

通信處理是風力發電機組狀態監測系統的重要組成部分。振動監測遠程數據傳輸網絡的主要形式包括有線傳輸和無線傳輸兩種。

本文中通信處理采用無線傳輸方式，通過GPRS模塊MC37i，利用GPRS移動數據通信服務網絡實現數據傳輸。該方法具有傳輸效率高、接入時間短、支持IP協議和X.25協議、網絡安全性高、系統建設和運營成本低、監測范圍廣、與Internet無縫連接等優點。具體的數據傳輸流程如圖2所示[8-9]。

圖2　通信模塊數據傳輸圖

2.2.4其他模塊

其他模塊主要包括電源、存儲模塊、顯示器等。根據系統實際需求，需提供5 V、3.3 V、±12 V等多個電源，可以由集成DC-DC來實現；存儲器采用外置CF卡；顯示器選用的是AT056TN52，5.6英寸(1英寸=25.4 mm)液晶顯示器，可以通過ZIF40管腳的軟帶連線與嵌入式開發平臺直接連接。

3軟件系統設計

嵌入式操作系統因具有軟件固化程度高、實時高效、專業性強、系統精簡等優點而被廣泛使用。目前，常用的嵌入式操作系統主要有：Windows CE、Linux、Psos、Android等。Windows CE是微軟開發的從整體上針對有限資平臺而設計的多任務、多線程、完整優先權的操作系統，具有占用資源少、易于移植、結構化模塊、支持多種工具開發等優點。

本文采用的嵌入式開發平臺EM9000以ARM9 CPU為處理核心，ARM9中內置了Windows CE操作系統，采用Microsoft embedded Visual C++(簡稱EVC)作為平臺的開發工具。EVC的使用與在標準的PC機上使用VC平臺開發基本一致。

3.1　Windows CE簡介與開發流程

Windows CE的層次結構主要包括硬件層、OEM層、操作系統層、應用層。其中的核心為操作系統層，它為下層提供服務和接口，同時為上層應用程序提供相應的API。在Windows CE開發平臺上編程時，常常會用到一些功能函數，各個函數的各項參數和具體定義可以根據函數的名稱在幫助文件中找到。

在Windows CE系統上開發應用軟件的流程主要包括如下步驟：①通過嵌入式平臺的網絡接口與開發主機建立連接；②在EVC編程軟件中編寫應用程序源代碼；③在開發主機上調試應用程序，并通過EVC在Windows CE操作系統中調試；④調試成功后將代碼導出固化。

3.2　數據采集處理程序

在A/D轉換器啟動之前，當有鍵相信號時，振動信號A/D轉換的觸發信號來自于鍵相信號經CPLD內的數字倍頻器倍頻2N倍后產生的A/D啟動控制脈沖。根據鍵相信號測得的轉速值，當轉速小于10 Hz時，N取6，即倍頻128倍；否則N取5，倍頻64倍。當無鍵相信號時，由CPU產生軟觸發信號啟動A/D轉換，以等時間間隔方式進行采集。一個周期采樣64個點，連續采樣16個周期為一個分析周期。采完一個周期后先暫存在數據緩存器中，當采滿一個分析周期后，由CPLD發出讀取指令，一并將這批數據讀取至擴展的RAM存儲器，然后進行后續的數據處理。A/D采集部分流程圖如圖3所示。

圖3　A/D采樣流程圖

對應的功能代碼如下。

① 從A/D轉換器讀取采樣數據

UINTI16read_AD(UINT16adr)

{

UINT16RECE_DATA;

Set_AD(addr);

RECE_DATA= AD_READ

Return RECE_DATA;

}

② 對A/D的寫入控制程序

ViodWrite_AD(UINT adr ,UINT16 dat)

{

Set_AD(adr);

AD_WRIT=dat;

}

3.3　網絡傳輸的實現

網絡傳輸選用GPRS無線網絡數據傳輸，采用MC37i模塊。該模塊直接固化在ETA203模塊中，可以直接通過ZIF40軟排插線與嵌入式開發平臺EM9000相連接。GPRS模塊主要通過EVC編碼進行調試等。部分EVC代碼如下。

void GPRS_PowerOff( )

{

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0x08 );

Sleep( 3000 );

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0 );

}

void GPRS_Reset( )

{

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0x04 );

Sleep(200 );

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0 );

}

voidGPRS_PowerOn( )

{

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0 );

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0x08 );

Sleep( 100 );

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0 );

Sleep( 100 );

}

調試、連接成功后，ISP 服務器向客戶機發送LCP配置包，客戶機必須根據PPP 協議的要求，完成配置，客戶機應主動向ISP 服務器發送PAP 請求包。在客戶機收到ISP 發送過來的PAO 確認包后，客戶機向ISP 發送配置IP 地址的請求包，ISP 給用戶分配IP 地址，并以IPCP 包的形式發送給客戶機。分配到IP 地址即表明GPRS 撥號上網已成功，然后與服務器建立TCP 連接，之后就可以使用TCP 協議發送和接收數據。測試數據如表1所示。

表1　測試數據

其中的接口是EM9000通過GPRS連接到互聯網時，分配給本地的IP地址，這條路由記錄的意思是：當要發送的數據包的IP地址不在系統的路由記錄中時，系統會將該數據包通過10.86.34.28這個接口直接發送出去，這個接口會將數據交付到下一個路由器處理。下一行中所示的路由記錄作為系統缺省路由記錄，發往外網的數據都將通過10.86.34.28這個接口發送出去，即通過GPRS發送。

4結束語

分布式網絡化的狀態監測系統，非常適合對分布的風力發電機組的運行狀態進行監測和診斷。本文設計了以EM9000嵌入式開發平臺為核心的基于ARM 的風電機組嵌入式狀態監測系統方案，并對系統的硬件構成進行了詳細設計，重點介紹了該系統中軟件構成部分中的通信處理與數據處理模塊。與其他風力發電機的狀態監測系統相比，該系統成本低、功耗小，運

行穩定，在進一步完善后值得在工程上推廣。

參考文獻

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中圖分類號：TH

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502020

國家自然科學基金資助項目(編號：51075068)。

修改稿收到日期：2014-07-02。

第一作者顏喜(1989-)，男，現為東南大學動力工程專業在讀碩士研究生；主要從事風力發電機組狀態監測系統的研究。