CN102541042B - 基于物联网的离网型小型风电站监控系统及其监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电技术领域，更具体地说涉及离网型小型风电站的监控技术领域，是一种基于物联网和云计算技术、面向多区域多机组的离网型小型风电站监控系统及其监控方法。包括风电机组、无线传感器网络、集线器、工控机、服务器和用户端；风电机组包括风力机主体、塔杆和控制供电系统；风力机主体包括风轮、发电机、回转体和减震器；其监控方法：1）无线传感器网络对风速、风向和塔杆振动情况进行数据采集和传输；2）检测电流、电压；3）风机控制器对2）所检测到电流、电压解析并处理；4）集线器和工控机进行数据交互；5）工控机对4）数据存储、分析并传至服务器；6）用户端通过有线或无线形式访问服务器。

Description

基于物联网的离网型小型风电站监控系统及其监控方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，更具体地说涉及离网型小型风电站的监控技术领域，是一种基于物联网和云计算技术、面向多区域多机组的离网型小型风电站监控系统及其监控方法。

背景技术

风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁环保的可再生能源，将成为21世纪最主要的绿色能源之一。风况是影响风力发电设备效率的主要因素，年平均风速大于6m/s的地区适宜建造大型并网型风力发电场，而年平均风速为3~5m/s的地区由于风力小、不稳定，宜应用小型离网型风力发电设备。我国占全国土地76%的地区年平均风速都在3~5m/s，因此发展小型离网型风电站对我国有特别重要的意义。风力发电机组是风力发电站的关键设备，为了提高小型离网型风电站运行的安全可靠性和使用寿命，研究开发离网型小型风电机组的监控系统是一项十分重要的工作。

目前国内外在风电机组的在线监测、远程控制技术方面已经进行了一定的研究。国外许多大型风电厂都配置了风电机组状态监测系统，如Flender、Clipper、NRG等公司。国内外已有的风电机组监测系统和的风电机组监测方法大多是针对大型并网型风力发电机组设计的，而小型离网型风力发电机组与大型并网型风力发电机组在偏航系统等结构上有较大的差别，因而不适用于小型离网型风力发电机组。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种基于物联网的离网型小型风电站监控系统及其监控方法，使用无线传感器网络对风速、风向和塔杆振动情况进行数据采集和传输，通过有线方式采集发电机电流、发电机电压、蓄电池组电压等数据汇总给风机控制器；当所采集的数据超过预先设定的安全值时风机制控制器对风机实施刹车和卸荷等保护性措施；将本地各风电机组的运行数据经集线器汇总至工控机，工控机再将数据上传至服务器，通过服务器提供的存储计算统计功能可以在线实时查询各风电机组当前和历史运行数据、实现危险预警和进行远程开关机控制；本发明实现了面向多区域多机组的小型离网型风电机组在线监控。

基于物联网的离网型小型风电站监控系统及其监控方法是采取以下技术方案实现的：基于物联网的离网型小型风电站监控系统包括风电机组、无线传感器网络、集线器、工控机、服务器和用户端；风电机组包括风力机主体、塔杆和控制供电系统；风力机主体包括风轮、发电机、回转体和减震器；控制供电系统包括刹车控制器、风机控制器、蓄电池组、逆变器和卸荷箱；风力机主体安装在室外塔杆上，控制供电系统、集线器和工控机安装在控制室内，风电机组发电机发出的交流电经风机控制器整流变成直流电并储存在蓄电池组内，蓄电池组输出的直流电经过逆变器逆变成交流电后供给用电电器工作；风电机组发电机和蓄电池组分别通过电缆与风机控制器相连接，风机控制器内装有电压传感器和电流传感器。

无线传感器网络由至少两个无线传感器节点构成，无线传感器节点具有信号采集、自组网和无线通信功能，无线传感器网络对风速、风向和塔杆振动情况进行数据采集和传输。无线传感器节点包括终端节点和汇聚节点，终端节点安装在风电机组的塔杆顶部的维修平台上，汇聚节点安装在风电机组控制室内；在所述终端节点内根据实际需要安装相应的传感器用于监测风机的运行情况，所安装的传感器至少包括风速传感器、风向传感器和振动传感器；终端节点周期性地采集风速、风向和塔杆振动等数据，并将采集到的数据经Zigbee协议无线发送给汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据经RS485协议有线传输给集线器。集线器汇总各风机控制器和汇聚节点的采集数据，并和工控机进行数据交互。工控机对集线器上传的数据进行存储、分析并将数据经Internet或GPRS传输至服务器，当工控机检测到风速或振动超过工控机内的预设值时，工控机向风机控制器发出指令控制风机刹车。

