CN110080945A - 风力发电机系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种风力发电机系统。所述系统包括：相互电连接的风力发电机组和窄带物联网通信设备；其中，所述窄带物联网通信设备，用于在从低功耗PSM模式进入业务模式时，获取所述风力发电机组的当前运行数据，并将所述运行数据通过窄带物联网发送给数据中心服务器。采用本系统能够降低通信成本和功耗。
Description
技术领域
本申请涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风力发电机系统。
背景技术
随着对清洁能源的旺盛需求，风力发电机装机容量越来越大。
风力发电机组往往位于偏远地区，这种节能环保的发电方式可以较好解决偏远地区的供电问题；因此风电运营商需要对风力发电机组进行远程监控，以便可以获知风力发电机组的运行状态等信息；具体可以通过2G、3G、4G甚至5G网络实现远程监测即可。
然而，上述方案存在通信功耗和成本过高的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低通信功耗和成本的风力发电机系统。
一种风力发电机系统，包括：相互电连接的风力发电机组和窄带物联网通信设备；
其中，所述窄带物联网通信设备，用于在从低功耗PSM模式进入业务模式时，获取所述风力发电机组的当前运行数据，并将所述运行数据通过窄带物联网发送给数据中心服务器。
在其中一个实施例中，所述窄带物联网通信设备包括：主控芯片、与所述主控芯片连接的收发芯片；
所述主控芯片包括多个数据接口，并通过所述多个数据接口与所述风力发电机组电连接，用于控制所述窄带物联网通信设备的工作模式，并在所述窄带物联网通信设备处于业务模式时，采集所述风力发电机组的多种类型的运行数据；
所述收发芯片，用于在所述窄带物联网通信设备处于业务模式时，将所述运行数据通过窄带物联网发送给数据中心服务器。
在其中一个实施例中，所述窄带物联网通信设备还包括：第一定时器和第二定时器，分别与所述主控芯片连接；
所述主控芯片还用于根据所述第一定时器和所述第二定时器的到达时刻，控制所述窄带物联网通信设备的工作模式。
在其中一个实施例中，所述收发芯片，还用于在所述窄带物联网通信设备处于业务模式时，通过窄带物联网接收所述数据中心服务器发送的风机控制指令；
所述主控芯片，还用于根据所述风机控制指令控制所述风力发电机组。
在其中一个实施例中，所述窄带物联网通信设备还包括：
定位芯片，与所述主控芯片连接，用于获取所述风力发电机组的位置数据。
在其中一个实施例中，所述主控芯片包括：唤醒接口，与所述风力发电机组电连接；所述主控芯片还用于在检测到所述唤醒接口的输入信号满足唤醒条件时，控制所述窄带物联网通信设备处于业务模式。
在其中一个实施例中，所述窄带物联网通信设备还包括：
存储器，与所述主控芯片连接；
所述主控芯片，还用于将获取的所述运行数据发送给所述存储器存储，以及从所述存储器中获取运行数据以发送到数据中心服务器，并在接收到数据中心服务器针对所述运行数据的已接收反馈时，擦除所述存储器。
在其中一个实施例中，所述窄带物联网通信设备集成有嵌入式身份识别卡，用于存储所述风力发电机组的标识。
在其中一个实施例中，所述窄带物联网通信设备为陶瓷封装。
在其中一个实施例中，当所述窄带物联网通信设备处于低功耗模式时，所述窄带物联网通信设备的工作电流为3.5μA。
上述风力发电机系统，基于风力发电机组的特性，其发电过程平稳安全，无需实时监控运行数据，仅需定时通信即可，例如每天通信几分钟上传运行数据即可；同时风力发电机组一般位于戈壁、草原、海滨等边远地区，需要进行远程监控；采用本实施例的风力发电机系统，窄带物联网通信设备可以在大部分时间工作在低功耗模式，在小部分时间下处于业务模式，这种工作机制恰好与风力发电机组的通信需求相吻合，实现了意想不到的技术效果，可以在保证风力发电机组与数据中心服务器定时通信的情况下，降低功耗；同时，相比传统的4G等通信设备而言，采用窄带物联网通信设备成本更低。
附图说明
图1为一个实施例中风力发电机系统的应用环境图；
图2为一个实施例中风力发电机系统的结构框图；
图3为一个实施例中风力发电机系统的结构框图；
图4为一个实施例中窄带物联网通信设备的结构示意图；
图5为一个实施例中PSM模式的工作周期示意图；
