CN102891535A - 一种风电变流器监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风电变流器监控系统，其中：前端传感器模块，用于将电压，电流以及温度信号转换成电信号；信号调理模块，用于将对前端传感器模块输出的信号进行调理，电流输出的传感器信号进行采样、放大、滤波；虚拟仪器数据采集模块，用于对信号调理模块输出的电压信号进行AD采样，并通过虚拟仪器总线和PC机进行数据通讯；系统软件模块，用于接收虚拟仪器数据采集模块上传的数据，对这些数据进行显示，保存，提供数据分析功能。本发明数据吞吐量大，对于大功率并联的变流器拓扑，保证变流器监控系统的检测点可以覆盖其所有支路；除了数据的显示和储存以外，还提供数据分析功能，拓展了监控的功能；监控系统的安装和拆卸非常方便。

Description

一种风电变流器监控系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种风电变流器监控系统。

背景技术

风电变流器可以优化风力发电系统的运行，实现宽风速范围内的变速恒频发电，改善风机效率和传输链的工作状况，减少发电机损耗，提高运行效率，提升风能利用率。

目前风电变流器监控中没有包含监控系统的传感器部分和信号调理部分，也没有给出适用于变流器的监控信号的类型以及相应的传感器和调理模块的技术方案。监控数据通讯部分很多都采用的串口、并口等通讯方式，数据吞吐量较小，传输速度较低，不适用于大功率、多路并联的变流器监控。而有些监控系统对数据的处理仅限于数据显示和储存，不能通过监控系统直接对数据进行进一步的分析。

如中国申请（专利）号为CN201110164930.7的发明，该公开了一种风电变流器的监控系统及风力发电系统。其中的风电变流器的监控系统包括：用于采集风电变流器的运行状态及关键参数数据的数据采集单元、通信单元、转换单元、以及上位机转换单元用于将数据采集单元通过通信单元发送的风电变流器的运行状态及关键参数数据转换为上位机可识别的数据后，发送给上位机并通过上位机显示。本发明通过其提供的风电变流器的监控系统，实现了对风电变流器的运行状态及关键参数的实时监控，从而提升了风力发电机组的维护效率，有利于故障的及时处理及预防，节省了维护成本，且该监控系统具有监控直观、操作简便、成本低等优势。

上述发明专利与本发明技术要点比较：

1．监控系统的传感器和信号调理部分：专利CN201110164930.7中没有给出变流器监控系统的传感器模块和调理模块的技术方案。本发明中则明确了传感器模块和调理模块的组成和配置方案。

2．数据通讯部分的规模：专利CN201110164930.7中被发送给上位机的数据的通讯方式采用串口，其速率和数据吞吐量都很有限，在本发明提出使用虚拟仪器总线系统，提高数据传输速率和吞吐量。

3.数据处理：专利CN201110164930.7中对上传数据的处理仅限于显示和储存。本发明中对数据的处理方式除了储存以外，还包括对储存数据的复现和数据的离线分析功能。

又如，中国申请（专利）号为CN 200910107587.5的发明，该发明涉及一种风力发电用变流器远程监控系统，包括多台风力发电机组，每台风力发电机组包括变流器，包括内置变流器监控软件的变流器远程监控台，变流器组网形成变流器监控网络，变流器远程监控台与变流器监控网络通讯连接。本发明通过独立的变流器监控网络和远端的变流器远程监控台进行通讯，维护人员直接对变流器及相关系统进行监控维护，便于充分发挥变流器采集和记录的数据资源；变流器监控参数的选取不受主控制器通讯方式、容量和通讯协议的限制，而取决于变流器监控网络自身的通讯方式、容量和通讯协议；大大提升风力发电机组的维护效率和质量，缩减故障处理时间，实现日常运行中进行参数分析和故障预防，显著节省维护成本。

上述发明专利与本发明技术要点比较：

1．监控系统的传感器和信号调理部分：专利CN 200910107587.5中没有给出变流器监控系统的传感器模块和调理模块的技术方案。本发明中则明确了传感器模块和调理模块的组成和配置方案。

2.数据处理：专利CN 200910107587.5中对上传数据仅限于对数据进行储存，而对数据的分析使用则没有提及。本发明中对数据的处理方式除了储存以外，还包括对储存数据的复现和数据的离线分析功能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种风电变流器监控系统，可以很好的解决现有技术中上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种风电变流器监控系统，由前端传感器模块、信号调理模块、虚拟仪器数据采集模块以及PC端的系统软件模块构成：

