一種基于GSM的風力發電機組監測系統的設計與研究

韓婧 胡蘭馨 楊靜遠

【摘要】 隨著新能源的不斷發展，其代替傳統的能源成為日后能源的主要來源將指日可待。風能作為一種新型的可再生能源，已經成為一種現代發電的重要形式。而風力發電機組往往建設于沙漠、戈壁、草原、沿海等風能資源豐富卻交通不便的地方，加大了維護的困難和成本。本文通過對風力發電機各部分數據的采集，設計一種基于GSM的檢測系統，旨在監測風力發電機組的工作狀態。

【關鍵詞】 風力發電 監測 GSM 無線傳輸 傳感器

一、引言

隨著風力發電機組的入網率不斷提高，越來越多的風能資源運用到現在的新能源發電當中，但因風力發電機組修建的環境惡劣、交通不便等因素，長期以來風力發電機一直采用計劃維修與事后維修的方式。這樣的方式不能及時了解到風力發電機組出現的故障，因而不能使其得到及時的維修，造成重大的不必要的損失。因此設計研究一種可以及時反映風力發電機組狀態的監測系統變得尤為重要。

二、設計方法及關鍵技術

2.1 檢測系統的基本原理及組成

如下圖1所示為該系統的設計框圖，該系統的組成主要分為發送和接收兩大部分。發送的信息內容由振動傳感器、轉動傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、風向傳感器、濕度傳感器等組成，利用單片機整合信息，將信息通過GSM模塊發送到接收端。接收端接收到信息后，將信息傳送到計算機，利用軟件把所得的數據保存并顯示。

2.2 風力發電機組故障分析及檢測方法

如下圖2所示風力發電機組最主要的為以下的幾個部分，葉片、輪轂、機箱、塔身。而這幾個部分都極易產生故障，需要對其進行監控以保證風力發電機組的正常運行。

葉片是風能轉化為電能的主要介質，它能否正常運行直接影響風力發電機能否正常工作，葉片在環境的影響下出現故障的可能性是最高的，因其尺寸較長，鑒別其是否出現裂痕、掉漆、斷裂等的現象比較困難，所以要使用設備自身的機械性能對其進行檢測。該機械性能為物體固有頻率，固有頻率是物體做自由振動時位移與時間按正弦規律變化的簡諧振動，它只與物體的形狀、材質、質量等系統固有特性有關，這些固有特性一旦發生變化其固有頻率也會相應的發生變化。

輪轂連接著葉片和機艙內的齒輪箱，一旦出現故障就會影響葉片轉動向齒輪箱的傳動，繼而導致葉片的突然停轉或齒輪打死等現象，因而需要在輪轂上加載轉動傳感器對輪轂的轉動進行檢測。

機艙中的齒輪箱同樣需要監控，齒輪在工作中的磨損影響著發電的效率，雖然小的磨損不會及時的影響到發電機組的運行，但是長久以往磨損越來越嚴重就會使齒輪咬合出現錯誤，同樣要想檢測到這些微小的變化要運用其自身的特性，需檢測其自身的固有頻率。

塔身的細小裂紋和因環境造成的損傷也影響著風力發電機自身的運行，裂紋不斷變大、損傷不斷加強，加上葉片轉動產生的離心力會使風力發電機組面臨倒塌的危險。同樣需要檢測其自身的固有頻率，確保第一時間發現問題。

因為風速、風向、溫度、濕度等環境因素也會影響測量結果，所以在風力發電機組上也需要安裝相應的傳感器以最終確定故障點的綜合考慮。

2.3 GSM無線傳輸技術

全球移動通信系統（Global System for Mobilecommunications，GSM）是一個蜂窩網絡，是當前應用最廣泛的移動電話標準之一。具有網絡容量大、穩定性強不易受干擾、信息靈敏等特點。本系統采用了GSM的短信功能進行無線數據傳輸，并通過GSM網絡及串口通訊將各個傳感器測量的數據傳送至PC機上保存并顯示。

本系統采用的GSM模塊為TC35，TC35是西門子公司的一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM模塊，它秉承了西門子一貫的優秀品質，易于集成，在遠程監控和無線公話以及無線POS終端等領域都發揮著重要作用，對該模塊具有的特點做如下說明：

信息傳送內容：語音和數據

頻段：雙頻GSM900MHz和DCS1800 MHz（Phase 2+）

SIM卡連接方式：外接

天線：由天線連接器連接外部天線

工作溫度：-20℃ to +55℃

短信息：MT，MO，CB和PDU模式

模塊復位：采用AT指令或掉電復位

2.4 單片機

本系統采用的單片機為STC系列芯片STC89C52，STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超高效的解決方案。