图6为一个实施例中窄带物联网通信设备的封装示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的风力发电机系统，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，该应用环境的网络结构图包括：依次通信连接的风力发电机系统、NB-IoT(Narrow BandInternet of Things，窄带物联网)基站、NB-IoT核心网、NB-IoT服务器、数据中心服务器；风力发电机系统与数据中心服务器可以通过窄带物联网进行通信。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种风力发电机系统，包括：相互电连接的风力发电机组11和窄带物联网通信设备12；
其中，所述窄带物联网通信设备，用于在从低功耗PSM(Power Saving Mode)模式进入业务模式时，获取所述风力发电机组的当前运行数据，并将所述运行数据通过窄带物联网发送给数据中心服务器。
所述数据中心服务器可以通过窄带物联网与多个风力发电机系统进行连接，例如一个风电场中的所有风力发电机系统；其中，风力发电机系统可以包括：所述窄带物联网通信设备和至少一个风力发电机组；多个风力发电机组可以共享一个窄带物联网通信设备，也可以一个风力发电机组对应一个窄带物联网通信设备。
所述窄带物联网通信设备主要可以实现窄带物联网通信，并实现信息的存储、信息的收发以及对风力发电机组的逻辑控制；在使用运营商的窄带物联网网络之后，主要工作模式有PSM(低功耗模式)和业务模式(唤醒工作模式)，并且根据不同的网络协议可以选择唤醒工作模式和低功耗模式的时间及时长。
本发明的窄带物联网通信设备在PSM模式下可以关闭串口通信，至少与风力发电机组的通信接口关闭，与窄带物联网的基站的空口也基本关闭，但仍注册在窄带物联网，唤醒后不需要重新附着；还可以控制设备内部各器件处于低功耗或休眠状态，例如降低相关处理器的频率、降低电源输出电流等，可以实现超低功耗，平均电流在3uA左右。在开机后没有数据传输时窄带物联网通信设备会自动进入低功耗模式。
而在业务模式(唤醒工作模式)模式下，窄带物联网通信设备通过窄带物联网与风力发电机组对应的数据中心服务器通信，实现信息交互，更新风力发电机组的运行数据，这一阶段的平均电流为9mA左右。
在一种实施方式中，所述窄带物联网通信设备处于低功耗模式的时长大于处于业务模式的时长；具体地，所述窄带物联网周期性地在低功耗模式下和业务模式下切换，相应地，低功耗模式下的周期时长大于业务模式下的周期时长。
基于风力发电机组的特性，其发电过程平稳安全，无需实时监控运行数据，仅需定时通信即可，例如每天通信几分钟上传运行数据即可；同时风力发电机组一般位于戈壁、草原、海滨等边远地区，需要进行远程监控；采用本实施例的风力发电机系统，窄带物联网通信设备可以在大部分时间工作在低功耗模式，在小部分时间下处于业务模式，这种工作机制恰好与风力发电机组的通信需求相吻合，实现了意想不到的技术效果，可以在保证风力发电机组与数据中心服务器定时通信的情况下，降低功耗；同时，相比传统的4G等通信设备而言，采用窄带物联网通信设备成本更低。
可选地，当所述窄带物联网通信设备处于低功耗模式时，所述窄带物联网通信设备的工作电流为3.5μA。低功耗模式下窄带物联网通信设备的工作电流的典型值可到3.5uA；在此模式下，设备内部基本都断电，仅保留很少逻辑，并支持唤醒功能。用于风力发电机组的窄带物联网通信设备可以超低3.5uA左右的待机功耗(即PSM模式)做到节能环保，小电池电量做到较长的使用时间。
参照表1，示出了所述窄带物联网通信设备的几种工作模式：
表1：窄带物联网通信设备的工作模式
除了工作模式和低功耗模式之外，窄带物联网通信设备还可以处于未上电模式和待机模式；其中，未上电模式即电源未连接，处于关机状态；待机模式下电源连接(器件电源端有电压)，设备完全启动，并注册上窄带物联网，准备随时可以通信。
在一种实施方式中，参照图3所示，窄带物联网通信设备12通过多个数据接口实现对风力发电机组11的信息交互和逻辑控制。所述窄带物联网通信设备12包括：主控芯片121、与所述主控芯片121连接的收发芯片122；所述主控芯片121可以包括多个数据接口，并通过所述多个数据接口与所述风力发电机组电11连接，用于控制所述窄带物联网通信设备的工作模式，并在所述窄带物联网通信设备处于业务模式时，采集所述风力发电机组的多种类型的运行数据；所述收发芯片，用于在所述窄带物联网通信设备处于业务模式时，将所述运行数据通过窄带物联网发送给数据中心服务器。
