CN105427566B - 基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法 - Google Patents

基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105427566B
CN105427566B CN201510908850.6A CN201510908850A CN105427566B CN 105427566 B CN105427566 B CN 105427566B CN 201510908850 A CN201510908850 A CN 201510908850A CN 105427566 B CN105427566 B CN 105427566B
Authority
CN
China
Prior art keywords
node
wind
data
module
base station
Prior art date
Application number
CN201510908850.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105427566A (zh
Inventor
吴青华
夏候凯顺
李梦诗
季天瑶
张禄亮
Original Assignee
华南理工大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 华南理工大学 filed Critical 华南理工大学
Priority to CN201510908850.6A priority Critical patent/CN105427566B/zh
Publication of CN105427566A publication Critical patent/CN105427566A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105427566B publication Critical patent/CN105427566B/zh

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法,其系统包括无线传感器节点、基站、监控中心和移动监测设备;所述无线传感器节点安装在风力发电机上负责获取风电场的运行数据,包括风力发电机的状态数据以及风场的气象数据,每个传感器节点有唯一的ID号地址;所述基站负责无线传感器节点和监控中心之间的双向信息交互;所述监控中心采集无线传感器网络的测量数据,对数据进行分析、处理、存储、显示;所述移动监测设备通过无线网络随时随地获取风电场的各种运行状态信息。本发明系统具有体积小、安装维护简单、扩展容易、通信灵活、监测方便的特点,能够对风电场进行远程实时监测。

Description

基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及风电场远程实时监测的技术领域,尤其是指一种基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法。
背景技术
[0002] 随着全球能源危机和环境污染等问题的日益严重,世界各国对新能源的需求快速增长。风能作为一种蕴藏量丰富、分布广泛、无污染、可再生的新能源,具有巨大的发展潜力。全球的风能约为1300亿千瓦,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风电场利用风能并结合发电机产生电能,是目前风能发电的主要形式,受到了越来越多的重视。风电场大部分位于地广人稀的偏僻地带,而且气候环境非常恶劣,难以进行现场记录,因此对风电场的远程监控显得日益重要。
[0003] 目前,风力发电机都安装有测量装置测量风机的运行数据发送至监控中心,而风电场都分布有气象站测量所在处的风场气象数据并汇聚至监控中心。但是,数据的传输都是采用有线的通信网络,占地面积大,安装、布线、调试都很复杂,投资费用和维护成本很高,且容易损坏。此外,风电场一般都只有少数几个气象站,测量数据少,难以对风场准确模拟以及对风速和风电功率准确预测。另外,监控人员只能在监控中心对风电场进行监控,而缺少移动监测设备能随时随地监测风电场运行情况。
[0004] 采用无线传感器网络构成风电场的监测系统可以很好地解决以上问题。无线传感器网络利用分布在监测区域的无线传感器节点测量监测目标的状态数据,采用ZigBee、蓝牙、WiFi、GSM、GPRS等无线通信技术组件通信网络,测量数据通过无线网络传输至基站并最终汇聚至监控中心。目前广泛应用的ZigBee技术通信成本低、功耗低、网络容量大、传输安全可靠,但是数据传输速率低、通信距离短,适合局部区域内的组网,而难以承担数据流量大、距离长的通信任务。GPRS (General Packet Radio Service)是一种传输速率高、覆盖范围广、通信距离长、数据传输安全可靠的无线网络,适合长距离的通信。但是需要按流量计费,不宜大面积使用。如何有效利用无线通信技术组建无线通信网络,实现对监测目标的远程实时监测是首先面临的技术问题。当风电场布置了大规模的无线传感器节点,如何对整个系统进行精确地时钟同步以及采用何种网络拓扑结构保证系统的可靠、有效通信也是需要解决的关键问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法。该系统采用分簇网络拓扑结构并融合ZigBee和GPRS技术组建无线通信网络,实现对风电场风力发电机组状态数据和风场气象数据的远程实时监测,同时对风场进行三维数值模拟,对风速和风电功率进行预测;具有体积小、安装维护简单、扩展容易、通信灵活、监测方便的特点。