所述的汇聚节点和终端节点构成星型拓扑，一个汇聚节点最多可带255个终端节点。 

风机控制器内装有的电压传感器和电流传感器可以实时检测发电机电流、发电机电压和蓄电池组电压，当所检测到的数据超过风机控制器内预先设定的安全值时，风机制控制器对风机实施刹车和卸荷等保护性措施；所述的刹车过程为：风机控制器发出信号给刹车控制器，刹车控制器驱动电动推杆，使得风电机组刹车；所述的卸荷过程为：风机控制器停止向蓄电池组充电，并将风机发出的电能通过卸荷箱消耗掉。  

在服务器中安装有数据存储模块、统计查询模块、预警模块和交互模块，能够实时监控连接到服务器上的各风电机组的运行情况。数据存储模块按数据属性自动归类存储；统计查询模块提供各类统计报告并可以根据查询内容自动生成和导出报表；预警模块对检测数据进行分析对可能出现的故障及时发出预警和报警；交互模块实现用户端和服务器的数据交互，从而实现对风电机组的远程监控。

所述的用户端为手机或计算机等终端设备；用户端通过有线或无线形式访问服务器，并可通过访问服务器内的交互模块控制风电机组的运行状态。用户端可以与服务器实现监控绑定功能，即将用户端的IP地址或手机号码与所需监控的风电机组建立对应关系，用于实时监控指定风电机组的运行状态。

所述的有线形式包括Internet等；所述的无线形式的传输协议包括Zigbee、GPRS、CDMA和LTE等协议。

所述的工控机的核心处理芯片可为Intel或AMD的单核或多核处理器。

所述的预警模块对检测数据分析判断后得出结论并实时将预警信息形式发送给已开启监控绑定功能的用户端，当用户端是手机时，预警信息将以短信形式发送。

所述预警模块将在线监测系统获得的各种检测数据与事先设定的阈值进行比较，若数据超过该范围，则发送命令给风机控制器采取相应的保护动作，比如当监测到蓄电池组电压过高则开始自动卸荷和刹车，当监测到蓄电池组电压过低则停止逆变器向外供电并提前向用户发出提示。

基于物联网的离网型小型风电站监控系统的监控方法包括如下步骤：

1）无线传感器网络对风速、风向和塔杆振动情况进行数据采集和传输：终端节点周期性地采集风速、风向和塔杆振动情况数据，并将采集到的数据经Zigbee协议无线发送给汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据经RS485协议有线传输给集线器。

2）风电机组发电机和蓄电池组分别通过电缆与风机控制器相连接，风机控制器内装有的电压传感器、电流传感器实时检测发电机电流、发电机电压和蓄电池组电压；

3）风机控制器对步骤2）所检测到的发电机电流、发电机电压和蓄电池组电压等数据进行解析，当所采集的数据超过风机控制器内预先设定的安全值时，风机制控制器对风机实施刹车和卸荷等保护性措施；所述的刹车过程为：风机控制器发出信号给刹车控制器，刹车控制器驱动电动推杆，使得风电机组刹车；所述的卸荷过程为：风机控制器停止向蓄电池组充电，并将风机发出的电能通过卸荷箱消耗掉。  

4）集线器和工控机间进行数据交互：集线器汇总步骤2）和步骤1）中各风机控制器和汇聚节点的采集数据，并将数据传输给工控机，同时，从用户端或工控机发出的风机刹车指令通过集线器分配给对应风机。

5）工控机对步骤4）中传输过来的数据进行存储、分析并实时将数据经Internet或GPRS传输至服务器。当工控机检测到风速或振动超过工控机内的预设值时，工控机向风机控制器发出指令控制风机刹车。