示例性地，所述多个数据接口可以包括但不限于UART(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步收发传输器)、I2C(Inter-Integrated Circuit，两线式串行总线)、SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)、I2S(Inter-IC Sound，集成电路内置音频总线)、PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)、ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)、keypad(按键接口)、GPIO(General Purpose Input Output，通用输入/输出口)、ISC(IMSSecurity Control，IP多媒体子系统服务控制接口)。
风力发电机组可以包括控制器和多种传感器；所述多个数据接口可以与所述控制器和多种传感器分别连接，丰富的数据接口可以为风力发电机组的远程监控提供丰富的选择，可以实现自动采集风力发电机组的多种类型的运行数据，如风力发电机组工作状态信息、发电量信息、环境温度、环境湿度等多种运行数据，避免存在接口不适配的问题，并实现了基于多种运行数据的远程监控。
所述风力发电机系统还可以包括电源13，分别与窄带物联网通信设备12和风力发电机组11连接，用于对窄带物联网通信设备和风力发电机组(控制器和传感器)进行供电。
在一种实施方式中，所述收发芯片，还用于在所述窄带物联网通信设备处于业务模式时，通过窄带物联网接收所述数据中心服务器发送的风机控制指令；所述主控芯片，还用于根据所述风机控制指令控制所述风力发电机组。简单来说，窄带物联网通信设备可以通过窄带物联网接收数据中心服务器发送的风机控制指令并执行，实现数据中心服务器对风力发电机组的远程控制，丰富的数据接口也便于各类风机控制指令的执行。
总体来说，参照图4所示，所述窄带物联网通信设备可以包括：主控芯片(NB主控芯片)121、收发芯片122、存储器123、电源管理芯片124、时钟/晶体125以及其他阻容感器件。其中，其中，时钟/晶体125可以为窄带物联网通信设备的正常工作提供准确的时间。
其中，主控芯片121可以是一种高度集成的应用处理器芯片，可以包括低功耗的多波段窄带物联网收发器，用于支持3GPP R13/R14radio(窄带物联网规范)，还可以包括处理器、数模转换器、模数转换器等；不仅仅可以完成逻辑控制同时还可以处理射频信号的收发；同时还提供了如上所述的丰富的接口。
其中，收发芯片122可以包括：天线接口，用于与天线连接；射频开关，与所述主控芯片和所述天线接口分别连接，用于接收所述主控芯片发送的开关控制指令，并根据所述开关控制指令控制天线工作状态(选择频段、接收模式、发射模式等)进行射频信号的收发；射频芯片(NB射频芯片)，与所述主控芯片和所述射频开关分别连接，用于接收所述主控芯片发送的发射控制指令和运行数据，以及根据所述发射控制指令，将所述运行数据转换为窄带物联网协议的射频信号，并通过所述天线发射出去。收发芯片还可以包括滤波器，位于射频芯片和射频开关之间，可以对射频芯片发送的射频信号进行滤波。
其中，电源管理芯片124可用于电源电压(VBAT)的转换，主控芯片通过控制电源管理芯片给主控芯片以及窄带物联网通信设备的其它器件供电。
其中，存储器123用于数据的存储，与所述主控芯片连接；所述主控芯片可以将获取的所述运行数据发送给所述存储器存储；当需要将运行数据传递给数据中心服务器时，即处于业务模式下时，主控芯片可以从所述存储器中获取运行数据，并通过窄带物联网将运行数据传递给数据中心服务器，数据中心接收到运行数据后给窄带物联网通信设备反馈一个已接收的信息，这时主控芯片就会将存储器中存储的数据进行擦除，重新进行收集和存储风力发电机组的运行数据。因此，存储器可以选用容量较小的存储器，随用随擦，进一步降低成本。
可选地，所述窄带物联网通信设备还可以包括：第一定时器和第二定时器，分别与所述主控芯片连接；所述主控芯片还用于根据所述第一定时器和所述第二定时器的到达时刻，控制所述窄带物联网通信设备的工作模式。当然，上述第一定时器和第二定时器也可以集成在所述主控芯片内部，这里不再赘述。
