CN108362246A - 基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统,具体包括：移动CORS站，用于提供差分数据，并将该差分数据发送到数据中心平台；数据中心平台，用于接收移动CORS站的差分数据，并转发给位移检测终端；还用于存储位移检测终端监测到的风力发电机水平位移、倾角、沉降参数；位移检测终端，用于监测风力发电机水平位移、倾角、沉降参数；所述位移检测终端包括监测单元和采集单元，所述监测单元包括无线传输模块、主控模块；所述采集单元包括风速传感器和北斗测量天线。该系统能够保障风机持续安全运行，快速、高效、实时的将风机位移、倾角、沉降、叶片损伤问题进行智能识别，提高检测效率、降低作业风险、能有效提高企业生产效率。

Description

基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统

技术领域

本申请属于风力发电机塔、杆塔、桥梁、路基、高建筑物等的测量、监测领域，具体说是一种基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统。

背景技术

近年来，人们把目光逐渐聚集到可替代的再生能源-风能。风电场的建设逐渐遍布全国地区，从草原风力发展到海上风能的利用，可见风电已逐渐走上成熟之路。风机属于高耸建筑物(1.5MW风机轮毂高度在60m以上)，轻微的沉降，将使风机产生较大的水平偏差，在机舱、叶片风力等荷载作用下，产生较大偏心弯矩，从而使风机杆体更加倾斜，同时风机对沉降具有较强敏感性，风机的倾斜与沉降给风电机组运行带来了较大的安全隐患。近年来，国内外因风机地质灾害、叶片损坏等导致风机倾覆事故频发，风力发电机安全监测系统可有效针对安全隐患进行预警，降低事故发生率。

风力发电塔形变监测目的是监测风力发电塔的位移、沉降和倾斜变形，可根据其变形量及变形速率来判断风力发电塔在施工期或运营期是否安全。常规的观测方法是定期巡检时用免棱镜全站仪进行风机倾斜观测，用精密水准仪进行沉降观测，这种方法工作效率较低，精度也受多种因素影响，且实时性不强。

目前，监测叶片最常用的方法是目视观察，以往工人在检查叶片时，需要从地面上对每个叶片进行拍照，这种方法不仅耗时(检查一个风力发电机约为一天)，而且还存在危险，并且这种方法是有时间间隔的，在时间间隔期间叶片微小的问题和早期可修复的问题就很有可能已经发生并发展为严重的问题。

现有技术中的检测方法有：1.使用高倍望远镜进行检测，其缺点是非智能检测、检测结果无法存储、检测效率低、准确性差；2.使用吊车吊篮检查，其缺点是成本较高、安全隐患大、非智能检测、检测周期长；3.使用无人机检查，操控困难，易出事故，受电池、天气影响大，耗材损耗大。

发明内容

为改善对风力发电机的定期巡检、人为观测维护手段、消除安全隐患、避免出现倾斜、倒塌、叶片损伤等危及安全的事件发生，本申请提供了一种基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统对其进行实时的安全监测，并为风机的集中整治、中修、大修提供基础参考数据。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统，具体包括：

移动CORS站，用于提供差分数据，并将该差分数据发送到数据中心平台；

数据中心平台，用于接收移动CORS站的差分数据，并转发给位移检测终端；还用于存储位移检测终端监测到的风力发电机水平位移、倾角、沉降等参数；

位移检测终端，用于监测风力发电机水平位移、倾角、沉降等参数；所述位移检测终端包括监测单元和采集单元，所述监测单元包括无线传输模块、主控模块；所述采集单元包括风速传感器和北斗测量天线。

进一步的，所述移动CORS站，包括高精度定位模块BD930、单片机STM32、路由器，单片机STM32作为该CORS站系统的控制监控单元，对各个模块进行工作正常判断，当发现某模块工作异常时，进行重启等故障处理，使系统具备故障自恢复功能，定位模块BD930通过路由器连接互联网，将差分数据发送至数据中心平台。

进一步的，主控模块，包括ARM主控单元、4G传输模块(SIM7100C)、定位模块BD930、数据传输模块DTU；ARM主控单元通过控制4G传输模块进行差分数据传输，并将该差分数据传输给定位模块BD930进行高精度位置解算，所述定位模块BD930通过倾角算法，计算出倾角数值，并通过数据传输模块DTU发送至数据中心平台。