前端传感器模块，用于将电压，电流以及温度信号转换成电信号，该信号输入调理模块进行调理；

信号调理模块，用于将对前端传感器模块输出的信号进行调理，电流输出的传感器信号进行采样、放大、滤波，信号调理模块输出信号输入虚拟仪器数据采集模块；

虚拟仪器数据采集模块，用于对信号调理模块输出的电压信号进行AD采样，并通过虚拟仪器总线和PC机进行数据通讯；

系统软件模块，用于接收虚拟仪器数据采集模块上传的数据，对这些数据进行显示，保存，提供数据分析等功能。

优选地，前端传感器模块能够测量变流器的电压信号，电流信号，温度信号，其中温度信号能够测量变流器内部器件的表面温度和内部温度。

优选地，信号调理模块分为电信号调理电路和温度信号调理电路，其中：

电信号调理电路对于传感器输出的电压信号进行放大和滤波，对于传感器输出的电流信号进行采样，放大，和滤波；

温度信号调理电路通过将温度传感器的输出转换成电压信号，再对该信号进行放大、滤波。

优选地，虚拟仪器数据采集模块主要由接线端、数据采集卡、总线系统组成，其中：

接线端，用于将信号调理模块的输出信号接入数据采集卡的输入；

数据采集卡，接收信号调理模块输出的电压信号，对电压信号进行AD转换，得到相应电压的输出数字信号；

总线系统，是系统软件模块和数据采集卡相互通讯的平台，传递驱动信号驱动数据采集卡完成AD转换，将数据采集卡转换的数据上传至系统软件模块。

优选地，PC端系统软件模块主要包括数据采集子模块，数据处理子模块，数据储存和调用子模块，其中：

数据采集子模块，通过虚拟仪器的总线系统驱动数据采集卡完成数据采样，接收数据采集卡的数据；

数据处理子模块，将数据采集子模块输出的数据进行显示；

数据储存和调用子模块，对数据进行储存和调用；

数据分析子模块，对数据调用子模块输出的数据进行离线分析，具体的分析功能包括谐波分析、FFT分析以及电流正负序分解。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本发明明确了变流器监控系统需要测量的信号类型，相关传感器的种类以及信号调理模块的方案，形成了针对变流器监控系统的完善的技术方案。

2)本发明的监控数据通讯部分，数据吞吐量大，传输速度很快，允许较多通道同时采集，对于大功率并联的变流器拓扑，保证变流器监控系统的检测点可以覆盖其所有支路。

3)本发明的对于数据处理功能除了数据的显示和储存以外，还包括了对保存数据的复现和离线分析的功能，从而拓展了监控的功能，使得用户可以通过直接监控系统直接对监控所得的数据进行分析，从而了解变流器系统的状态。

4）监控系统的安装和拆卸非常方便，对于系统出现故障的情况都可以迅速排查，缩短安装以及检修的时间。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中监控系统结构示意图；

图2为本发明实施例中信号调理模块结构框图；

图3为本发明实施例中系统软件模块结构框图；

图4为系统软件模块的单线程执行方式示意图；

图5为系统软件模块的多线程执行方式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，一种风电变流器监控系统，由前端传感器模块1、信号调理模块2、虚拟仪器数据采集模块3以及PC端的系统软件模块4构成：

前端传感器模块1，用于将电压，电流以及温度信号转换成电信号，该信号输入调理模块进行调理；

信号调理模块2，用于将对前端传感器模块输出的信号进行调理，电流输出的传感器信号进行采样、放大、滤波，信号调理模块输出信号输入虚拟仪器数据采集模块；

虚拟仪器数据采集模块3，用于对信号调理模块输出的电压信号进行AD采样，并通过虚拟仪器总线和PC机进行数据通讯；

系统软件模块4，用于接收虚拟仪器数据采集模块上传的数据，对这些数据进行显示，保存，提供数据分析等功能。

如图2所示，本实施例前端传感器模块中，电流传感器选择霍尔电流传感器，电压传感器选择霍尔电压传感器。为了减小干扰，霍尔电流传感器和霍尔电压传感器的输出为电流输出，信号调理电路需配有采样电阻将电流信号转换为电压信号。

如图2所示，本实施例针对需要在狭窄处或元器件内部进行测温的情况，热传感器选择热电偶，在温度调理电路根据热电偶的使用情况，采用冷端补偿的热电偶接口电路，输出与温度相关的电压信号，再通过电信号调理电路进行信号调理。

本实施例中，虚拟仪器数据采集模块采用PXI总线系统，配备PXI接口的高速数据采集卡和前端接线盒。由于PXI总线是由PCI总线拓展，因此可以直接接入PC机。从而实现数据采集和通讯。