三、實施與實現

3.1 傳感器選擇

針對風力發電機組的不同位置的監控需要對上述的傳感器選擇如下：

振動傳感器

型號：801S振動傳感器

工作電壓：直流3-5V

特點：靈敏度可調（精調）、振動偵測范圍寬，無方向性、體積小安裝方便。

轉動傳感器

型號：HAL3144霍爾傳感器

工作電壓：4.5-24V

利用霍爾開關電路，當N極靠近它的印章面時，輸出低電平，當N極撤離后輸出高電平。這樣只要旋轉到N極時就表示轉動正常進行。

特點：小巧靈活、安裝便利、價格低廉。

溫度濕度傳感器

型號：AOSONG-AM2320-數字型溫濕度傳感器

傳感器包括一個電容式的感濕元件和_個高精度測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。

特點：品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高

風速傳感器

型號：WFS-1-4風速傳感器

測量范圍：1.0～60m/s

特點：RS485數字輸出、安裝方便、高耐候性、高強度、具有很好的耐惡劣環境的適應性

風向傳感器

型號：TX系列風向傳感器

測量范圍：8個方向/360度角

特點：外型小巧輕便，便于攜帶和組裝、殼體采用優質鋁合金型材，外部進行電鍍噴塑處理，具有良好的防腐、防侵蝕等特點，能夠保證儀器長期使用確保采集數據的準確性。

3.2 傳感器的安裝及調試

振動傳感器需要安裝在風力發電機組每一個葉片內部的空腔、齒輪箱、塔身中，為了達到統一的標準，對安裝的位置要有統一的規定。考慮到配重以及線路問題，測量葉片振動的傳感器需安裝到距輪轂10-15厘米的葉片內部；齒輪箱的振動傳感器需要將其安裝到齒輪箱底部；塔身的振動傳感器需要安裝到塔身的上、中、下三個位置；轉動傳感器需要套裝在輪轂上，保證對輪轂轉動的監測；風速傳感器與風向傳感器要加裝在機艙尾部；溫度傳感器與濕度傳感器要加裝在塔身中間。為保證信號發送的質量減少干擾，單片機與CSM模塊需要加裝在距地面2米高的塔身內部。

通過GSM模塊將信號發送到監測站，由監測站的GSM模塊將信號接收，并利用GSM與計算機的連接，將獲取到的數據通過軟件進行保存并顯示到軟件的界面當中，實現各機組各部分數據的采集。與正常工作時的數據進行對比，對出現超過正常偏差的機組和出現超正常偏差的部分進行標注并報警。該系統設定每10分鐘對各傳感器采集到的數據進行一次傳輸。

3.3 系統解面

如下圖3所示為該系統的整個界面，該界面顯示在一定的測量日期、測量時間下的機組信息。同時包含查詢、刪除、顯示當前、顯示今天所有信息的菜單，可以對出現問題的機組進行報警，并提供手動解除報警和手動關閉機組的選項。（下圖3中的數據僅代表測試系統正常工作時的數據，不能用來作為實際數值進行參考。）

四、效果評價

本文主要涉及領域為信號采集、遠距離無線通信、信號監測等領域。整套裝置有著方便、快捷、準確等特點，能夠及時發現風力發電機組的故障所在并報警，通過判斷故障原因進而遠程停車，這樣就能夠大大節約人力和物力資源。同時該系統能夠記錄所有數據從而能對每一臺機器的使用情況加以綜合判斷，由此確定每一臺機組的維護時間。

本文提到的各類傳感器的安裝位置及安裝種類對綜合判斷故障起到重要作用，能夠客觀的反應風力發電機組自身的機械性能，以及周圍環境對它的影響，這些數據對改進風力發電機組材料、線路、朝向等有著重要意義。

五、結語

隨著風力發電機裝機量的不斷增加，安裝環境的不斷多樣化，僅靠人力逐一排查故障已變得不再現實，不但花銷巨大而且不能夠及時發現故障位置。考慮到環境的多樣性、線路安裝的復雜性、線路檢修的困難性，提出依靠無線傳輸來傳遞信號，因此依靠這種遠程監測系統變得尤為重要。

該監測系統操作簡單、安裝方便，能夠實現對風力發電機組的監控，也可以根據測量的實際情況改變測量間隔，達到更加經濟有效的監控。同時該監測站的設立位置比較靈活，只要能夠滿足信息的正常傳輸即可。