进一步的，倾角算法具体包括：

步骤1，建立坐标系：当铁塔未发生倾斜时，以天线相位中心为坐标原点建立东北天坐标系；

步骤2，坐标系旋转：当铁塔发生倾斜后，设天线相位中心在东北天坐标系中的位置坐标为(x,y,z)，以原点为中心旋转东北天坐标系以生成新坐标系，使其y轴经过倾斜后的天线相位中心，坐标系之间的夹角与铁塔的倾斜夹角相等，设倾斜后天线相位中心在新坐标系下的位置坐标为(0,b₁₂，0)；

步骤3，变换矩阵：由坐标旋转变化矩阵可得(x,y,z)与(0,b₁₂，0)之间的关系如下：

步骤4，l₂由接收机测得，继而解算出偏航角和俯仰角如下：

进一步的，每一个坐标轴的旋转对应着一个坐标旋转矩阵，相应于X轴，Z轴，Y轴的旋转矩阵为：

其中α偏航角，γ为俯仰角，β为横滚角，本申请对铁塔倾斜的测量只考虑偏航角α和俯仰角γ；设铁塔倾斜前后天线相位中心点在新坐标系中的位置分别为b₁＝[000]^T,b₂＝[0b₁₂ 0]^T,从东北天坐标系到新坐标系的姿态变换矩阵为：

根据姿态转换矩阵的正交性，即矩阵的转置等于矩阵的逆，由上式将倾斜后天线相位中心点坐标b₂转换为东北天坐标系中得到其当地水平坐标l₂。

本申请采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：该系统能够保障风机持续安全运行，快速、高效、实时的将风机位移、倾角、沉降、叶片损伤问题进行智能识别，提高检测效率、降低作业风险、能有效提高企业生产效率。

附图说明

本申请共有附10幅：

图1为位移检测终端电气原理图；

图2为主控模块结构图；

图3为移动CORS站系统结构图；

图4为5V供电电路；

图5为RS485接口；

图6为SIM7100C电路原理图；

图7为SIM7100C RS232接口电路；

图8为BD930的接口电路图；

图9为BD930的以太网电路图；

图10为测角原理图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细描述。。

实施例1

本实施例提供一种基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统，具体包括：

移动CORS站，用于提供差分数据，并将该差分数据发送到数据中心平台；所述移动CORS站，包括高精度定位模块BD930、单片机STM32、路由器，单片机STM32作为该CORS站系统的控制监控单元，对各个模块进行工作正常判断，当发现某模块工作异常时，进行重启等故障处理，使系统具备故障自恢复功能，定位模块BD930通过路由器连接互联网，将差分数据发送至数据中心平台。

数据中心平台，用于接收移动CORS站的差分数据，并转发给位移检测终端；还用于存储位移检测终端监测到的风力发电机水平位移、倾角、沉降等参数；

位移检测终端，用于监测风力发电机水平位移、倾角、沉降等参数；所述位移检测终端包括监测单元和采集单元，所述监测单元包括无线传输模块、主控模块；所述采集单元包括风速传感器和北斗测量天线。所述主控模块，包括ARM主控单元、4G传输模块(SIM7100C)、定位模块BD930、数据传输模块DTU、电源电路；ARM主控单元通过控制4G传输模块进行差分数据传输，并将该差分数据传输给定位模块BD930进行高精度位置解算，所述定位模块BD930通过倾角算法，计算出倾角数值，并通过数据传输模块DTU发送至数据中心平台。

优选的，系统预留安防接口，可实现安防设备如摄像头、电子围栏传感器的接入，对塔体周边环境进行安全防护。

本系统所需的供电电压为3.3、3.8V及5V，对电流输入要求启动电流不小于1A，开关电压调节器采用LM2596对输入电压进行转换。LM2596开关电压调节器是压降型电源管理单片集成电路，输出3A的驱动电流，同时具有良好的线性和负载调节特性。固定输出电压3.3V、5V、12V及可调ADJ(可以输出小于37V的各种电压)。设计选取3.3V、5V及ADJ(输出3.8V)三个版本的LM2596。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件及通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。在特定的输入电压和输出负载的限制条件下，输出电压的误差可以保证在±4％的范围内，振荡频率误差在±15％的范围内。系统5V供电电路设计如图4所示。