参照图5所示的PSM模式工作周期示意图，一方面，窄带物联网通信设备在每一个周期性的TAU(Tracking Area Update，跟踪区更新)中，都有一小段时间处于激活的状态，即业务模式；在业务模式下，窄带物联网通信设备先进入“连接状态(Connect)”，与窄带物联网交互业务数据；在通信完成后，窄带物联网通信设备不会立刻进入PSM模式，而是保持一段时间为“空闲状态(Idle)”，在空闲状态状态下，可以接受窄带物联网侧的寻呼。另一方面，窄带物联网通信设备在与窄带物联网基站建立连接或跟踪区更新(TAU)之后，会向窄带物联网基站发送进入PSM的请求，请求可以包括预设的定时配置信息；窄带物联网基站可以基于请求中携带的标识，判断该标识确定对应该标识的通信服务，并根据通信服务返回同意进入或拒绝进入的应答消息；例如窄带物联网基站可以在应答消息中下发同意进入的消息；窄带物联网通信设备在接收到同意进入的应答消息后，可以根据定时配置信息配置T3324定时器和T3412定时器(与周期性TAU更新相关)，对应上述第一定时器和第二定时器；在定时器T3324到达时，主动芯片可以控制窄带物联网通信设备进入PSM模式；在进入PSM模式后，在定时器T3412到达时，自动退出PSM模式，主动芯片可以控制窄带物联网通信设备进入业务模式，即将自动唤醒并发起寻呼，可以发送‘AT+COPS？’即可重新接入窄带物联网。
示例性地，向窄带物联网基站发送的进入PSM的请求可以如下所示：
AT+CPSMS＝1,,,"01000111","00100100"
其中，“AT+CPSMS＝1”为请求进入PSM模式的AT指令(以AT作首，字符结束的字符串)，“，，，”为间隔符；“01000111”表示T3412定时器的定时时长，与标识位“010”对应；“00100100”表示T3324定时器的定时时长，与标识位“001”对应。
其中，标识位对应的时间可以自定义，如下表2所示，实际可以以窄带物联网下发的配置(标识位对应的时间)为准，这里不再赘述。
表2：一种标识位与时间的对应关系：
当然，窄带物联网通信设备也可以接受窄带物联网下发的第一定时器和第二定时器的定时配置信息，并根据定时配置信息对第一定时器和第二定时器进行配置。数据中心服务器也可以通过窄带物联网向窄带物联网通信设备发送定时配置命令，该定时配置命令可以包括定时配置信息；窄带物联网通信设备可以根据该定时配置信息进行定时器的配置。
窄带物联网通信设备在重新上下电开机时可以保存配置，开机后在T3324定时器配置时间内无数据传输业务，可自动进入PSM模式。
通过以上设置，窄带物联网通信设备就可以通过天线与窄带物联网侧进行通信，然后进入PSM模式；可以预先对窄带物联网通信设备设置PSM模式的时间长度和业务模式的时间长度，即定时配置信息；示例性地，目前的一种窄带物联网协议，PSM模式最长24小时，即进入PSM模式24小时后唤醒一次，进入业务模式。
在一种实施方式中，所述主控芯片包括：唤醒接口，与所述风力发电机组电连接；所述主控芯片还用于在检测到所述唤醒接口的输入信号满足唤醒条件时，控制所述窄带物联网通信设备处于业务模式。例如，唤醒条件可以是输入信号的变化率大于预设阈值，也可以是信号出现下降沿等。具体地，参照图4所示，唤醒接口可以体现为主控芯片的WAKEUP_IN(唤醒)管脚。
示例性地，当风力发电机组需要将运行数据发送给窄带物联网通信设备时，可以主动通过唤醒接口发送异常信号(唤醒信号)，将窄带物联网通信设备从低功耗模式唤醒，进入业务模式，进行上传运行数据等业务。
示例性地，当风力发电机组工作异常时，输入信号可能会异常，则主控芯片同样可以在检测到所述唤醒接口的输入信号满足唤醒条件时，控制所述窄带物联网通信设备处于业务模式，及时上报异常数据。
示例性地，唤醒接口可以连接唤醒开关，唤醒开关在按压状态下可以输出异常信号(唤醒信号)，将窄带物联网通信设备从低功耗模式唤醒，进入业务模式；因此，外界可以通过主动方式，实现唤醒。
此外，参照图4所示，POWER_ON(开机)引脚拉低时(300～800ms)，也可以将窄带物联网通信设备从低功耗模式唤醒至业务模式。
可选地，所述主控芯片还可以包括：软件下载串口，用于与外部设备连接，可以获取软件数据进行软件升级；当然，所述主控芯片还可以通过所述收发芯片通过空口获取软件数据进行软件升级。
可选地，所述窄带物联网通信设备还可以包括：定位芯片(GNSS，全球导航卫星系统)，与所述主控芯片连接，用于获取所述风力发电机组的位置数据。因为风电场一般位于边远地区，人口稀少且范围极大，因此需要对风力发电机组进行定位，已确定其位置；风力发电机组的位置数据可以作为风力发电机组的标识，与风电场对应的地图数据结合，可实现可视化管理。
