風力發電機組遠程狀態監測系統的設計

蘇繼恒 冉 濤 黨舒俊

（1.綏化學院電氣工程學院 黑龍江綏化 152061；2.國網河南省電力公司鄭州供電公司 河南鄭州 450006）

風能作為一種無污染、可再生的清潔能源，因其儲量巨大，利用相對方便，受到了很多國家的青睞。在相關政策的支持下，我國風電產業迅猛發展，并取得了巨大成就。目前，無論從技術上還是從產業規模上，我國的風力發電產業都已處于世界前列水平。中國的風電產業持續發展，也帶來了一些問題，由于風資源受到環境因素的限制，風場多數遠離城市，處于山地、草原和沙漠環境之中，大風、暴雨和熱干擾等惡劣天氣極易影響發電機和電力電子器件等風力發電機組的設備。在這種情況下，風力發電機組的各種故障容易發生，主要體現在葉片、齒輪箱、主軸承、發電機等部件。如果風機發生故障，可能使其工作效率低下，不僅造成長時間停機影響電網，甚至會造成設備失靈進而引發嚴重的環境污染和人員傷亡事故。

因此，為了確保風力發電機組穩定、可靠的運行，本文研究設計了一種風力發電機組狀態監測系統，該設計不僅可以監測機組各部件的狀態，及時檢測出機組故障，提醒工作人員采取措施解決故障，保證設備安全。而且降低了運行與維護的成本，對風電產業的發展有著積極的意義。

一、系統的硬件設計

（一）系統設計原理。如圖1所示，系統由數據檢測部分、數據處理部分和上位機組成。數據采集部分利用應力、加速度、溫度和霍爾等傳感器獲得風機葉片損傷、齒輪箱振動、潤滑油溫度和發電機轉速等信息；數據處理部分則利用MSP430單片機作為核心控制器來處理、儲存和顯示所采集到狀態信息；數據通過ZigBee模塊傳給上位機，上位機端接收實時數據；上位機將接收的數據進行管理、分析后，如有異常情況則進行報警處理。

圖1 系統原理框圖

（二）數據檢測部分。

1.葉片損傷檢測電路。結合風力葉片的實際情況，采用應變片電阻來檢測風力發電機葉片的狀態。由于葉片結構簡單，只需測量表面應力變化就可判斷葉片情況，而電阻式應變片的電阻值隨受力大小的變化而變化，且測量方法簡單，無需復雜算法，因此以電阻式應變片來檢測出葉片的形變和磨損情況。

選取的應變片型號為BF-1K，電阻值為1000±0.1歐姆，靈敏系數Ks=2.0±1%[1]。該應變片還具有自補償功能，能夠較好的避免溫度變化所產生的阻值漂移；工作溫度范圍廣，能適應風力發電機組復雜多變的工作條件。由于葉片受力形變所引起的應變片阻值變化非常微小，為獲取該傳感器的信號需要運用電橋電路使其擴大，如圖2所示。

圖2 葉片損傷檢測電路

2.齒輪箱振動檢測電路。為了對齒輪箱各部件的振動情況進行檢測，必須選擇一種高效、可靠的傳感器檢測方法，盡快發現齒輪箱可能存在的故障，故采用加速度傳感器來檢測齒輪箱各部件的振動情況。

如圖3所示，選取加速度計的型號為ADXL335，該加速度計可以測量傾斜測量中的靜態重力加速度，以及振動導致的動態加速度。加速度計內部的關鍵部件為差分電容，其由獨立固定板和運動質量塊組成。當測量加速度時，傳感器被固定在被測物體上面，物體的振動使加速度計相對運動，運動質量塊發生偏轉，導致差分電容失衡，從而輸出模擬電壓信號。特別適合齒輪箱這種對響應速度要求較快的場景。

圖3 齒輪箱振動檢測電路

3.潤滑油溫檢測電路。鉑熱電阻是一種正溫度系數的熱敏電阻，其阻值會隨著溫度的升高而逐漸變大，可以利用鉑熱電阻組成測溫電路。如圖4所示，選取鉑熱電阻的型號為PT100，鉑熱電阻PT100在0℃時，阻值為100Ω，其溫度范圍為-200℃～650℃[2]。由于溫度與其阻值的關系近似為線性，可以通過測量PT100的阻值，計算得出齒輪箱潤滑油溫。

圖4 潤滑油溫檢測電路

4.轉速檢測電路。由于風力發電機的工作環境密閉，沒有明顯光亮，容易產生灰塵，而霍爾傳感器為非接觸式測量，能在大部分場景中保持良好的工作狀態，故選擇霍爾傳感器來測量發電機的轉速。測速方法是將4小塊5mm×4mm×2.5mm的釹鐵硼C號磁鋼(兩極周圍磁感應強度大約為2500高斯)均分固定在轉盤上，再把轉盤固定在被測發電機的轉軸上，把霍爾傳感器放置于磁體的邊緣處，距離約為4mm或5mm[3]。

如圖5所示，傳感器選擇為ALLEGRO公司生產的A04E型開關霍爾傳感器。當轉軸開始轉動后，沒有磁鋼時A04E輸出高電平脈沖的時間為TH，有磁鋼時A04E輸出低電平的時間為TL，利用MSP430F149單片機的定時器捕獲功能，采用電平變換捕獲的工作方式，即可測量脈寬周期。