ARM-Linux系统担负着整个电路的主要控制任务，主控制芯片的高性能增强系统的稳定性、可靠性，系统的硬件电路部分包括电源模块、复位电路、RS232及RS485通信接口电路等。为了提高系统的稳定性和可靠性，系统采用核心板加扩展板的设计方案，利用核心板提供的接口扩展串接系统所需要的其它功能模块。核心板采用友善之臂的Tiny210，该核心板集成了s5pv210、SDRAM、NandFlash以及晶振原件，通过引脚的插卡式连接器与扩展板相连。核心板总共有150条接口线，其中包含电源线、地线、用户扩展可能要用到的地址线、数据线、读写线、片选线、中断线、各外设接口、IO信号线等。

4G通信模块采用SIM7100C系列三网通通信芯片，通过该芯片连接CORS数据服务中心下载差分数据，同时可建立另外的TCP连接，将倾角数据或其他位置数据发送到对应服务器上。

(1)复位电路设计

4G通信模块一系列的操作指令是通过ARM-Linux系统进行的，因此必须保证ARM-Linux系统与4G通讯模块同时进行复位，所以该复位信号同时与4G通讯模块的复位引脚相连，保证了两个模块可以同时进行复位。

(2)RS232及RS485通讯接口设计

串行通信使用电子工业协会(EIA)制定的RS-232标准，是常用的串行数据传输总线标准，几乎所有的微控制器PC机都提供串行接口。要完成最基本的串行通信功能，需要RXD(数据接收)、TXD(数据发送)、GND。由于RS-232标准所定义的高、低电平信号与s5pv210系统的TTL电路所定义的高、低电平信号完全不同，TTL的标准逻辑“1”对应2V～3.3V电平，标准逻辑“0”对应0V～0.4V电平，而RS-232标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-5V～-15V电平，标准逻辑“0”对应+5V～+15V电平，显然两者之间进行通信必须经过电平转换。电平转换可以使用分离的元件或专用的电平转换芯片设计制作，分离元件设计的电路复杂，抗干扰能力差，专用电平转换芯片有体积小，连接简单，抗静电能力强等特点。系统电路设计采用后一种方式，利用的是MAXIM公司的专用集成芯片MAX3232作为电平转换的接口电路(或采用SP3232，两款芯片功能完全相同)，该芯片兼容3V～5.5V的电平，直接与3.3V的Tiny210连接。

Tiny210内置有四个异步串口，分别为XuRXD0、XuTXD0；XuRXD1、XuTXD1；XuRXD2、XuTXD2；XuRXD3、XuTXD3；其中XuRXD0、XuTXD0是系统软件调试用接口；XuRXD1、XuTXD1与BD930进行差分数据通讯；XuRXD2、XuTXD2用于连接下位机系统与上位机的串口；XuRXD3、XuTXD3用于系统与4G通讯模块建立连接。

由于设备与上位机之间的通讯是长距离通信，继续采用RS232进行通讯，不能保证信号的质量。因此设备与上位机之间的通讯采用RS485方式。RS485的通讯距离可以达到1200m，完全满足系统传输需求。但RS485采用的半双工的通信方式，只能在同一时刻进行接收数据或发送数据，因此利用Tiny210的一个IO口(XuCTSn1)对其进行控制。当XuCTSn1置高电平时，处于发送状态；当XuCTSn1置低电平时，处于接收状态。

(3)4G通讯模块电路设计

4G通讯模块采用SIMCOM公司的SIM7100C芯片。SIM7100C是SIMCOM公司生产的一款工业模块，是工业控制中的GSM/GPRS部分的的核心部件，几乎可以实现手机的所有功能。本系统使用4G通讯功能。

SIM7100C的接口包括：USB接口、UART接口、MMC/SD和SDIO接口、USIM接口、GPIO、ADC、LDO电源输出、电流源、PCM接口、键盘接口、SPI接口、I2C接口等。而本申请只需用到它的UART接口、USIM接口及GPIO接口即可。SIM7100的电源引脚包括四个VBAT引脚。SIM7100的所有四个VBAT引脚必须一起使用。VBAT直接为RF PA和基带系统提供电源。对于VBAT，由于纹波GSM/GPRS发射可能导致电压下降，并且电流消耗上升通常会达到2A的峰值。因此电源必须能够提供高达2A以上的足够电流。