可选地，所述窄带物联网通信设备集成有嵌入式身份识别卡(eSIM卡)，用于存储所述风力发电机组的标识，该标识可以用于标识风力发电机组，窄带物联网侧也可以根据该标识提供与该标识相应的服务；相比于传统的外设型的识别卡而言，可以做到更好的封装和更好的密闭性，封装后的体积更小。
可选地，参照图6所示，所述窄带物联网通信设备为陶瓷封装。具体地，窄带物联网通信设备可以封装在陶瓷中，示例性地，常规尺寸可以为18.0×15.0×2.0mm(尺寸可以根据外围功能进行调节)；接口金属柱子可以将窄带物联网通信设备的各个接口引出陶瓷封装外，在制作整机(风力发电机系统)时可以直接根据风力发电机组控制器以及其它器件接口选择不同的触点进行连接，并将电源与窄带物联网通信设备的电池接口连接，连接好之后即可以开始工作，满足风力发电机组工作在户外恶劣的工作，同样的，还有唤醒接口、AT串口、软件下载串口、GPIO口、Main ANT(主天线接口)、GPS ANT(GPS全球定位系统天线接口)等。可以理解的是，风电场一般位于恶劣环境下，采用陶瓷封装，可以提高抗磨损、抗高温、抗高湿等性能，可以提高风力发电机系统工作的稳定性。
本领域技术人员可以理解，图2-4,6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种风力发电机系统，其特征在于，包括：相互电连接的风力发电机组和窄带物联网通信设备；
其中，所述窄带物联网通信设备，用于在从低功耗PSM模式进入业务模式时，获取所述风力发电机组的当前运行数据，并将所述运行数据通过窄带物联网发送给数据中心服务器。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述窄带物联网通信设备包括：主控芯片、与所述主控芯片连接的收发芯片；
所述主控芯片包括多个数据接口，并通过所述多个数据接口与所述风力发电机组电连接，用于控制所述窄带物联网通信设备的工作模式，并在所述窄带物联网通信设备处于业务模式时，采集所述风力发电机组的多种类型的运行数据；
所述收发芯片，用于在所述窄带物联网通信设备处于业务模式时，将所述运行数据通过窄带物联网发送给数据中心服务器。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述窄带物联网通信设备还包括：第一定时器和第二定时器，分别与所述主控芯片连接；
所述主控芯片还用于根据所述第一定时器和所述第二定时器的到达时刻，控制所述窄带物联网通信设备的工作模式。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
所述收发芯片，还用于在所述窄带物联网通信设备处于业务模式时，通过窄带物联网接收所述数据中心服务器发送的风机控制指令；
所述主控芯片，还用于根据所述风机控制指令控制所述风力发电机组。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述窄带物联网通信设备还包括：
定位芯片，与所述主控芯片连接，用于获取所述风力发电机组的位置数据。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主控芯片包括：唤醒接口，与所述风力发电机组电连接；所述主控芯片还用于在检测到所述唤醒接口的输入信号满足唤醒条件时，控制所述窄带物联网通信设备处于业务模式。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述窄带物联网通信设备还包括：
存储器，与所述主控芯片连接；
所述主控芯片，还用于将获取的所述运行数据发送给所述存储器存储，以及从所述存储器中获取运行数据以发送到数据中心服务器，并在接收到数据中心服务器针对所述运行数据的已接收反馈时，擦除所述存储器。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述窄带物联网通信设备集成有嵌入式身份识别卡，用于存储所述风力发电机组的标识。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述窄带物联网通信设备为陶瓷封装。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述窄带物联网通信设备处于低功耗模式时，所述窄带物联网通信设备的工作电流为3.5μA。
Priority Applications (1)
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