基于Sub-1 GHz的海上風電狀態監控節點設計

黃煊赫 姚曉東 韓文征?

摘 要：目前國內外海上風機的監控大多沿用陸上風電監控系統的有線通信方式，布線難度高且不利于擴建，大幅增加了海上風電的運維成本。針對以上問題，設計了一種基于Sub-1 GHz頻段的海上風電機組運行狀態監測傳感器節點。通過分析海上風電機組發生故障的類型，確定風電機組監測的關鍵測點，并設計了監控系統整體結構，通過分析某海上風電實際案例，設計了節點硬件電路，結合其組網運行的軟件設計，實現輕量級海上風電監控。實驗數據表明，所設計的無線傳感器節點功耗低、傳輸距離長，可滿足海上風電機組監控系統的需要。

關鍵詞：Sub-1 GHz;海上風電;監控節點;無線傳輸;監控系統;傳感器

中圖分類號：TP39;TN274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）05-00-03

0 引 言

在世界傳統能源形勢日益嚴峻的今天，各國越來越重視清潔能源的發展。在發展最快的風力發電領域，海上風力發電具有發電時間長、節省土地資源等優勢。但由于發電設備遠離大陸，海上環境惡劣多變，工作人員難以進行定期的巡回檢查，因此海上風電的運維成本居高不下，占到項目生命周期成本的18%～23%[1]。所以使用安全穩定的海上風電監測系統是降低海上風電成本的有效手段。

風力發電作為世界上發展最快的新能源發電技術，國內外對風力發電機組的數據采集及監視控制（SCADA）系統已經有了較為深入的研究，一批成熟可靠的有線通信系統已經得到了廣泛使用。目前海上風電仍沿用陸上風電場的監控手段，這種有線通信方式無法適應海上風電的特殊性，在海底布置線纜不僅難度大，還容易被海水腐蝕，導致海上風機故障頻發，造成很大的損失。其次，有線通信方式在面對較多機組時，數據傳輸質量受到影響。如今海上風機裝機容量不斷增加，海上風電場趨于大型化，有線通信方式顯然難以滿足海上風電監控系統的要求。

隨著物聯網技術的不斷發展，無線通信技術也被應用到風電監控領域[2-3]。汪科等提出一種基于3G網絡的風電故障檢測系統[4]。將設備在風電機組上采集到的數據，通過3G網絡傳輸給后臺進行分析處理，而3G網絡的質量取決于運營方基站信號的覆蓋，海上風電場往往離岸較遠，3G網絡信號較差，而且增設或改建3G基站的成本極高。秦旭斌針對這種狀況提出了一種基于ZigBee的海上風電長距離監控節點[5]，它不依賴大功率基站，可通過在風機上裝設傳感器節點與網關通信，具有功耗低、自組網、組建方便等優勢。但ZigBee作為一種短距離局域網技術，其傳輸距離即使加強功率也僅有數百米，難以滿足大型海上風電場的需求。

因此，本文提出一種基于Sub-1 GHz的海上風電監控系統無線傳感器網絡節點的設計。相比WiFi、藍牙與ZigBee技術，頻率更低的Sub-1 GHz頻帶通信具有更遠的通信距離以及更好的穿透力，并避開了較為擁堵的2.4 GHz頻帶，可通過跳頻等方式提供更好的抗干擾性。該節點基于TI-15.4Stack協議棧，組網方便，易于使用。本文首先介紹了監控系統的總體框架以及工作原理，再分別從硬件與軟件方面設計了系統的發射節點。經過實驗測試可知，該節點收發功率消耗低，傳播距離遠，可以實現輕量級海上風電監控。

1 系統總體結構

基于Sub-1 GHz節點的海上風電監控系統分為海上機組與岸邊后臺兩部分，包括安裝在機組與測控傳感器相接的發射節點，設置在岸邊用于接收集總數據的網關節點，以及用于提高中繼信號傳輸效率的中繼節點。

傳感器測點主要由轉速測點、振動測點與溫度測點組成，它們分布在風電機組的各個關鍵位置，用以反映設備運行時的狀態，并與發射節點相接以采集信號，將采集到的信號傳輸到發射節點上，發射節點對信號進行處理后通過無線網絡集中傳輸給岸邊后臺的網關節點，最后由網關通過以太網等上傳給集控中心進行檢測與分析。

2 系統硬件設計

某大型海上風電場北端距岸線8 km，南端距岸線13 km，由20臺3 MW風機分成三排布置，風機南北間距750 m，東西間距1.2 km。在保證傳輸速率的條件下，需滿足傳輸距離的要求，且盡可能減少中繼次數，兩節點間單條無線鏈路至少提供10 km鏈路長度。

本系統中的節點按功能劃分，主要分為發射節點、網關節點、中繼節點，不同節點在硬件方面雖然由于功能的區別在I/O拓展口等部分略有不同，但其核心MCU以及RF射頻模塊均采用同種配置，本文將以系統發射節點為例，介紹節點的相關電路設計。

系統發射節點直接與傳感器相連，傳感器數據經過MCU處理后傳輸給RF射頻模塊，變為射頻信號，射頻信號工作在Sub-1 GHz頻段，為了使系統傳輸距離能夠滿足海上風電監控場合的實際需要，通過功率放大器增強收發功率，最后經天線增益發送至網關節點，由網關節點上傳至集控中心，實現遠距離監控。系統的硬件結構如圖1所示。

本方案的各個節點均采用TI公司設計生產的CC1310超低功率無線微控制芯片，該芯片支持TI-15.4Stack協議棧，是一款高集成度的RF芯片，整合了完整的RF系統以及一個片上DC-DC。它搭載了ARM32位Cortex-M3處理器，功耗極低。其在射頻方面的最大優勢是優異的射頻靈敏度（50 kbps/-110 dBm）以及出色的阻斷性能，適合距離較遠的通信場合。