[0006] 为实现上述目的,本发明所提供的技术方案其基于无线传感器网络的风电场远程 实时监测系统,包括无线传感器节点、基站、监控中心和移动监测设备;所述无线传感器节点安装在风力发电机上负责获取风电场的运行数据,包括风力发电机的状态数据以及风场的气象数据,每个传感器节点有唯一的ID号地址;所述基站负责无线传感器节点和监控中心之间的双向信息交互;所述监控中心采集无线传感器网络的测量数据,对数据进行分析、处理、存储、显示;所述移动监测设备通过无线网络随时随地获取风电场的各种运行状态信息。
[0007] 所述系统组建的无线传感器网络采用分簇拓扑结构,将分布在整个风电场的无线传感器节点根据节点地理位置划分为N个簇,每个簇选择一个节点作为簇首节点,其余节点为簇成员节点,簇首节点的选择要求使尽量多的簇成员节点在簇首节点的无线通信范围内。
[0008] 所述监控中心向移动监测设备定时发送风电场的运行状态信息或者在收到移动监测设备的请求指令后立即发送。
[0009] 所述系统采用时分多址的通信策略,每个簇的所有簇成员节点在自己的通信时隙内将测量数据发送至簇首节点,若簇成员节点在簇首节点的通信范围内,则直接发送;否贝1J,采用节点多跳的方式传送至簇首节点;每个簇首节点负责汇聚簇成员节点的测量数据,并在自己的通信时隙将汇聚数据发送至基站;
[0010] 所述系统采用NTP时钟同步协议,定时进行一次时钟同步,首先监控中心通过局域网向基站发送时钟同步请求数据包,通过计算基站与监控中心的时钟偏移量并修正基站的本地时钟,实现基站与监控中心的时钟同步;同理,依次实现基站与簇首节点的时钟同步,簇首节点与簇成员节点的时钟同步,从而实现整个系统的时钟同步;
[0011] 所述簇成员节点与簇首节点的通信采用ZigBee短距离无线通信技术,簇首节点和基站的通信以及基站与移动监测设备的通信都采用GPRS远程无线通信技术。
[0012] 所述无线传感器节点包括传感器模块、AD转换模块、处理器模块、存储器模块、无线通信模块和电源模块;
[0013] 所述传感器模块包括:风速传感器,用于测量传感器所在位置的风场风速;风向传感器,用于测量传感器所在位置的风场风向;气压传感器,用于测量传感器所在位置的空气压力;温湿度传感器,用于测量空气的温度和湿度;振动传感器,用于测量风力发电机的振动参数;温度传感器,用于测量风机机舱内的温度;电流互感器,用于测量风力发电机的定子电流;电压互感器,用于测量风力发电机的端电压;
[00M] 所述AD转换模块采用多通道AD转换芯片;所述处理器模块采用ARM控制器,内嵌uC/OSII实时多任务操作系统;所述存储器模块采用SD存储卡,用于存储测量数据;所述无线通信模块采用ZigBee模块或者GPRS模块,用于数据的接收和发送,簇首节点同时采用Z i gBee模块和GPRS模块,簇成员节点只采用Z i gBee模块;所述电源模块能够分别提供土15乂、5¥和3.3¥电源。
[0015] 所述基站包括两个节点,一个接收节点负责汇聚测量数据信息至监控中心,一个接收节点负责将监控中心信息发送至无线传感器节点和移动监测设备;
[0016] 每个基站节点的硬件组成包括处理器模块、存储器模块、无线通信模块、电源模块;所述处理器模块采用ARM控制器,内嵌uC/OSII实时多任务操作系统;所述存储器模块采用SD存储卡,用于存储测量数据;所述无线通信模块采用GPRS模块;所述电源模块能够分别 提供± 15V、5V和3.3V电源。
[0017] 所述移动监测设备为移动手机或者手持式移动监测仪;所述手持式移动监测仪硬件组成包括处理器模块、存储器模块、无线通信模块、电源模块、显示模块;所述处理器模块采用ARM控制器,内嵌uC/OSII实时多任务操作系统;所述存储器模块采用SD存储卡,用于存储测量数据;所述无线通信模块采用GPRS模块;所述电源模块能够分别提供±15V、5V和3.3V电源;所述显示模块采用液晶显示屏,实时显示风电场运行状态信息。
[0018] 所述监控中心采用搭建Windows7操作系统的计算机,基于VS2008和SQL2005开发环境编写的上位机软件运行在该计算机上;上位机具有以下功能:
[0019] 1)采集、存储风电场的运行数据,包括各风力发电机状态数据以及风场的气象数据,能够进行实时数据和历史数据的显示、查询;
[0020] 2)风力发电机组状态监测:根据风力发电机的振动、温度、定子电流、端电压这些历史数据和实时测量数据对风机进行监测,通过对振动信号和定子电流信号进行谱分析判断风机是否故障;
[0021] 3)三维风场模拟:利用风场的风速、风向、空气压力、空气温湿度这些气象数据对整个风场进行三维数值模拟;
[0022] 4)风速和风电功率预测:利用风速和风向数据对传感器所在位置的风场风速和风电功率进行预测。