本实施例中，系统软件模块可以采用图形化编程软件开发，比如Labview完成。系统软件模块的数据采集子模块配合虚拟仪器厂商提供的API完成。本实施例针对数据采集量不大的情况下，系统软件模块的数据采集子模块和数据处理子模块同一线程中运行。如图4所示。系统软件模块的数据储存子模块主要接受用户的响应，其数据分析的功能可包括数据谐波分析，快速傅里叶变换，以及正负序分解功能。由于本实施例针对数据采集量较小的情况，因正负序分解的数据分析功能可以以实时的方式进行。

实施例2：

本实施例针对测温的精度比较高的情况，温度传感器可以采用PT100热电阻。其温度信号调理电路采用桥式电路（需根据所用PT100的线制，即两线、三线、或四线制），将温度信号转换为电压信号，再通过电信号调理电路进行信号调理。其他配置不变，亦如图2所示。

虚拟仪器和系统软件的实现方式与实施例1中相同。

实施例3：

本实施例针对变流器测量点较多，数据量较大的情况下。

温度传感器可以同时选择热电偶和PT100热电阻，热电偶测量狭窄或者元器件内部的温度，热电阻测量元器件表面的温度。其调理模块同时配备有冷端补偿电路和桥式电路，分别接入热电偶和PT100热电阻。其他配置不变，亦如图2所示。

在数据量较大的情况下，系统软件模块的实现可以选择多线程结构。系统软件模块的数据采集子模块和数据处理子模块分别在不同的线程中运行，避免数据采集子模块执行的等待。数据传输的环节可以通过在内存中设立缓冲区实现。如图5所示。系统软件模块的数据储存子模块的数据分析功能全部改为离线分析的形式，不占用数据采集和显示的时间。

由以上实施例可以看出，本发明：

1）可以实现大量通道的同时高速数据采集。本发明采用了PXI总线配置的PXI1045机箱，其总线数据吞吐量大；在配备10块PXI-6123数据采集卡的情况下，允许同时完成80路信号的数据采集。对于大功率并联的变流器拓扑，保证变流器可以覆盖其所有支路。

2）系统的软件平台采用了Labview图形化编程平台进行开发，使软件平台的开发具有很大灵活性，软件的功能可以根据实验需求进行快速的更改和拓展

3）监控系统的安装和拆卸非常方便，对于系统出现故障的情况都可以迅速排查，缩短安装以及检修的时间。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种风电变流器监控系统，其特征在于，由前端传感器模块、信号调理模块、虚拟仪器数据采集模块以及PC端的系统软件模块构成：

前端传感器模块，用于将电压，电流以及温度信号转换成电信号，该信号输入调理模块进行调理；

信号调理模块，用于将对前端传感器模块输出的信号进行调理，电流输出的传感器信号进行采样、放大、滤波，信号调理模块输出信号输入虚拟仪器数据采集模块；

虚拟仪器数据采集模块，用于对信号调理模块输出的电压信号进行AD采样，并通过虚拟仪器总线和PC机进行数据通讯；

系统软件模块，用于接收虚拟仪器数据采集模块上传的数据，对这些数据进行显示，保存，提供数据分析功能。

2.根据权利要求1所述的风电变流器监控系统，其特征在于，所述前端传感器模块能够测量变流器的电压信号，电流信号，温度信号，其中温度信号能够测量变流器内部器件的表面温度和内部温度。

3.根据权利要求1所述的风电变流器监控系统，其特征在于，所述信号调理模块分为电信号调理电路和温度信号调理电路，其中：

电信号调理电路对于传感器输出的电压信号进行放大和滤波，对于传感器输出的电流信号进行采样，放大，和滤波；

温度信号调理电路通过将温度传感器的输出转换成电压信号，再对该信号进行放大、滤波。

4.根据权利要求1所述的风电变流器监控系统，其特征在于，所述优选地，虚拟仪器数据采集模块主要由接线端、数据采集卡、总线系统组成，其中：

接线端，用于将信号调理模块的输出信号接入数据采集卡的输入；

数据采集卡，接收信号调理模块输出的电压信号，对电压信号进行AD转换，得到相应电压的输出数字信号；

总线系统，是系统软件模块和数据采集卡相互通讯的平台，传递驱动信号驱动数据采集卡完成AD转换，将数据采集卡转换的数据上传至系统软件模块。

5.根据权利要求1所述的风电变流器监控系统，其特征在于，所述PC端系统软件模块主要包括数据采集子模块，数据处理子模块，数据储存和调用子模块，其中：

数据采集子模块，通过虚拟仪器的总线系统驱动数据采集卡完成数据采样，接收数据采集卡的数据；

数据处理子模块，将数据采集子模块输出的数据进行显示；

数据储存和调用子模块，对数据进行储存和调用；

数据分析子模块，对数据调用子模块输出的数据进行离线分析，具体的分析功能包括谐波分析、FFT分析以及电流正负序分解。

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