SIM7100提供了一个UART(通用异步串行传输)端，使用RS-232电平转换芯片MAX3232连接SIM7100RS-232接口，SIM7100C作为DCE(数据通信)设备，ARM-Linux作为DTE(数据终端)设备。UART接口执行串行通信，通过输入AT命令对SIM7100C进行控制。为保证SIM卡与公网服务器之间通信链路的稳定性，设计中将SIM外围电路靠近SIM卡槽，同时采用ESD保护组件，保护SIM卡。

3、BD930接收机电路设计

天宝BD930高精度定位板卡支持GPS、GLONASS、Galileo和北斗四星座信号接收。这种高性能使BD930具有最快的RTK初始化速度，内置卡尔曼滤波PVT引擎，能迅速实现1-2厘米的定位精度。BD930主要是用来接收来自卫星的信号，并通过SIM7100C的4G功能与CORS站建立通讯获取差分信息解算高精度定位坐标发送给ARM-Linux系统进行倾角解算。

BD930接收机的RTK_COM4与Tiny210核心板的RS232串口1相连接进行数据通信。BD930接收机通过以太网口登录WEB界面对接收机进行配置。以太网由RJ45接口、HX1188网络滤波器和SLVU2.8-4TVS阵列管组成以太网电路。

实施例2

本实施例提供一种测角方法，首先假设铁塔的初始状态不存在倾斜，此时载体平台坐标系与当地水平坐标系重合。当铁塔发生倾斜时，天线相位中心位置发生变化，假设倾斜后的天线相位中心位置点为M点，此时相当于载体平台坐标系相对于当地水平坐标系的原点进行了平移和坐标旋转。由于坐标旋转体现了铁塔的倾斜，本申请中不考虑原点的平移。

倾角测量原理如图10所示：假设铁塔初始状态不存在倾斜，以此时的天线相位中心点为零点(图中的0点)，建立当地水平坐标系，Y轴指向当地北子午线，X轴与Y轴垂直指向东，Z轴与X、Y轴正交，服从右手坐标，此时载体平台坐标系与当地水平坐标系重合。当铁塔发生倾斜时，天线相位中心位置发生变化，假设倾斜后的天线相位中心位置点为M点，此时载体平台坐标系相对于当地水平坐标系的原点进行了坐标旋转。由于坐标旋转体现了铁塔的倾斜，由空间几何原理可得，两坐标系之间的夹角与铁塔倾斜角相等。

对于同一个原点下的两个坐标系变换，可以看成坐标系经过三次连续的坐标轴旋转与另一个坐标系重合。每一个坐标轴的旋转对应着一个坐标旋转矩阵，那么相应于X轴，Z轴，Y轴的旋转矩阵为：

其中α偏航角，γ为俯仰角，β为横滚角。这里对铁塔倾斜的测量只需要考虑偏航角α和俯仰角γ。设铁塔倾斜前后天线相位中心点为0点和M点，在天线平台坐标系中的位置b₁＝[000]^T,b₂＝[0b₁₂0]^T,那么从当地水平坐标系到天线平台坐标系的姿态变换矩阵为：

根据姿态转换矩阵的正交性，即矩阵的转置等于矩阵的逆，由式(4)将倾斜后天线相位中心点(M点)坐标b₂转换为当地水平坐标系中得到其当地水平坐标l₂：

由于l₂可由接收机测得，那么可以得到偏航角α和俯仰角γ：

通过北斗高精度实时相位差分算法(RTK)得到厘米级的定位精度，对导航接收天线的当前时刻位置和基准位置进行求差解算，得到当前位置相对基准位置的实时位移，经嵌入式系统倾斜角度算法得到倾斜角度和垂直度并输出，经验证，各项值输出精度情况：倾斜角精度0.01°，误差小于0.1°，垂直度精度为0.0005，误差小于0.001，水平位移精度达到0.001m，误差小于0.1m。

实施例3

本实施例提供一种基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统的工作方法，具体是：

系统初始化：开机后，首先从上位机读取移动CORS站的IP地址，端口号、用户名和密码、铁塔的高度等基础配置数据。ARM与上位机采用485串口相连接，选择ARM的一个GPIO口与485串口的收发使能端相连。由上位机向下位机发送需要的信息时，将所选GPIO口置为低电平，接收完成后，再将GPIO口置为高电平。