[0023] 本发明所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测方法,包括以下步骤:
[0024] 1)将无线传感器节点布置在风力发电机上,在安装之前,根据风力发电机所在位置将无线传感器节点划分为N个分簇,每个簇选择一个簇首节点,其余为簇成员节点,簇首节点的选择要使尽量多的簇成员节点在簇首节点的通信范围内;
[0025] 2)根据簇首节点和簇成员节点的划分在风力发电机上安装对应的无线传感器节点,簇首节点的硬件比簇成员节点的硬件多一个GPRS模块;传感器按以下位置安装:风速、风向、气压、空气温湿度传感器安装在机舱尾部,振动传感器、温度传感器、电流互感器、电压互感器安装在机舱内部;给每个无线传感器节点设置不同的ID号地址并下载相应程序,开启节点电源进行初始化,然后等待;
[0026] 3)在监测中心附近安装基站,设置唯一的ID号地址并下载相应程序,开启电源进行初始化,然后等待;
[0027] 4)开启监测中心的上位机软件,通过点击界面按钮下达时钟同步指令,时钟同步采用NTP策略;
[0028] 5)通过操作上位机软件启动系统,每个簇的簇成员节点测量所在位置风力发电机的振动、温度、电压、电流这些运行参数以及风场的风速、风向、空气压力、空气温湿度这些气象数据,在属于自己通信时隙将测量数据发送至簇首节点;簇首节点汇聚簇成员节点的测量数据,在属于自己的通信时隙将汇聚数据发送至基站,基站通过局域网将数据传送至监控中心;
[0029] 6)监控中心采集、存储、显示风电场的运行数据,同时利用历史数据和实测数据实现对风力发电机组状态监测、三维风场模拟、风速和风电功率预测的功能;
[0030] 7)监控中心通过基站定时向移动监测设备发送风电场的运行状态信息并实时显示,用户也可以通过移动监测设备向监测中心发送请求指令,监测中心将会立即发送风电 场的状态信息。
[0031] 在步骤4)中,基站向节点发送同步请求数据包,该数据包中包含发送时间Τι,节点收到同步请求数据包后记录下数据包到达时间T2,然后将一个请求响应数据包发送回基站,该数据包包括到达时间Τ2、节点地址、基站地址、数据包离开时间T3这些信息;基站接收到请求响应数据包后记录其达到时间T4;假设基站与节点的时间偏差为0不变,同步请求数据包的传输时间和请求响应数据包的传输时间都为D不变,根据数据包往返时间关系可得如下关系式:
[0032] t2-Ti = 0+D (1)
[0033] T4-T3 = D-O (2)
[0034] 由式(1)和式⑵可求出基站和节点之间时间偏移量0:
Figure CN105427566BD00081
[0035] (3)
[0036] 节点通过计算得到时钟偏移量0,并利用该时钟偏移量0修正节点的本地时钟,实现与基站的时钟同步;
[0037] 而采用的NTP策略具体是系统定时进行一次时钟同步,首先监控中心通过局域网向基站发送时钟同步请求数据包,通过计算基站与监控中心的时钟偏移量并修正基站的本地时钟,实现基站与监控中心的时钟同步;同理,依次实现基站与簇首节点的时钟同步,簇首节点与簇成员节点的时钟同步,从而实现整个系统的时钟同步。
[0038] 本发明与现有技术相比,具有如下优点与有益效果:
[0039] 1、本发明采用分簇的分布式网络拓扑结构,减轻了数据汇聚的通信负荷,提高了系统的容错性和灵活性。
[0040] 2、本发明采用NTP时钟同步协议,提高了系统时钟同步精度。
[0041] 3、本发明采用时分多址的通信策略,每个节点在属于自己的通信时隙内进行数据交互,防止了节点间的通信冲突,提高了系统的可靠性。
[0042] 4、本发明融合ZigBee短距离无线通信技术和GPRS远程无线通信技术组建无线通信网络,使系统既可以节省成本和功耗,又能够实现安全、可靠的远程无线通信。
[0043] 5、本发明采用移动监测设备,可随时随地对风电场运行状态信息进行监测,提高了监测的便捷性。
[0044] 6、本发明采用一个传感器节点同时测量风力发电机的多种状态数据和风场的多种气象数据,测量简单,测量数据丰富,提高了监测的可靠性。
[0045] 7、本发明利用历史数据和实测数据实现对风力发电机组状态监测、三维风场模拟、风速和风电功率预测等功能,提高了系统的实用性。
[0046] 总之,本发明系统具有体积小、安装维护简单、扩展容易、通信灵活、监测方便的特点,能够对风电场进行远程实时监测,为风电机组的控制和预测性维护、风电场的运行管理、电力系统调度控制提供依据。
附图说明
[0047] 图1为基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统整体结构图。
[0048] 图2为无线传感器节点硬件结构图。
[0049] 图3为NTP时钟同步示意图。
具体实施方式