6）用户端通过有线或无线形式访问服务器，并通过访问服务器内的交互模块控制风电机组的运行状态；用户端与服务器实现监控绑定功能，即将用户端的IP地址或手机号码与所需监控的风电机组建立对应关系，实时监控指定风电机组的运行状态；并通过服务器在线实时查询各风电机组当前和历史运行数据、危险预警和进行远程开关机控制。

本发明针对小型离网型风力发电机组的特有结构，结合物联网和云计算技术、实现了可以面向多区域多机组的小型离网型风电站在线监控系统，本发明易于实施，经济高效，具有重要的实际应用价值。另外，还具备以下优点：

1、小型风电机组通常没有测风装置而采用尾舵或下风向变桨技术进行偏航对风，本发明通过部署无线传感器网络采集风速、风向、塔杆振动等信息用于对风电机组的安全监控，相比有线电缆采集信息的方式具有安装方便的特点，相比GPRS/CDMA等无线采集数据的方式无需向网络运营商缴纳网络使用费用，具有运行维护成本低的特点。

2、通过本发明实现的离网型小型风力发电站监控，可以以较低的成本提高风电站智能化控制水平，使用者可以通过电脑或手机等终端设备实时掌控风机运行状态和对风机进行远程开关机等操作，提高了风电机组运行的安全性和使用寿命。

3、风电机组生产厂商通过本系统可以有效的监控设备的运行情况，从而可以进行有针对性的设备维护，提高客户服务效率和水平，还可以通过本系统向潜在客户进行产品展示。

4、通过本系统进行的风况资料和风机运行参数统计对改进风机性能和研发新型风机设备具有重要价值。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图l是本发明基于物联网的离网型小型风电站监控系统的工作原理示意图。

图2是本发明基于物联网的离网型小型风电站监控系统的风电机组内信号采集及控制示意图。

图3是本发明基于物联网的离网型小型风电站监控系统的无线传感器网络结构示意图。

具体实施方式

参照附图1~3，基于物联网的离网型小型风电站监控系统包括风电机组1、无线传感器网络2、集线器3、工控机4、服务器5和用户端6；风电机组1包括风力机主体、塔杆和控制供电系统；风力机主体包括风轮、发电机、回转体和减震器；控制供电系统包括刹车控制器、风机控制器、蓄电池组、逆变器和卸荷箱；风力机主体安装在室外塔杆上，控制供电系统、集线器3和工控机4安装在控制室内，风电机组1发电机发出的交流电经风机控制器整流变成直流电并储存在蓄电池组内，蓄电池组输出的直流电经过逆变器逆变成交流电后供给用电电器工作；风电机组1发电机和蓄电池组分别通过电缆与风机控制器相连接，风机控制器内装有电压传感器和电流传感器。

无线传感器网络2由至少两个无线传感器节点构成，无线传感器节点具有信号采集、自组网和无线通信功能，无线传感器网络2对风速、风向和塔杆振动情况进行数据采集和传输。无线传感器节点包括终端节点和汇聚节点，终端节点安装在风电机组的塔杆顶部的维修平台上，汇聚节点安装在风电机组控制室内；在所述终端节点内根据实际需要安装相应的传感器用于监测风机的运行情况，所安装的传感器至少包括风速传感器、风向传感器和振动传感器；终端节点周期性地采集风速、风向和塔杆振动情况数据，并将采集到的数据经Zigbee协议无线发送给汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据经RS485协议有线传输给集线器3。集线器3汇总各风机控制器和汇聚节点的采集数据，并和工控机4进行数据交互，工控机4对数据进行存储、分析并实时将数据经Internet或GPRS传输至服务器5。当工控机4检测到风速或振动超过工控机内的预设值时，工控机向风机控制器发出指令控制风机刹车。

所述的汇聚节点和终端节点构成星型拓扑，一个汇聚节点最多可带255个终端节点。 

风机控制器内装有的电压传感器、电流传感器可以实时检测发电机电流、发电机电压和蓄电池组电压，当所检测的数据超过风机控制器内预先设定的安全值时，风机制控制器对风机实施刹车和卸荷等保护性措施；所述的刹车过程为：风机控制器发出信号给刹车控制器，刹车控制器驱动电动推杆，使得风电机组刹车；所述的卸荷过程为：风机控制器停止向蓄电池组充电，并将风机发出的电能通过卸荷箱消耗掉。  

在服务器5中安装有数据存储模块、统计查询模块、预警模块和交互模块，能够实时监控连接到服务器5上的各风电机组的运行情况。数据存储模块按数据属性自动归类存储；统计查询模块提供各类统计报告并可以根据查询内容自动生成和导出报表；预警模块对检测数据进行分析对可能出现的故障及时发出预警和报警；交互模块实现用户端6和服务器5的数据交互，从而实现对风电机组的远程监控。

所述的用户端6为手机或计算机等终端设备；用户端6通过有线或无线形式访问服务器，并可通过访问服务器5内的交互模块控制风电机组1的运行状态。用户端6可以与服务器5实现监控绑定功能，即将用户端6的IP地址或手机号码与所需监控的风电机组1建立对应关系，用于实时监控指定风电机组1的运行状态。

所述的有线形式包括Internet等；所述的无线形式的传输协议包括Zigbee、GPRS、CDMA和LTE等协议。

所述的工控机4的核心处理芯片可为Intel或AMD的单核或多核处理器。

所述的预警模块对检测数据分析判断后得出结论并实时将预警信息形式发送给已开启监控绑定功能的用户端6，当用户端6是手机时，预警信息将以短信形式发送。

所述预警模块将在线监测系统获得的各种检测数据与事先设定的阈值进行比较，若数据超过该范围，则发送命令给风机控制器采取相应的保护动作，比如当监测到蓄电池组电压过高则开始自动卸荷和刹车，当监测到蓄电池组电压过低则停止逆变器向外供电并提前向用户发出提示。

基于物联网的离网型小型风电站监控系统的监控方法包括如下步骤：

1）无线传感器网络2对风速、风向和塔杆振动情况进行数据采集和传输：终端节点周期性地采集风速、风向和塔杆振动情况数据，并将采集到的数据经Zigbee协议无线发送给汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据经RS485协议有线传输给集线器3。

2）风电机组发电机和蓄电池组分别通过电缆与风机控制器相连接，风机控制器内装有的电压传感器、电流传感器实时检测发电机电流、发电机电压和蓄电池组电压。

3）风机控制器对步骤2）所采集的发电机电流、发电机电压和蓄电池组电压等数据进行解析，当所采集的数据超过风机控制器内预先设定的安全值时，风机制控制器对风机实施刹车和卸荷等保护性措施；所述的刹车过程为：风机控制器发出信号给刹车控制器，刹车控制器驱动电动推杆，使得风电机组1刹车；所述的卸荷过程为：风机控制器停止向蓄电池组充电，并将风机发出的电能通过卸荷箱消耗掉。  

4）集线器和工控机间进行数据交互：集线器3汇总步骤2）和步骤1）中各风机控制器和汇聚节点的采集数据，并将数据传输给工控机，同时，从用户端或工控机发出的风机刹车指令通过集线器分配给对应风机。

5）工控机4对步骤4）中传输过来的数据进行存储、分析并实时将数据经Internet或GPRS传输至服务器。

6）用户端6通过有线或无线形式访问服务器5，并通过访问服务器5内的交互模块控制风电机组1的运行状态；用户端6与服务器5实现监控绑定功能，即将用户端6的IP地址或手机号码与所需监控的风电机组1建立对应关系，实时监控指定风电机组1的运行状态；并通过服务器5在线实时查询各风电机组当前和历史运行数据、危险预警和进行远程开关机控制。

Claims (8)

1.一种基于物联网的离网型小型风电站监控系统，其特征在于：包括风电机组、无线传感器网络、集线器、工控机、服务器和用户端；风电机组包括风力机主体、塔杆和控制供电系统；风力机主体包括风轮、发电机、回转体和减震器；控制供电系统包括刹车控制器、风机控制器、蓄电池组、逆变器和卸荷箱；风力机主体安装在室外塔杆上，控制供电系统、集线器和工控机安装在控制室内，风电机组发电机发出的交流电经风机控制器整流变成直流电并储存在蓄电池组内，蓄电池组输出的直流电经过逆变器逆变成交流电后供给用电电器工作；风电机组发电机和蓄电池组分别通过电缆与风机控制器相连接，风机控制器内装有电压传感器和电流传感器；