圖5 轉速檢測電路

5.發電機電壓檢測電路。如圖6所示，以A相電壓檢測電路為例，因為一般大型的風力發電機組額定線電壓為690V，故采用DVDI-001M臥式穿芯電壓電流通用互感器，為了防止電壓瞬時值過大對電路造成損害，在互感器后增加了一個壓敏電阻10D821K，當電壓低于壓敏電阻閾值時，流經電流極小，相當于阻值無窮大；當電壓超過閾值時，流過它的電流激增，相當于阻值無窮小，可以吸收多余的電流來保護電路[4]。

圖6 發電機電壓檢測電路

6.發電機電流檢測電路。如圖7所示，同樣采用DVDI-001M臥式穿芯電壓電流通用互感器，作電流互感器使用時，為了防止電壓瞬間過大對電路造成損害，在副邊也增加了一個壓敏電阻MVR1206-120G[5]。

圖7 發電機電流檢測電路

（三）數據處理部分。

1.單片機最小系統電路。控制器選取TI公司生產的16位MSP430F149單片機。其最小系統電路由MSP430F149單片機、時鐘、復位電路和JTAG接口電路等部分組成，具體電路如圖8。

圖8 MSP430F149最小系統電路

2.數據存儲電路。由于SD卡具有大容量、高性能、安全等特點，故選擇其作為數據儲存的核心。SD卡共支持三種數據傳輸模式：SPI（串行外設接口）、1位SD模式和4位傳輸模式[6]。本設計使用SPI模式的SD卡進行數據儲存，儲存容量可達32GB以上，最高通信速度可達18Mbps，每秒可傳輸數據2M字節以上，能夠較好的滿足設計要求，具體電路如圖9所示。

圖9 數據儲存電路

3.按鍵電路。按鍵電路如圖10所示，按鍵主要完成了對葉片狀態、發電機轉速、潤滑油溫度、齒輪箱振動、端電壓和電流的設置和查詢的功能。其中K1的功能為參數設置，K2的功能為顯示，K3的功能為查詢，K4的功能為停止。

圖10 按鍵電路

4.顯示電路。具體顯示電路如圖11所示，采用OCM12864液晶屏顯示系統檢測數據。其電源電壓+3.0～+5.5V，本文采用+3.3V供電；內置電壓轉換電路，無需外設電路；分辨率為128×64，內置漢字字庫，2MHz刷新頻率；通訊方式串行、并口可選，本文采用串口通訊；工作溫度0℃～55℃，存儲溫度-20℃～60℃。

圖11 顯示電路

5.ZigBee數據收發電路。如圖12所示，本設計采用CC2530F256為ZigBee模塊的核心控制器，采用增強型的8051單片機內核，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能的特點[7]。CC2530F256包含5路DMA(直接存儲器訪問)、基于IEEE802.5.4協議的MAC定時器和通用定時器、8路可配置分辨率的12位ADC、21個通用I/O端口、IEEE802.15.4兼容無線收發器等部分，能夠很好完成網絡的數據交互。

圖12 ZigBee數據收發電路

二、系統軟件設計

（一）單片機程序設計。如圖13所示為系統的主程序流程圖。首先，對系統進行初始化參數設置；其次，檢查傳感器等設備是否正常，如果有傳感器未響應或工作不正常，系統將自動計數并重新設置工作參數[8]；當再次確認故障發生時，系統報警并通過ZigBee模塊傳送至上位機；如果傳感器正常，單片機運行數據采集、儲存、顯示和ZigBee收發子程序，完成整個系統的運轉。

圖13 主程序流程圖

（二）上位機監測軟件設計。根據系統結構，采用LabVIEW軟件設計了系統的上位機監測界面，監測風力發電機組的部分參數，通過對這些參數的監測，使工作人員能更加直接對風力發電機組的狀態進行分析和研究[9]。軟件主要由登錄界面、風機選擇界面、數據監測界面和數據傳輸界面等部分組成。其中數據傳輸界面程序圖，如圖14所示[10]。

圖14 數據傳輸程序圖

如圖15為數據傳輸界面的前面板，工作人員可以通過此界面調試設備，查看串口輸出、串口輸入、傳感器數據和傳輸錯誤原因[10]。平時此界面不顯示，只有設備出現故障時，工作人員可以查看。

圖15 數據傳輸界面前面板

三、測試結果

上位機界面的顯示結果如圖16所示，主要是由參數顯示功能、故障報警功能、轉速波形顯示功能等部分組成。通過參數顯示功能，用戶可以在遠程計算機上獲取風力發電機組的運行狀態，當機組實測運行參數超過設定的報警值時，界面中的報警燈會開始報警；界面中還包含轉速波形顯示功能，可對發電機轉速波形圖進行實時監控，在波形圖右側配有圖形工具面板，用戶可以對波形圖進行放大、縮小和量程變換；上位機界面還具有Excel（電子表格）輸出功能，方便用戶對數據進行分析和運算。

圖16 數據監測結果

四、結論

隨著風力發電產業的快速興起和迅猛發展，風力發電機組的狀態監測技術也開始逐漸被世界各國所重視，本文針對風力發電機組的實際情況，設計了一種采用ZigBee技術的風機狀態監測系統。該系統由采集傳感器、單片機最小系統、ZigBee模塊和上位機監測界面等部分組成。通過對風力發電機組運行狀態的監測，使工作人員更好的對風力發電機組狀態進行分析和評估，從而保證設備安全。

雖然設計較好的完成了風力發電機組部分參數的狀態監測，但由于實驗環境條件的限制，距離真正工程化仍有部分差距，未來可以考慮升級控制核心，采用更加高級的處理器控制系統的運行，并搭載嵌入式操作系統對數據進行更加快速和靈活的處理；上位機界面則可通過更加專業的前端設計軟件完善系統結構。