[0050] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0051] 如图1所示,本实施例所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统,包括无线传感器节点、基站、监控中心和移动监测设备。所述无线传感器节点安装在风力发电机上负责获取风电场的运行数据,包括风力发电机的状态数据以及风场的气象数据,每个传感器节点有唯一的ID号地址;所述基站负责无线传感器节点和监控中心之间的双向信息交互;所述监控中心采集无线传感器网络的测量数据,对数据进行分析、处理、存储、显示,监控中心向移动监测设备定时发送风电场的运行状态信息或者在收到移动监测设备的请求指令后立即发送;所述移动监测设备通过无线网络随时随地获取风电场的各种运行状态信息。
[0052] 所述系统组建的无线传感器网络采用分簇拓扑结构。将分布在整个风电场的无线传感器节点根据节点地理位置划分为N个簇,每个簇选择一个节点作为簇首节点,其余节点为簇成员节点,簇首节点的选择要求使尽量多的簇成员节点在簇首节点的无线通信范围内。
[0053] 所述系统采用时分多址的通信策略。每个簇的所有簇成员节点在自己的通信时隙内将测量数据发送至簇首节点,若簇成员节点在簇首节点的通信范围内,则直接发送;否贝1J,采用节点多跳的方式传送至簇首节点。每个簇首节点负责汇聚簇成员节点的测量数据,并在自己的通信时隙将汇聚数据发送至基站。
[0054] 所述系统采用NTP (Network Time Protocol)时钟同步协议。系统定时进行一次时钟同步,首先监控中心通过局域网向基站发送时钟同步请求数据包,通过计算基站与监控中心的时钟偏移量并修正基站的本地时钟,实现基站与监控中心的时钟同步。同理,依次实现基站与簇首节点的时钟同步,簇首节点与簇成员节点的时钟同步,从而实现整个系统的时钟同步。
[0055] 簇成员节点与簇首节点的通信采用ZigBee短距离无线通信技术,簇首节点和基站的通信以及基站与移动监测设备的通信都采用GPRS远程无线通信技术。
[0056] 如图2所示,所述无线传感器节点包括传感器模块、AD转换模块、处理器模块、存储器模块、无线通信模块和电源模块。
[0057] 所述传感器模块包括:风速传感器,用于测量传感器所在位置的风场风速;风向传感器,用于测量传感器所在位置的风场风向;气压传感器,用于测量传感器所在位置的空气压力;温湿度传感器,用于测量空气的温度和湿度;振动传感器,用于测量风力发电机的振动参数;温度传感器,用于测量风机机舱内的温度;电流互感器,用于测量风力发电机的定子电流;电压互感器,用于测量风力发电机的端电压;
[0058] 所述AD转换模块采用高采样率、高精度、多通道AD转换芯片;所述处理器模块采用ARM高性能控制器,内嵌uC/OSII实时多任务操作系统;所述存储器模块采用SD存储卡,用于存储测量数据;所述无线通信模块采用ZigBee模块或者GPRS模块,用于数据的接收和发送,簇首节点同时采用ZigBee模块和GPRS模块,簇成员节点只采用ZigBee模块。所述电源模块 可分别提供± 15V、5V和3.3V电源。
[0059] 所述基站包括两个节点,一个接收节点负责汇聚测量数据信息至监控中心,一个接收节点负责将监控中心信息发送至无线传感器节点和移动监测设备。每个基站节点的硬件组成包括处理器模块、存储器模块、无线通信模块、电源模块;所述处理器模块采用ARM高性能控制器,内嵌uC/OSII实时多任务操作系统;所述存储器模块采用SD存储卡,用于存储测量数据;所述无线通信模块采用GPRS模块;所述电源模块可分别提供± 15V、5V和3.3V电源。
[0060] 所述移动监测设备为移动手机或者手持式移动监测仪。所述手持式移动监测仪硬件组成包括处理器模块、存储器模块、无线通信模块、电源模块、显示模块;所述处理器模块采用ARM高性能控制器,内嵌uC/OSII实时多任务操作系统;所述存储器模块采用SD存储卡,用于存储测量数据;所述无线通信模块采用GPRS模块;所述电源模块可分别提供± 15V、5V和3.3V电源;所述显示模块采用液晶显示屏,实时显示风电场运行状态信息。
[0061] 所述监控中心采用搭建Wind〇ws7操作系统的高性能计算机,基于VS2008和SQL2005开发环境编写的上位机软件运行在该计算机上。上位机具有以下功能:
[0062] 1)采集、存储风电场的运行数据,包括各风力发电机状态数据以及风场的气象数据,能够进行实时数据和历史数据的显示、查询;
[0063] 2)风力发电机组状态监测:根据风力发电机的振动、温度、定子电流、端电压等历史数据和实时测量数据对风机进行监测,通过对振动信号和定子电流信号进行谱分析判断风机是否故障;
[0064] 3)三维风场模拟:利用风场的风速、风向、空气压力、空气温湿度等气象数据对整个风场进行三维数值模拟;
[0065] 4)风速和风电功率预测:利用风速和风向数据对传感器所在位置的风场风速和风电功率进行预测。
[0066] 下面为本实施例上述风电场远程实时监测系统的正常工作步骤,具体如下:
[0067] 1)无线传感器节点需要布置在风力发电机上,在安装之前,根据风力发电机所在位置将无线传感器节点划分为N个分簇,每个簇选择一个簇首节点,其余为簇成员节点,簇首节点的选择要使尽量多的簇成员节点在簇首节点的通信范围内。
[0068] 2)根据簇首节点和簇成员节点的划分在风力发电机上安装对应的无线传感器节点,簇首节点的硬件比簇成员节点的硬件多一个GPRS模块。传感器按以下位置安装:风速、风向、气压、空气温湿度传感器安装在机舱尾部,振动传感器、温度传感器、电流互感器、电压互感器安装在机舱内部。给每个无线传感器节点设置不同的ID号地址并下载相应程序,开启节点电源进行初始化,然后等待。