无线传感器网络由至少两个无线传感器节点构成，无线传感器节点包括终端节点和汇聚节点，终端节点安装在风电机组的塔杆顶部的维修平台上，汇聚节点安装在风电机组控制室内；在所述终端节点内根据实际需要安装相应的传感器用于监测风机的运行情况，所安装的传感器至少包括风速传感器、风向传感器和振动传感器；终端节点周期性地采集风速、风向和塔杆振动数据，并将采集到的数据发送给汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据传输给集线器；集线器汇总各风机控制器和汇聚节点的采集数据，并和工控机进行数据交互；工控机对集线器上传的数据进行存储、分析并将数据经Internet或GPRS传输至服务器，当工控机检测到风速或振动超过工控机内的预设值时，工控机向风机控制器发出指令控制风机刹车。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的离网型小型风电站监控系统，其特征在于：所述的汇聚节点和终端节点构成星型拓扑，一个汇聚节点最多带255个终端节点。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的离网型小型风电站监控系统，其特征在于：在所述的服务器中安装有数据存储模块、统计查询模块、预警模块和交互模块，实时监控连接到服务器上的各风电机组的运行情况。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的离网型小型风电站监控系统，其特征在于：所述的用户端为手机或计算机终端设备；用户端通过有线或无线形式访问服务器，并通过访问服务器内的交互模块控制风电机组的运行状态。

5.根据权利要求1或4所述的基于物联网的离网型小型风电站监控系统，其特征在于：所述的用户端与服务器实现监控绑定，即将用户端的IP地址或手机号码与所需监控的风电机组建立对应关系，实时监控指定风电机组的运行状态。

6.根据权利要求4所述的基于物联网的离网型小型风电站监控系统，其特征在于：所述的有线形式包括Internet，所述的无线形式的传输协议包括Zigbee、GPRS、CDMA和LTE协议。

7.根据权利要求1所述的基于物联网的离网型小型风电站监控系统，其特征在于：所述的工控机的核心处理芯片为Intel或AMD的单核或多核处理器。

8.一种基于物联网的离网型小型风电站监控系统的监控方法，其特征在于：包括如下步骤，

1）无线传感器网络对风速、风向和塔杆振动情况进行数据采集和传输：终端节点周期性地采集风速、风向和塔杆振动情况数据，并将采集到的数据经Zigbee协议无线发送给汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据经RS485协议有线传输给集线器；

2）风电机组发电机和蓄电池组分别通过电缆与风机控制器相连接，风机控制器内装有的电压传感器、电流传感器实时检测发电机电流、发电机电压和蓄电池组电压；

3）风机控制器对步骤2）所检测到的发电机电流、发电机电压和蓄电池组电压数据进行解析，当所采集的数据超过风机控制器内预先设定的安全值时，风机制控制器对风机实施刹车和卸荷保护性措施；所述的刹车过程为：风机控制器发出信号给刹车控制器，刹车控制器驱动电动推杆，使得风电机组刹车；所述的卸荷过程为：风机控制器停止向蓄电池组充电，并将风机发出的电能通过卸荷箱消耗掉；

4）集线器和工控机间进行数据交互：集线器汇总步骤2）和步骤1）中各风机控制器和汇聚节点的采集数据，并将数据传输给工控机，同时，从用户端或工控机发出的风机刹车指令通过集线器分配给对应风机；

5）工控机对步骤4）中传输过来的数据进行存储、分析并实时将数据经Internet或GPRS传输至服务器，当工控机检测到风速或振动超过工控机内的预设值时，工控机向风机控制器发出指令控制风机刹车；

6）用户端通过有线或无线形式访问服务器，并通过访问服务器内的交互模块控制风电机组的运行状态；用户端与服务器实现监控绑定功能，即将用户端的IP地址或手机号码与所需监控的风电机组建立对应关系，实时监控指定风电机组的运行状态；并通过服务器在线实时查询各风电机组当前和历史运行数据、危险预警和进行远程开关机控制。

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