与移动CORS站通信：移动CORS站向移动站(观测点)播发当前区域内的差分定位信息，实现位置的差分解算，监测天线接收机进行差分解算得到监测天线的实时高精度定位信息。

与移动CORS站建立连接：铁塔监测单元控制4G模块与CORS站建立通信，通过向4G模块发送AT指令配置4G模块为直接透传模式，然后与CORS站建立TCP连接，进行稳定的实时通信。步骤如下：

发送指令“AT”，检查4G是否打开以及ARM串口是否与4G连通。

发送指令“AT+CIPSENDMODE＝1”，选择上网模式；

发送指令“AT+CIPMODE＝1”，设置4G为直接透明传输模式；

发送指令“AT+NETOPEN”，连接4G网络；

发送指令“AT+CIPOPEN＝0,”TCP”,”服务器IP”,”端口号””，通过4G用套接字的方式与CORS站建立TCP连接。

Ntrip协议请求：嵌入式ARM系统作为客户端，将挂载点，用户名和密码按照一定的格式编码为请求报文，发送给播发端，播发端对接收到的请求信息进行认证，若用户名和密码没有通过认证，则向客户端返回错误标志信息；若通过认证则向客户端返回认证通过信息(ICY 200OK)，继续返回用户所请求的GNSS差分数据流。

差分定位解算：设置4G工作在透传模式，接收到的差分数据流将直接通过串口传送至ARM，ARM再将差分信息通过串口发送给接收机(BD930)，接收机进行差分解算后实时向ARM输出高精度定位结果。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请披露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统，其特征在于，具体包括：

移动CORS站，用于提供差分数据，并将该差分数据发送到数据中心平台；

数据中心平台，用于接收移动CORS站的差分数据，并转发给位移检测终端；还用于存储位移检测终端监测到的风力发电机水平位移、倾角、沉降参数；

位移检测终端，用于监测风力发电机水平位移、倾角、沉降参数；所述位移检测终端包括监测单元和采集单元，所述监测单元包括无线传输模块、主控模块；所述采集单元包括风速传感器和北斗测量天线。

2.根据权利要求1所述基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统，其特征在于，所述移动CORS站，包括定位模块BD930、单片机STM32、路由器；单片机STM32发现某模块工作异常时，进行重启故障处理；定位模块BD930通过路由器连接互联网，将差分数据发送至数据中心平台。

3.根据权利要求1所述基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统，其特征在于，主控模块，包括ARM主控单元、4G传输模块、定位模块BD930、数据传输模块DTU；ARM主控单元通过控制4G传输模块进行差分数据传输，并将该差分数据传输给定位模块BD930进行位置解算，所述定位模块BD930通过倾角算法，计算出倾角数值，并通过数据传输模块DTU发送至数据中心平台。

4.根据权利要求3所述基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统，其特征在于，倾角算法具体包括：

步骤1，建立坐标系：当铁塔未发生倾斜时，以天线相位中心为坐标原点建立东北天坐标系；

步骤2，坐标系旋转：当铁塔发生倾斜后，设天线相位中心在东北天坐标系中的位置坐标为(x,y,z)，以原点为中心旋转东北天坐标系以生成新坐标系，使其y轴经过倾斜后的天线相位中心，坐标系之间的夹角与铁塔的倾斜夹角相等，设倾斜后天线相位中心在新坐标系下的位置坐标为(0,b₁₂，0)；

步骤3，变换矩阵：由坐标旋转变化矩阵可得(x,y,z)与(0,b₁₂，0)之间的关系如下：

步骤4，l₂由接收机测得，继而解算出偏航角和俯仰角如下：

5.根据权利要求4所述基于北斗高精度定位技术的风力发电机监测系统，其特征在于，每一个坐标轴的旋转对应着一个坐标旋转矩阵，相应于X轴，Z轴，Y轴的旋转矩阵为：

其中α偏航角，γ为俯仰角，β为横滚角，本申请对铁塔倾斜的测量只考虑偏航角α和俯仰角γ；设铁塔倾斜前后天线相位中心点在新坐标系中的位置分别为b₁＝[0 0 0]^T,b₂＝[0b₁₂ 0]^T,从东北天坐标系到新坐标系的姿态变换矩阵为：

根据姿态转换矩阵的正交性，即矩阵的转置等于矩阵的逆，由上式将倾斜后天线相位中心点坐标b₂转换为东北天坐标系中得到其当地水平坐标l₂。