[0069] 3)在监测中心附近安装基站,设置唯一的ID号地址并下载相应程序,开启电源进行初始化,然后等待。
[0070] 4)开启监测中心的上位机软件,通过点击界面按钮下达时钟同步指令,时钟同步采用NTP策略,如图3所示,原理详细说明如下:
[0071] 基站向节点发送同步请求数据包,该数据包中包含发送时间Ti,节点收到同步请求数据包后记录下数据包到达时间T2,然后将一个请求响应数据包发送回基站,该数据包包括到达时间Τ2、节点地址、基站地址、数据包离开时间Τ3等信息。基站接收到请求响应数据 包后记录其达到时间T4。假设基站与节点的时间偏差为O不变,同步请求数据包的传输时间和请求响应数据包的传输时间都为D不变,根据数据包往返时间关系可得如下关系式:
[0072] t2-Ti = 0+D (1)
[0073] T4-T3 = D-O (2)
[0074] 由式(1)和式⑵可求出基站和节点之间时间偏移量0:
Figure CN105427566BD00111
[0075] (3)
[0076] 节点通过计算得到时钟偏移量0,并利用该时钟偏移量0修正节点的本地时钟,实现与基站的时钟同步。
[0077] 系统采用NTP (Network Time Protocol)时钟同步协议。系统定时进行一次时钟同步,首先监控中心通过局域网向基站发送时钟同步请求数据包,通过计算基站与监控中心的时钟偏移量并修正基站的本地时钟,实现基站与监控中心的时钟同步。同理,依次实现基站与簇首节点的时钟同步,簇首节点与簇成员节点的时钟同步,从而实现整个系统的时钟同步。
[0078] 5)通过操作上位机软件启动系统,每个簇的簇成员节点测量所在位置风力发电机的振动、温度、电压、电流等运行参数以及风场的风速、风向、空气压力、空气温湿度等气象数据,在属于自己通信时隙将测量数据发送至簇首节点。簇首节点汇聚簇成员节点的测量数据,在属于自己的通信时隙将汇聚数据发送至基站,基站通过局域网将数据传送至监控中心。
[0079] 6)监控中心采集、存储、显示风电场的运行数据,同时利用历史数据和实测数据实现对风力发电机组状态监测、三维风场模拟、风速和风电功率预测等功能。
[0080] 7)监控中心通过基站定时向移动监测设备发送风电场的运行状态信息并实时显示,用户也可以通过移动监测设备向监测中心发送请求指令,监测中心将会立即发送风电场的状态信息。
[0081] 以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例,并非以此限制本发明的实施范围,故凡依本发明之形状、原理所作的变化,均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1. 基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统,其特征在于:所述系统包括无线传感器节点、基站、监控中心和移动监测设备;所述无线传感器节点安装在风力发电机上负责获取风电场的运行数据,包括风力发电机的状态数据以及风场的气象数据,每个传感器节点有唯一的ID号地址;所述基站负责无线传感器节点和监控中心之间的双向信息交互;所述监控中心采集无线传感器网络的测量数据,对数据进行分析、处理、存储、显示;所述移动监测设备通过无线网络随时随地获取风电场的各种运行状态信息; 所述系统组建的无线传感器网络采用分簇拓扑结构,将分布在整个风电场的无线传感器节点根据节点地理位置划分为N个簇,每个簇选择一个节点作为簇首节点,其余节点为簇成员节点,簇首节点的选择要求使尽量多的簇成员节点在簇首节点的无线通信范围内; 所述系统采用时分多址的通信策略,每个簇的所有簇成员节点在自己的通信时隙内将测量数据发送至簇首节点,若簇成员节点在簇首节点的通信范围内,则直接发送;否则,采用节点多跳的方式传送至簇首节点;每个簇首节点负责汇聚簇成员节点的测量数据,并在自己的通信时隙将汇聚数据发送至基站; 所述系统采用NTP时钟同步协议,定时进行一次时钟同步,首先监控中心通过局域网向基站发送时钟同步请求数据包,通过计算基站与监控中心的时钟偏移量并修正基站的本地时钟,实现基站与监控中心的时钟同步;同理,依次实现基站与簇首节点的时钟同步,簇首节点与簇成员节点的时钟同步,从而实现整个系统的时钟同步; 所述簇成员节点与簇首节点的通信采用ZigBee短距离无线通信技术,簇首节点和基站的通信以及基站与移动监测设备的通信都采用GPRS远程无线通信技术。
2. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统,其特征在于:所述监控中心向移动监测设备定时发送风电场的运行状态信息或者在收到移动监测设备的请求指令后立即发送。
3. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统,其特征在于:所述无线传感器节点包括传感器模块、AD转换模块、处理器模块、存储器模块、无线通信模块和电源模块; 所述传感器模块包括:风速传感器,用于测量传感器所在位置的风场风速;风向传感器,用于测量传感器所在位置的风场风向;气压传感器,用于测量传感器所在位置的空气压力;温湿度传感器,用于测量空气的温度和湿度;振动传感器,用于测量风力发电机的振动参数;温度传感器,用于测量风机机舱内的温度;电流互感器,用于测量风力发电机的定子电流;电压互感器,用于测量风力发电机的端电压; 所述AD转换模块采用多通道AD转换芯片;所述处理器模块采用ARM控制器,内嵌uC/OSII实时多任务操作系统;所述存储器模块采用SD存储卡,用于存储测量数据;所述无线通信模块采用ZigBee模块或者GPRS模块,用于数据的接收和发送,簇首节点同时采用ZigBee模块和GPRS模块,簇成员节点只采用ZigBee模块;所述电源模块能够分别提供± 15V、5V和3.3V电源。
4. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统,其特征在于:所述基站包括两个节点,一个接收节点负责汇聚测量数据信息至监控中心,一个接收节点负责将监控中心信息发送至无线传感器节点和移动监测设备; 每个基站节点的硬件组成包括处理器模块、存储器模块、无线通信模块、电源模块;所 述处理器模块采用ARM控制器,内嵌uC/OSII实时多任务操作系统;所述存储器模块采用SD存储卡,用于存储测量数据;所述无线通信模块采用GPRS模块;所述电源模块能够分别提供±15¥、5¥和3.3乂电源。
5. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统,其特征在于:所述移动监测设备为移动手机或者手持式移动监测仪;所述手持式移动监测仪硬件组成包括处理器模块、存储器模块、无线通信模块、电源模块、显示模块;所述处理器模块采用ARM控制器,内嵌uC/OSII实时多任务操作系统;所述存储器模块采用SD存储卡,用于存储测量数据;所述无线通信模块采用GPRS模块;所述电源模块能够分别提供± 15V、5V和3.3V电源;所述显示模块采用液晶显示屏,实时显示风电场运行状态信息。
6. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统,其特征在于:所述监控中心采用搭建Windows7操作系统的计算机,基于VS2008和SQL2005开发环境编写的上位机软件运行在该计算机上;上位机具有以下功能: 1) 采集、存储风电场的运行数据,包括各风力发电机状态数据以及风场的气象数据,能够进行实时数据和历史数据的显示、查询; 2) 风力发电机组状态监测:根据风力发电机的振动、温度、定子电流、端电压这些历史数据和实时测量数据对风机进行监测,通过对振动信号和定子电流信号进行谱分析判断风机是否故障; 3) 三维风场模拟:利用风场的风速、风向、空气压力、空气温湿度这些气象数据对整个风场进行三维数值模拟; 4) 风速和风电功率预测:利用风速和风向数据对传感器所在位置的风场风速和风电功率进行预测。
7. 基于无线传感器网络的风电场远程实时监测方法,其特征在于,包括以下步骤: 1) 将无线传感器节点布置在风力发电机上,在安装之前,根据风力发电机所在位置将无线传感器节点划分为N个分簇,每个簇选择一个簇首节点,其余为簇成员节点,簇首节点的选择要使尽量多的簇成员节点在簇首节点的通信范围内; 2) 根据簇首节点和簇成员节点的划分在风力发电机上安装对应的无线传感器节点,簇首节点的硬件比簇成员节点的硬件多一个GPRS模块;传感器按以下位置安装:风速、风向、气压、空气温湿度传感器安装在机舱尾部,振动传感器、温度传感器、电流互感器、电压互感器安装在机舱内部;给每个无线传感器节点设置不同的ID号地址并下载相应程序,开启节点电源进彳丁初始化,然后等待; 3) 在监测中心附近安装基站,设置唯一的ID号地址并下载相应程序,开启电源进行初始化,然后等待; 4) 开启监测中心的上位机软件,通过点击界面按钮下达时钟同步指令,时钟同步采用NTP策略; 5) 通过操作上位机软件启动系统,每个簇的簇成员节点测量所在位置风力发电机的振动、温度、电压、电流这些运行参数以及风场的风速、风向、空气压力、空气温湿度这些气象数据,在属于自己通信时隙将测量数据发送至簇首节点;簇首节点汇聚簇成员节点的测量数据,在属于自己的通信时隙将汇聚数据发送至基站,基站通过局域网将数据传送至监控中心; 6) 监控中心采集、存储、显示风电场的运行数据,同时利用历史数据和实测数据实现对风力发电机组状态监测、三维风场模拟、风速和风电功率预测的功能; 7) 监控中心通过基站定时向移动监测设备发送风电场的运行状态信息并实时显示,用户也可以通过移动监测设备向监测中心发送请求指令,监测中心将会立即发送风电场的状 态信息。
8.根据权利要求7所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测方法,其特征在于:在步骤4)中,基站向节点发送同步请求数据包,该数据包中包含发送时间Ti,节点收到同步请求数据包后记录下数据包到达时间T2,然后将一个请求响应数据包发送回基站,该数据包包括到达时间Τ2、节点地址、基站地址、数据包离开时间T3这些信息;基站接收到请求响应数据包后记录其达到时间T4;假设基站与节点的时间偏差为O不变,同步请求数据包的传输时间和请求响应数据包的传输时间都为D不变,根据数据包往返时间关系可得如下关系式: T2-Ti = OD (1) T4-T3 = D-O (2) 由式⑴和式⑵可求出基站和节点之间时间偏移量0:
Figure CN105427566BC00041
(3) 节点通过计算得到时钟偏移量0,并利用该时钟偏移量0修正节点的本地时钟,实现与基站的时钟同步; 而采用的NTP策略具体是系统定时进行一次时钟同步,首先监控中心通过局域网向基站发送时钟同步请求数据包,通过计算基站与监控中心的时钟偏移量并修正基站的本地时钟,实现基站与监控中心的时钟同步;同理,依次实现基站与簇首节点的时钟同步,簇首节点与簇成员节点的时钟同步,从而实现整个系统的时钟同步。
CN201510908850.6A 2015-12-09 2015-12-09 基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法 CN105427566B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510908850.6A CN105427566B (zh) 2015-12-09 2015-12-09 基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510908850.6A CN105427566B (zh) 2015-12-09 2015-12-09 基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105427566A CN105427566A (zh) 2016-03-23
CN105427566B true CN105427566B (zh) 2018-12-11

Family

ID=55505741

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510908850.6A CN105427566B (zh) 2015-12-09 2015-12-09 基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105427566B (zh)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106325134A (zh) * 2016-09-28 2017-01-11 东莞市罗数基础工业科技有限公司 基于wifi的数据采集网关
CN106455038A (zh) * 2016-10-10 2017-02-22 海能达通信股份有限公司 主节点、从节点以及同步信息自校正方法
CN108205879A (zh) * 2016-12-20 2018-06-26 天津市军联科技有限公司 基于无线传感网络的光伏阵列监测管理系统
CN106899591A (zh) * 2017-02-27 2017-06-27 安徽节源环保科技有限公司 一种基于无线通信协议的风机能效检测系统和方法
CN107331135A (zh) * 2017-05-10 2017-11-07 国网浙江省电力公司电力科学研究院 海洋风电场环境要素监测系统
CN107465746A (zh) * 2017-08-11 2017-12-12 深圳市益鑫智能科技有限公司 一种基于无线传感器网络的风沙监测系统
CN107818669A (zh) * 2017-11-06 2018-03-20 潘柏霖 一种风电机组无线监测及预警系统
CN108120495B (zh) * 2017-12-28 2020-07-28 东北电力大学 一种基于无线网络的风电机组振动状态监测系统
CN108335471A (zh) * 2018-01-19 2018-07-27 深圳市鑫汇达机械设计有限公司 风电场远程实时监测系统
CN108518315A (zh) * 2018-03-20 2018-09-11 深圳众厉电力科技有限公司 一种基于云存储技术的风电机组智能监测系统
CN108989416A (zh) * 2018-07-09 2018-12-11 深圳大图科创技术开发有限公司 风电机组振动智能实时监测系统
CN108691733A (zh) * 2018-07-25 2018-10-23 深圳众厉电力科技有限公司 风电机组振动无线监测系统
CN108924785A (zh) * 2018-08-02 2018-11-30 深圳汇通智能化科技有限公司 风电机组振动智慧监测系统
CN110953682A (zh) * 2019-12-17 2020-04-03 珠海格力电器股份有限公司 空调系统及其gprs模块的时间校正方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7792126B1 (en) * 2005-05-19 2010-09-07 EmNet, LLC Distributed monitoring and control system
CN101452079B (zh) * 2008-12-26 2012-01-04 东南大学 基于混杂式传感器网络的核监测系统及方法