CC1310芯片支持1.8～3.8 V寬工作電壓，在本設計方案中采用3.7 V鋰電池供電，主控制器采用DC-DC電源工作模式，其供電接口電路示意圖如圖2所示。主電源部分經過磁珠與退耦電容的濾波，使芯片達到最好的射頻基帶性能。為了降低節點運行的功耗，本設計方案分別采用24 MHz與32.768 kHz兩塊主輔晶振作為時鐘源，系統休眠時低頻率輔助晶振工作，以減小電流。

為了能使節點滿足海上風電的通信距離要求，本方案加裝了獨立的RF射頻模塊，根據我國無線電管理相關功率限制，將提高節點射頻的發射功率至20 dBm，以確保射頻范圍能夠滿足海上風電運行的需要。本方案使用了SKYWORKS公司設計生產的SKY66115-11功放芯片，該芯片封裝了一個功率放大器及開關，同時還包括關機模式，可以最大程度降低功耗。該芯片與CC1310兼容性極好，能實現50 Ω負載阻抗最佳發射效率。在本設計方案中CC1310微控制芯片射頻接口采用外部偏置的單端接線模式，RF_N腳設置為單端模式下低噪聲放大器輸入，經由匹配電路連接到功放芯片的RX接口，在此端連接電感用于外部偏置電路，以增強靈敏度;RF_P腳作為輸出，通過隔直電容與功放芯片的TX接口相連。為了抑制帶外信號與通信設備相互干擾，傳輸路徑從功放芯片連出后進入節點前端，接入一個額外的低通濾波器電路以限制不必要的信號進入接收路徑，節點前端還裝設有一個小型螺旋線射頻天線以及一個天線匹配電路來提高信號的傳輸，對節點信號具有全向增益效果。另外，為了方便調試以及測試RF導通能力，節點前端還包括一個SMA接頭來連接測試設備。節點前端電路如圖3所示。

3 系統軟件設計

發射節點在系統中的主要功能是與岸邊后臺的無線接收網關連接，并周期性地將從傳感器采集到的數據經過一定處理傳輸給后臺網關節點。節點工作后，首先會對信道進行檢測，如果信道空閑將會對網關發送入網請求，直至網關收到請求并回復響應給節點即入網成功;如果未收到網關節點響應，將延遲一段時間后繼續發送入網請求。成功與網關節點建立連接之后，節點打開計時器并進入休眠模式，直至計時器喚醒模塊進行數據讀取與發送。在某些時候，后臺控制端需要手動對節點進行數據采集，如果收到后臺指令，節點被喚醒，并暫停自動計時器，進行數據交互。為了能準確進行定時的穩定監控，在入網成功并執行功能的K個周期后將重新進行網絡同步。在不進行數據收發的其他工作時間，發射節點將以超低功耗的休眠模式運行。發射節點的工作流程如圖4所示。

網關節點架設靠近岸邊，主要用來與海上風電機組發射節點進行無線網絡連接，集總數據并將數據上傳至后臺。網關節點長時間處于接收狀態，隨時偵聽發射節點的網絡請求，一旦收到入網請求，將立即給節點分配地址并向其返回工作信息。與發射節點成功建立網絡連接后進行信息同步，便可與節點進行雙向數據收發，以及控制指令的下達，節點傳來的數據將通過串口由以太網上傳至集控中心進行分析與處理。無線接收網關的工作流程如圖5所示。

4 測試結果

4.1 收發功耗測試

本設計方案采用3.7 V鋰電池供電，其最大發射功率為20 dBm，發射功率與電流關系見表1所列。節點與每小時與網關進行同步的接收電流為6.3 mA，用時40 ms。假設數據發射周期為60 s，發送耗時為42.4 ms，節點休眠電流為0.011 mA，則單個節點以最大功率工作一天僅發送與接收所消耗的電量約為1.66 mAh，由此可見，該節點進行收發時功率消耗較低。

4.2 通信距離測試

在海面上兩個節點間的通信距離決定了整個系統網絡的覆蓋范圍，待發射節點與接收節點成功建立網絡連接后，在視距內不斷拉開接收節點的距離，測試其接收信號強度指示RSSI以判斷連接質量。在該試驗中，發射節點天線距地平面高度為80 m，接收節點高度為10 m，頻段設置為433.29 MHz，波特率設置為高通信速率50 kbps。在10 km處，測得接收功率約為-84 dBm，接收機可以收到發射節點發送的數據，因此可以滿足預定的距離要求。

在實際測試中，節點可以根據需要調節傳輸速率，若將傳輸速率設置為4.8 kbps，那么接收機在20 km處仍可成功接收到發射信號。發射節點與接收節點的天線高度會對通信距離產生較大影響，將發射節點安裝在海上風電塔機較高處，會得到更理想的傳輸距離。在實際運用中，可以根據需要適當調節設備的位置以獲得更好的效果。

5 結 語

隨著物聯網技術的不斷發展，Sub-1 GHz頻段通信憑借其低功率、遠距離以及抗干擾性強的優點，不斷被應用于各種工業場合[6-8]。本文設計了一種基于Sub-1 GHz頻段的海上風電傳感器網絡節點，包括發射節點、網關節點以及中繼節點，并在軟件方面實現了節點的組網運行。該節點被應用于海上風電監控系統中，具有覆蓋廣、功耗低、穩定可靠等特點，有利于降低海上風電的運維成本，提高海上風機的運行效率。

參 考 文 獻

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