CN104198050A - 风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，包括有设置于风电塔筒内的红外非接触温度采集系统，红外非接触温度采集系统由多个红外非接触温度采集板依次连接组成，多个红外非接触温度采集板分别设置于每节塔筒内母线的连接段上，红外非接触温度采集系统通过电源线与电源系统连接，红外非接触温度采集系统还与数据汇总及故障显示系统连接，数据汇总及故障显示系统通过光纤与监控中心的后台系统连接。本发明的风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，实现了母线槽升温中的实时监测和预报，提高了风力发电和运行的稳定性。

Description

风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统

技术领域

本发明属于风力发电在线监测系统技术领域，涉及一种风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统。

背景技术

风力发电容易受大气候、微地形及微气象条件的影响，导致风力发电设备事故频繁发生，从而造成巨大的经济损失。母线槽较原用的风电专用电缆在施工、费用、载流能力、散热性能存在巨大的优势，因此如今已基本上完全采用母线槽代替电缆。

目前，我国风力发电母线槽主要存在以下两个隐患：其一、温差及湿度大的地区水汽容易在母排表面和绝缘薄膜周围形成凝露，绝缘受潮并造成绝缘劣化；其二、塔筒在运行过程中是剧烈晃动的，这将不可避免造成密集型母线、母排之间的磨擦，日积月累造成绝缘薄膜磨损并发生击穿现象酿成重大事故。因此，开发出一种风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，实现了母线槽升温中的实时监测和预报，提高了风力发电和运行的稳定性。

本发明所采用的技术方案是，风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，包括有设置于风电塔筒内的红外非接触温度采集系统，红外非接触温度采集系统由多个红外非接触温度采集板依次连接组成，多个红外非接触温度采集板分别设置于每节塔筒内母线的连接段上，红外非接触温度采集系统通过电源线与电源系统连接，红外非接触温度采集系统还与数据汇总及故障显示系统连接，数据汇总及故障显示系统通过远程通讯网络与监控中心的后台系统连接。

本发明的特点还在于：

红外非接触温度采集系统通过RS485总线或Zigbee无线网络与数据汇总及故障显示系统连接。

多个红外非接触温度采集板之间采用RS485总线连接或Zigbee无线网络连接。

红外非接触温度采集板，包括有第一微控制器单元，第一微控制器单元分别与实时时钟模块、Zigbee模块、故障指示灯及信号获取及电压放大电路连接；信号获取及电压放大电路通过屏蔽线与红外测温探头连接。

第一微控制器单元为MSP430单片机。

数据汇总及故障显示系统，包括有第二微控制器单元，第二微控制器单元通过SPI通信总线与数据存储模块连接，第二微控制器单元分别通过RS232总线与显示及报警模块、Zigbee模块接口及远程通讯系统连接，远程通讯系统与后台系统连接。

第二微控制器单元通过一个I/O口与看门狗电路相连。

第二微控制器单元为MSP430单片机。

数据存储模块为FLASH闪存器，其内部的存储器芯片型号为AT29C040。

显示及报警模块包括有LCD液晶显示屏和蜂鸣器；信号获取及电压放大电路包括有信号调理电路、通道控制电路及A/D转换电路；远程通讯系统为串口服务器、光纤交换机或无线公网DTU。

本发明的有益效果在于：

1.本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统内的红外非接触温度采集板采用独特设计，可实时采集母线槽温度变化信息，监控中心可远程对红外非接触温度采集板的采用时间间隔、红外热传感器基准等运行参数进行设置。

2.本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统可通过提前安装在母线相接处的红外测温探头采集其温度，根据热学分析判断出问题的具体部位从而提醒工作人员，在母线排温升过大前期给出预报警信息，及时采取措施来提高风力发电设备运行的稳定性。

3.为了保证本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统在大电流环境下测得温度准确性，不仅采取硬件抗干扰措施，同时采取软件抗干扰措施；在硬件设计上，实现整机高屏蔽及高密封设计，具有良好的耐高温及耐腐蚀性能，并采用看门狗电路、等电位接地等方法，以增强其抗干扰性能并有效防止了系统的死机；软件采取了陷阱技术、冗余设计、滤波技术和故障自动恢复技术等措施。

4.本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统将温度采集节点采集到的故障数据先存入FLASH存储器中，并通过串口服务器转发给后台系统(光纤交换机或无线公网DTU)，再由其传送至后台，因此可以对一段时期内的监测数据进行处理和分析和保存，并建立该风力发电母线槽温度信息数据库。

附图说明

图1是本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统的结构示意图；

图2是本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统内红外非接触温度采集板的结构示意图；

图3是本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统内数据汇总及故障显示系统的结构示意图。

图中，1.红外非接触温度采集板，2.电源系统，3.数据汇总及故障显示系统，4.第一微控制器单元，5.数据存储模块，6.Zigbee模块，7.显示及报警模块，8.实时时钟模块，9.红外测温探头，10.信号获取及电压放大电路，11.远程通讯系统，12.后台系统，13.Zigbee模块接口，14.故障指示灯，15.第二微控制器单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

由于风的作用，风电塔筒会发生摆动(最大偏离可达2米)；长时间就会导致固定螺丝松动，导致连接处的接触电阻增大，电能损耗增加，更甚者会使母排发生相互摩擦，使绝缘材料粉末化，最终会因绝缘层击穿而烧毁。本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统利用提前安装在母线相接处的红外非接触温度采集板采集其温度，根据热学分析判断出问题的具体部位从而提醒工作人员，在母线排温升过大前期给出预报警信息，及时采取措施来提高风力发电设备运行的稳定性。

本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，其结构如图1所示，包括有设置于风电塔筒内的红外非接触温度采集系统，红外非接触温度采集系统由多个红外非接触温度采集板1依次连接组成，多个红外非接触温度采集板1分别设置于每节塔筒内母线的连接段上，红外非接触温度采集系统通过电源线与电源系统2连接，红外非接触温度采集系统还与数据汇总及故障显示系统3连接，数据汇总及故障显示系统3通过远程通讯网络与监控中心的后台系统12连接。

多个红外非接触温度采集板1之间采用RS485总线连接或Zigbee无线网络连接。

红外非接触温度采集系统通过RS485总线或Zigbee无线网络与数据汇总及故障显示系统3连接。

红外非接触温度采集板1，其结构如图2所示，包括有第一微控制器单元4，第一微控制器单元4分别与实时时钟模块8、Zigbee模块6、故障指示灯14及信号获取及电压放大电路10连接；信号获取及电压放大电路10通过屏蔽线与红外测温探头9连接；信号获取及电压放大电路10与红外测温探头9构成温度采集模块。

数据汇总及故障显示系统3，其结构如图3所示，包括有第二微控制器单元15，第二微控制器单元15通过SPI通信总线与数据存储模块5连接，第二微控制器单元15分别通过RS232总线与显示及报警模块7、Zigbee模块接口13及远程通讯系统11连接，远程通讯系统11与后台系统12连接。

第二微控制器单元15通过一个I/O口与看门狗电路相连。

第一微控制器单元4和第二微控制器单元15均为MSP430单片机。

数据存储模块5为FLASH闪存器，其内的存储器芯片型号为AT29C040。

显示及报警模块7包括有LCD液晶显示屏和蜂鸣器。

信号获取及电压放大电路10包括有信号调理电路、通道控制电路及A/D转换电路，该A/D转换电路为16位A/D转换器。

远程通讯系统11为串口服务器、光纤交换机或无线公网DTU。

风电塔筒由许多节组成，每节塔筒内都有母线排，就是包含A、B、C三相和一根零线，红外非接触温度采集板1就安装在每节母线的连接段上，因为只有两节母线排连接的地方才可能出现温差特别大的情况。

本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统由监测中心内设置的后台系统12、数据汇总及故障显示系统3、电源系统2以及红外非接触温度采集系统组成。如图2所示，红外非接触温度采集系统由若干个红外测温探头9(红外测温探头9相当于温度采集节点)构成，红外测温探头9能定时/实时完成相应母线槽温度变化信息的采集；红外非接触温度采集板1上的红外测温探头9将母线槽实时温度信号变为电压信号，该电压信号经过调理电路放大后再进入16位A/D转换器，并由微控制器单元4分析母线排温度变化并作出相应判断及显示具体故障部分，红外非接触温度采集板1一方面及时将初步处理的故障数据通过RS485有线通讯网络/ZigBee无线网络传输给数据汇总及故障显示系统3进行数据处理。监控中心可对红外非接触温度采集系统进行远程参数设置(如采样时间间隔、实时数据请求等)。

如图3所示，数据汇总及故障显示系统通过RS485有线通讯网络/ZigBee无线网络实现与红外非接触温度采集系统的数据通信。其主要功能：一方面当远程数据网络出现故障数据无法传回监控中心时将故障数据存于数据存储模块5中，待其正常后再将数据补传回监控中心；另一方面通过LCD液晶显示屏和蜂鸣器实行故障现场提醒。数据汇总及故障显示系统3还可以根据监控中心发送的控制信号对红外非接触温度采集系统进行实时采集数据、修改采样时间等操作。

本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统中各部分的作用如下：

(1)微控制器单元4选用TI公司的MSP430单片机；MSP430单片机内部具有32K的FLASH存储器，功耗较低，适合程序量较大的系统开发；本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统内采用MSP430单片机，无需扩展存储器来存储液晶显示画面，降低了硬件复杂度和系统功耗，提高了系统稳定性。

(2)实时时钟模块8内的实时钟芯片选用DALLAS公司的DS1302，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

(3)数据存储模块5内的存储器芯片选用Atmel公司于1998年推出了新一代大容量快闪存储器AT29C040，它采用了Fowler-Nordheim隧道效应技术，使编程电流比第一代闪存降低了一个数量级；该存储器芯片只需要+5V电源并支持分页编程；此外，还具有硬件数据保护、软件数据保护、数据查询和自举模块等其他功能。AT29C040的结构类似于SRAM，它有8条数据线(D0～D7)、19条地址线(A0～A18)、3条控制线(/OE、/CE、/WE)以及电源、地线共32个引脚，由于它有19条地址线，所以中心控制器要扩展地址端口，通过I/O扩展芯片扩展3条地址线，和控制器本身的16条地址线合成了访问AT29C40的地址。

(4)看门狗电路中的看门狗芯片采用MAXIM公司的MAX813；MAX813是用于微处理器系统的电源监视和控制电路；可为CPU提供复位信号、看门狗监视、备用电池自动切换及电源失效监视；除上、掉电条件下为微处理器提供复位外，这些器件还具有备用电池切换功能，以确保在掉电情况下，向不允许断电的器件维持供电；MAX813为微控制器单元4提供复位信号，同时监控微控制器单元4的程序运行情况，它通过两根引线和微控制器单元4连接，RST脚提供微控制器单元4的复位信号，WD提供看门狗定时器的复位信号，在1.6s中没有门狗定时器复位信号到来，它就复位微控制器单元4，这样就防止死机或程序跑飞。

(5)信号获取及电压放大电路10包括有信号调理电路、通道控制电路和A/D转换电路，下面分别具体介绍：

a)信号调理电路：

为了适应红外测温探头9工作环境的特殊要求，信号调理电路必须采用低失调电压和低温漂的运算放大器和高精度电阻来完成设计。整个电路分为两部分，一路是将热电堆输出电压信号进行调理放大，另一路是热电阻的阻值变化转化为电压变化，两路电压信号最终都通过A/D转换通道送往A/D转换电路进行处理。

在目标温度为100℃时，红外热电堆输出电压信号最大输出值大约为3.69mV。红外测温探头A/D转换模块的参考电压为3.3V，为了提高测量精度，对红外热电堆输出信号进行放大约2000倍后再进行A/D转换。另外，当环境温度略高于目标温度或运放具有负的失调电压时，调理电路输出零电压，此时无法获得红外辐射能量信号，因此系统为调理电路提供了1.2V的基准电压，采用运算放大器将基准电压和热电堆输出电压进行叠加，从而使整个热电堆的电压变化都能通过A/D转换进入微控制器单元4进行处理。

b)通道控制电路：

考虑系统监测量多且信号前期处理电路差异很多，因此采用通道控制电路用来控制进入AD采样的信号通道；它由74HC154、74HC07和低功耗继电器组构成。采样信号共有12路，故要采用4-16译码器来分别选通12路信号。继电器的驱动采用驱动芯片74HC07，它是集电极开路结构，可以提供高达30MA的电流。继电器采用TTI公司的低功耗继电器，驱动电流只需要10MA。控制器通过I/O扩展口锁存要开启的通道信号，经74HC154译码后，经74HC07驱动继电器动作，选通所要的电流信号。

c)A/D转换电路：

为了保证系统采样精度，系统A/D芯片选用TI公司的高精度转换器ADS7805，ADS7805具有较高的性价比，最高的转换频率可达100KHz，在仪器仪表中得到广泛的应用。ADS7805芯片内部含有采样保持、电压基准和时钟等电路，极大简化用户的电路设计，同时提高了系统的稳定性。ADS7805采用CMOS工艺制造，功耗低(最大功耗为100mW)，单通道输入，模拟输入电压的范围为±10V，采用逐次逼近式工作原理，转换结果由16位数据线并行输出，16位数据可以通过一个8位端口分两次读出，启动转换和读取上次转换的结果可以同时进行。ADS7805与中心处理器的接口非常简单，占一个端口地址，同时为了设计方便，采用8位的数据宽度，这样需要提供一个控制线(连结BYTE引脚)来控制读取数据的高低位。

(6)红外测温探头9采用otp-538u热电堆传感器，具有116种热电偶元素，传感器芯片经由微细加工，可快速反应环境里的温度改变，导致输出端电压响应。针对红外测温探头9处于强电磁干扰环境的特点，红外测温探头9的外壳采用了铁质外壳，并与母排直线单元外壳连接。

(7)红外非接触温度采集系统负责完成温度数据的采集和传输(红外非接触温度数据采集板1安装在一个绝缘壳内并将其固定在每个直线连接单元的外壳上(其中4个孔代表红外探头安装的位置其必须对准连接单元的每相母线连接处)，并在绝缘壳上安装故障指示灯14用来方便维护人员发现故障具体位置)。根据直线连接单元数量的不同选择采用相应数量的红外非接触温度采集板1的数量。

(8)RS485有线通讯网络/ZigBee无线通讯网络：

根据风电塔筒内的具体环境，本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统将数据传输分为RS458有线通讯网络和ZigBee无线通讯网络两种方式；对于走有线方式比较困难时采用ZigBee无线通讯网络方式。

采用ZigBee无线通讯网络方式时，风电塔筒内温度采集模块采集的数据传输采用无线方式，考虑到对功耗的要求，这里采用工作频段为2.4G的ZigBee。考虑到风电塔筒里环境比较复杂，整个无线网络采用MESH网络。

在传统的无线局域网中，每个客户端均通过一条与AP(AccessPoint)相连的无线链路来访问网络，形成一个局部的BSS(BasicService Set)；用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止,这样的访问方式就是多跳访问。

(9)电源系统2利用风电塔筒内照明所用的AC220V，利用开关电源将其转换为系统所需要的电平，考虑到红外非接触温度采集系统需要通过较长的导线供电，因此红外非接触温度采集系统电源转换芯片需要选择宽温宽输入电压范围的电源芯片。

(10)数据汇总及故障显示系统：

硬件设计：采用TI的MSP430超低功耗单片机，整个系统如图3所示：系统由远程通讯系统11和ZigBee无线网络接口13、微控制器单元4、数据存储模块5、LCD液晶显示屏及蜂鸣器等组成。

软件上在微控制器单元4布置热分析算法实时接收红外非接触温度采集系统发送的数据并实时分析发生异常的具体位置进而通过LCD液晶显示屏和蜂鸣器完成故障位置提醒。

热分析算法：利用UG三维软件对连接单元进行各个模型的建立，然后依据各自的连接关系，进行整体模型的装配；然后导入到ANSYS Workbench模块中。首先进行各个零件材料的设置，初始温度、边界条件的设定；然后，进行模型的网格划分，最后对连接单元的温度场进行分析。利用温度传感器进行连接排温度分布的在线监测。

(11)远程通讯系统：

远程通讯系统实现监测数据远传到监控中心内的后台系统，其包活：串口服务器、光纤交换机或无线公网DTU。其中串口服务器实现串口转网口；根据现场网络情况选择使用光纤交换机和无线公网DTU中的一种或是两者兼容使用(组成通讯双通道)，具体在公网信号较好时采用无线公网DTU，在公网信号较差时采用光纤交换机

(12)监控中心内的后台系统：

监控中心内的后台系统，布置一台服务器(如果采用光纤远程传输方式还需在监控中心布置一台光纤交换机)，在服务上布置专家诊断软件完成故障位置提醒(图像、语音、短信等)，并建立该风力发电母线槽温度信息数据库，便于对故障信息的统计分析。

本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统的工作过程如下：

首先，各个红外非接触温度采集板1将采集到的母线槽实时温度传送到红外非接触温度采集板上中心控制模块4，中心控制模块4一方面进行数据的存储(由内部的FLASH存储模块实现)和分析；另一方面通过RS485/ZigBee无线网络将采集到的数据传输给汇总及故障显示系统3其进行数据处理和显示及报警(由显示模块7和蜂鸣器模块实现)；然后，数据汇总和故障显示系统3将故障处理数据通过远程通讯网络传输给后台系统12，由后台系统12对数据进行统一存储和分析并建立数据库。

本发明风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统实现了母线槽升温中的实时监测和预报，提高了风力发电和运行的稳定性。

Claims (10)

1.风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，其特征在于，包括有设置于风电塔筒内的红外非接触温度采集系统，所述红外非接触温度采集系统由多个红外非接触温度采集板(1)依次连接组成，多个红外非接触温度采集板(1)分别设置于每节塔筒内母线的连接段上，所述红外非接触温度采集系统通过电源线与电源系统(2)连接，所述红外非接触温度采集系统还与数据汇总及故障显示系统(3)连接，所述数据汇总及故障显示系统(3)通过远程通讯网络与监控中心的后台系统(12)连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，其特征在于，所述红外非接触温度采集系统通过RS485总线或Zigbee无线网络与数据汇总及故障显示系统(3)连接。

3.根据权利要求1所述的风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，其特征在于，所述多个红外非接触温度采集板(1)之间采用RS485总线连接或Zigbee无线网络连接。

4.根据权利要求1或3所述的风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，其特征在于，所述红外非接触温度采集板(1)，包括有第一微控制器单元(4)，所述第一微控制器单元(4)分别与实时时钟模块(8)、Zigbee模块(6)、故障指示灯(14)及信号获取及电压放大电路(10)连接；所述信号获取及电压放大电路(10)通过屏蔽线与红外测温探头(9)连接。

5.根据权利要求4所述的风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，其特征在于，所所述第一微控制器单元(4)为MSP430单片机。

6.根据权利要求1所述的风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，其特征在于，所述数据汇总及故障显示系统(3)，包括有第二微控制器单元(15)，所述第二微控制器单元(15)通过SPI通信总线与数据存储模块(5)连接，所述第二微控制器单元(15)分别通过RS232总线与显示及报警模块(7)、Zigbee模块接口(13)及远程通讯系统(11)连接，所述远程通讯系统(11)与所述后台系统(12)连接。

7.根据权利要求6所述的风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，其特征在于，所述第二微控制器单元(15)通过一个I/O口与看门狗电路相连。

8.根据权利要求6或7所述的风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，其特征在于，所述第二微控制器单元(15)为MSP430单片机。

9.根据权利要求6所述的风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，其特征在于，所述数据存储模块(5)为FLASH闪存器，其内部的存储器芯片型号为AT29C040。

10.根据权利要求6所述的风力发电专用母线槽发热故障在线诊断系统，其特征在于，所述显示及报警模块(7)包括有LCD液晶显示屏和蜂鸣器；

所述信号获取及电压放大电路(10)包括有信号调理电路、通道控制电路及A/D转换电路；

所述远程通讯系统(11)为串口服务器、光纤交换机或无线公网DTU。