CN102263819A (zh) * 2011-07-18 2011-11-30 中交四航工程研究院有限公司 一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法
CN102665249B (zh) * 2012-04-25 2015-05-13 河海大学常州校区 一种基于无线传感器网络的大气污染监测系统
CN102721741B (zh) * 2012-06-18 2014-05-28 北京科技大学 基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测定位系统
CN102818590A (zh) * 2012-07-29 2012-12-12 江苏大学 基于无线传感器网络的输电线路覆冰在线监测系统
CN103161669A (zh) * 2013-02-26 2013-06-19 上海电机学院 一种监控风电场运行的系统及方法
CN103605172B (zh) * 2013-10-21 2015-08-05 江苏省无线电科学研究所有限公司 适用于风能梯度气象观测的无线数据传输方法
CN105022359A (zh) * 2014-04-25 2015-11-04 华夏视清数字技术(北京)有限公司 一种监控控制终端、数据处理终端、设备监控系统及方法
CN104912732B (zh) * 2015-05-21 2017-10-13 广东志成冠军集团有限公司 风力发电机组监控系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN105427566A (zh) 2016-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bhatti et al. Energy harvesting and wireless transfer in sensor network applications: Concepts and experiences
Mudumbe et al. Smart water meter system for user-centric consumption measurement
Shariff et al. Zigbee-based data acquisition system for online monitoring of grid-connected photovoltaic system
CN205428174U (zh) 一种远程能耗数据采集系统
Cao et al. Networked wireless meter reading system based on ZigBee technology
CN103647351B (zh) 基于多代理和异构通信技术的微电网智能测控终端及方法
CN101571413B (zh) 基于加速度传感器的输电线路舞动在线监测系统
Satyanarayana et al. Wireless sensor based remote monitoring system for agriculture using ZigBee and GPS
CN102570453B (zh) 基于多套数值天气预报源的短期风电功率预测方法及系统
CN104159294B (zh) 一种基于蓝牙4.0技术的云定位平台
CN102288153B (zh) 基于振动发电的高压线风偏在线监测系统及其方法
CN105338489B (zh) 一种用于室内定位的智能终端及蓝牙室内定位系统
CN102721741B (zh) 基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测定位系统
CN102244483B (zh) 基于气象信息的光伏发电有功功率在线评估方法
CN103402217B (zh) 基站天线参数处理系统
Wang et al. A remote wireless sensor networks for water quality monitoring
CN203532160U (zh) 一种基于物联网的风力发电远程监控系统
CN203202640U (zh) 基于无线传感网络的远程燃气管道泄漏检测系统
CN101399734A (zh) 一种农田土壤信息采集系统和方法
CN102448202A (zh) 一种多协议多接口无线传感网网关
CN103955174A (zh) 基于建筑信息模型技术的建筑健康监测系统
CN205301613U (zh) 一种可远程访问的自动气象站
CN104796983B (zh) 一种基于无线的变电站内在线移动定位方法及其系统
CN102609791B (zh) 基于云平台的规模化集中式远程风电功率预测系统
CN103024663B (zh) 一种井下人员定位系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C06 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C10 Entry into substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant