CN111585355A - 基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于卫星和自组网通信链路对风电机组进行远程监控的系统，包括卫星通信微基站、自组网基站、风电机组、卫星通信固定站、管理服务器和客户终端。通过风电机组群本地信息采集，并通过自组网通信网进行末端数据采集汇聚，经卫星骨干传输通道进行远程传输，通过访问客户终端即可远程监控风力发电机组的工作和环境状态，并做出及时响应和处理措施，此方式可大幅度提高日常维护工作的时效性、便捷性和安全性，并可大幅降低日常维护成本。远程监控系统卫星通信网采用“TDM/TDMA+资源动态分配”方式实现数据传输，有利于卫星资源使用效率，便于后期新部署风电机组群卫星通信微基站的加入。

Description

基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统
技术领域
本发明属于卫星通信应用、自组网通信应用和远程监控领域，具体涉及一种基于卫星通信和自组网通信实现对风力发电机组进行远程超视距监控系统。
背景技术
随着全球对清洁能源的急迫需求，风力发电市场持续发展，装机量持续增大，但由于风力发电机组运转的特殊性，一般风电机组群大面积部署在自然环境恶劣，且无基础通讯网络或网络覆盖不稳定的偏远地区(又称“信息孤岛”)，不适合采用人工巡检的方式进行维护和管理。
卫星通信是一种大范围、超视距通信手段，具有通信距离远、地理环境受限少、安装部署快等优点，是解决“信息孤岛”与外界通信的最佳手段；同时，随着“万物互联”时代的来临，人们对于小型卫星通信终端基站的需求越来越强，以实现卫星通信在各行各业中的应用。
自组网通信是一种无中心、多跳、自组织的对等式无线通信网络，由既是终端又是路由器的通信节点组成，其网络组建不依赖于基础通信网络。自组网具有快速搭建性、自治性和对等性等特点，广泛应用于临时快速组建网络、通信末端覆盖等场合，如抢险救灾、环境监测、智能网络系统等。
发明内容
针对前述风力发电机组不适合采用人工巡检的方式来进行维护和管理的问题，本发明提供了一种基于卫星和自组网通信链路实现对风力发电机组进行超远程超视距监控系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统，包括卫星通信微基站、自组网基站、风电机组、风电机组管理中心、卫星通信固定站、管理服务器和客户终端；所述风电机组包括机组各功能模块、各功能模块传感器和数据采集传输模块，数据采集传输模块与各功能模块传感器连接；所述卫星通信微基站属对外远程通信枢纽节点，部署在至少2台风电机组端；所述自组网基站属末端区域信息采集节点，部署在每台风电机组端，实现机组全覆盖，通过所述风电机组所述数据采集传输模块与卫星通信微基站和所属风电机组各功能模块传感器连接；所述卫星通信固定站部署在风电机组管理中心或建筑物顶部，通过通信卫星与所述卫星通信微基站实现远程空中连接，并通过地面有/无线方式与所述管理服务器连接；所述管理服务器部署在风电机组管理中心，并安装系统管理后台软件，通过地面有/无线方式与所述客户端连接；所述客户终端部署在风电机组管理中心，并安装系统管理的人机交互软件；所述卫星通信微基站和自组网基站安装在所述风电机组机舱外壳顶部。
进一步的，所述卫星通信微基站采用模块化设计，包括卫星通信天线、射频、基带和接口模块，其中：天线模块对来自射频模块的射频信号进行放大并经通信卫星通信转发器发至所述卫星通信固定站，对所述卫星通信固定站经卫星通信转发器发来的射频信号进行放大后送给射频模块；射频模块对来自基带的中频信号进行变频和放大后发给天线模块，对来自天线模块的射频信号进行放大和变频后发动给基带模块；基带模块将射频模块发来的中频信号进行解调、译码和模数转换后送至接口模块，将接口模块发来的数字信号进行数模转换、编码和调制后发给射频模块；接口模块负责与外部连接，包括通过信号线缆与所述风电机组的数据采集传输模块，进而与所述自组网基站互通，通过电源线缆与所属风电机组供电模块连接，为射频和基带模块提供工作用电。
进一步的，所述自组网基站采用模块化设计，包括天线、射频、基带、接口和定位模块，其中：天线模块对来自射频模块的射频信号进行放大并经无线链路发至所述风电机组群其他所述自组网基站，对风电机组其他所述自组网基站经无线链路发来的射频信号进行放大后送给射频模块；射频模块对来自基带的中频信号进行变频和放大后发给天线模块，对来自天线模块的射频信号进行放大和变频后发动给基带模块；基带模块将射频模块发来的中频信号进行解调、译码和模数转换后送至接口模块，将接口和定位模块发来的数字信号进行数模转换、编码和调制后发给射频模块；定位模块用于标定所属风电机组的位置信息，便于远程监控系统对所述风电机组进行定位；接口模块负责与外部连接，包括通过信号线缆与所述风电机组的数据采集传输模块，进而与所述卫星通信微基站互通，通过电源线缆与所属风电机组供电模块连接，为射频和基带模块提供工作用电。
进一步的，所述卫星通信固定站包括卫星通信天线、射频和基带设备，其中：卫星通信天线对来自射频设备的射频信号进行放大并经通信卫星通信转发器发至所述卫星通信微基站，对所述卫星通信微基站经卫星通信转发器发来的射频信号进行放大后送给射频模块；射频设备对来自基带设备的中频信号进行变频和放大后发给卫星通信天线，对来自卫星通信天线的射频信号进行放大和变频后发动给基带设备；基带设备将射频设备发来的中频信号进行解调、译码和模数转换后经地面有/无线链路发给管理服务器并最终发至所述客户端，将管理服务器发来的数字信号进行数模转换、编码和调制后发给射频设备。
进一步的，所述卫星通信采用“TDM/TDMA+资源动态分配”传输方式。
进一步的，所述“资源动态分配”为动态时隙分配。
进一步的，所述卫星通信微基站和自组网基站通过中空支架方式安装在所述风电机组机舱外壳顶部，支架中空内部布设数据和供电线缆。
进一步的，所述管理服务器为APP服务器或Web服务器。
进一步的，所述客户终端通用计算机、PAD或智能手机。
进一步的，所述系统采用“远程骨干+末端覆盖”方式；
进一步的，所述“远程骨干”为卫星通信，“末端覆盖”为自组网覆盖。
有益效果：(1)通过风电机组群本地信息采集，并通过自组网通信网进行末端数据采集汇聚，经卫星骨干传输通道进行远程传输，实现维护人员无需进行人工巡检，通过访问客户终端即可远程监控风力发电机组的工作和环境状态，并做出及时响应和处理措施，此方式可大幅度提高日常维护工作的时效性、便捷性和安全性，并可大幅降低日常维护成本；(2)所述远程监控系统卫星通信网采用“TDM/TDMA+资源动态分配”方式实现数据传输，有利于卫星资源使用效率，便于后期新部署风电机组群卫星通信微基站的加入；同时，有利于系统工作的灵活性，可实时满足不同卫星通信微基站差异化带宽需求，最大限度的提升系统通信容量；(3)所述卫星通信微基站采用模块化、一体化设计，减少基站整体组成，避免传统卫星通信基站天线、射频和基带分开设计、安装带来的安装使用不便、寿命低，以及可靠性、维修性相对较差的缺点，提高卫星通信基站安装和使用的实用和适用性，并可增强防水能力；(4)通过中空结构设计可提高基站抗风能力，各类线缆可由中空部位布设，实现美观、实用，进一步提高基站工作的可靠性和寿命；(5)硬件工程实施简单，便于实际推广与应用，软件平台适应性强，便于实时远程监控。
附图说明
图1是本发明提供的远程监控系统的整体应用示意图。
图2是本发明提供的远程监控系统的应用流程示意图。
图3是本发明提供的远程监控系统卫星通信微基站内部原理图。
图4是本发明提供的远程监控系统自组网基站内部原理图。
图5是本发明提供的远程监控系统卫星通信固定站原理图。
图6是本发明提供的远程监控系统风电机组端卫星通信和自组网基站安装及连接示意图。
图7是本发明提供的远程监控系统风电机组端自组网基站安装及连接示意图。
具体实施方式
以下结合上述附图和具体实施例，对本发明提供的基于卫星和自组网通信的风力发电远程监控系统提进行详细描述。
本实施例提供的所述基于卫星和自组网通信的风力发电远程监控系统，包括卫星通信微基站、自组网基站、风电机组、卫星通信固定站、管理服务器和客户终端。
其中，所述卫星通信微基站为对外(管理中心)通信枢纽节点，而日常监控信息传输所需带宽较小，无需大面积部署，正常使用安装一台即可，但考虑到一台卫星通信微基站异常故障将导致整个风电机组群无法对外通信，可考虑安装备份微基站，因此综合实用性、经济性、可靠性考虑根据风电机组群规模，选择在至少2台风电机组上安装上述卫星通信微基站。所述卫星通信微基站由所述风电机组供电模块提供供电，并通过所述风电机组所述数据采集传输模块与所述自组网基站连接，实现数据汇聚转发与分发。
所述自组网基站属区域信息采集节点，在所述风电机组群每台风电机组安装，由所述风电机组供电模块提供供电，通过所述风电机组所述数据采集传输模块与卫星通信微基站和所属风电机组各功能模块传感器连接，实现与所述卫星通信微基站信息交互、与所述风电机组状态信息采集和下发、所处位置信息上报，以及自组网网内信息传输和转发。
所述风电机组数据采集传输模块与所属风电机组各功能模块传感器连接，实现所述风电机组内部工作状态信息的采集，以及对所属风电机组内部各功能模块的控制类信息分发。所述风电机组数据采集传输模块同时与所属卫星通信微基站和所述自组网基站连接，实现采集数据的上报和控制类信息的接收。
所述卫星通信微基站和自组网基站通过中空支架方式安装在所述风电机组机舱外壳顶部，支架中空内部布设数据和供电线缆。
所述卫星通信固定站部署在管理中心地面或建筑物顶部，通过通信卫星与所述卫星通信微基站实现空中连接，用于接收经所述卫星通信微基站回传的风电机组群内各风电机组工作状态信息、并向所述风电机组下发控制类信息，通过地面有/无线方式与所述管理服务器连接，实现各类监控信息的双向传输。
所述管理服务器安装所属远程监控系统后台软件，并通过地面有/无线方式与所述客户端连接，实现与所述客户端间各类监控信息的双向传输；所述客户端安装人机交互界面，实现操作人员对所述风电机组的监控。
如图1、图2所示，在所述远程监控系统拓扑中，风电机组群内所述风电机组内部由数据采集传输模采集其各功能模块的运行状态类信息，由安装在所述风电机组上的所述自组网基站进行自组网网内部信息传输，并同所述自组网基站位置信息一同经数据采集传输模块发送给所述卫星通信微基站，由其经通信卫星转发器发送给所述卫星通信固定站；所述卫星通信固定站安装在管理中心，与所述卫星通信微基站工作在同一通信微信转发器覆盖范围内，所述卫星通信固定站将收到的所述风电机组运行转改信息经地面有/无线链路发送给所述管理服务器，并经地面有/无线链路发送给所述客户端向用户显示；同时，经该流程可将所述卫星通信微基站和所述自组网基站的工作状态上报至管理中心。所述客户端的管理类信息下发过程与上述运行状态类信息的上报过程相反。
如图3所示，所述卫星通信微基站采用模块化设计，其中：天线模块对来自射频模块的射频信号进行放大并经通信卫星通信转发器发至所述卫星通信固定站，对所述卫星通信固定站经卫星通信转发器发来的射频信号进行放大后送给射频模块；射频模块对来自基带的中频信号进行变频和放大后发给天线模块，对来自天线模块的射频信号进行放大和变频后发动给基带模块；基带模块将射频模块发来的中频信号进行解调、译码和模数转换后送至接口模块，将接口模块发来的数字信号进行数模转换、编码和调制后发给射频模块；接口模块负责与外部连接，包括通过信号线缆与所述风电机组的数据采集传输模块，进而与所述自组网基站互通，通过电源线缆与所属风电机组供电模块连接，为射频和基带模块提供工作用电。
图4所示，所述自组网基站采用模块化设计，其中：天线模块对来自射频模块的射频信号进行放大并经无线链路发至所述风电机组群其他所述自组网基站，对风电机组其他所述自组网基站经无线链路发来的射频信号进行放大后送给射频模块；射频模块对来自基带的中频信号进行变频和放大后发给天线模块，对来自天线模块的射频信号进行放大和变频后发动给基带模块；基带模块将射频模块发来的中频信号进行解调、译码和模数转换后送至接口模块，将接口和定位模块发来的数字信号进行数模转换、编码和调制后发给射频模块；定位模块用于标定所属风电机组的位置信息，便于远程监控系统对所述风电机组进行定位；接口模块负责与外部连接，包括通过信号线缆与所述风电机组的数据采集传输模块，进而与所述卫星通信微基站互通，通过电源线缆与所属风电机组供电模块连接，为射频和基带模块提供工作用电。
图5所示，所述卫星通信固定站由卫星通信天线、射频和基带设备组成，其中：卫星通信天线对来自射频设备的射频信号进行放大并经通信卫星通信转发器发至所述卫星通信微基站，对所述卫星通信微基站经卫星通信转发器发来的射频信号进行放大后送给射频模块；射频设备对来自基带设备的中频信号进行变频和放大后发给卫星通信天线，对来自卫星通信天线的射频信号进行放大和变频后发动给基带设备；基带设备将射频设备发来的中频信号进行解调、译码和模数转换后经地面有/无线链路发给管理服务器并最终发至所述客户端，将管理服务器发来的数字信号进行数模转换、编码和调制后发给射频设备。
所述管理服务器安装远程监控系统后台运行软件，用于对所述风电机组、卫星通信微基站和自组网基站的自动运行管理、日志存储、异常告警等，并接受所述客户端人机交互软件的数据调用和参数设置。
所述客户端安装人机交互软件，可调用所述管理服务器后台运行软件相关数据，以及操作人员对所述风电机组、卫星通信微基站和自组网基站进行控制管理。
如图6、图7所示，借助风电机组包括部署环境、安装空间、通信高度以及供电等方面的天然优势，所述卫星通信微基站和自组网基站安装在所述风电机组机舱外壳顶部，并通过所述风电机组采集数据和供电。
综合以上对所述远程监控系统架构和节点结构的详细描述，该系统组成简单、易实现，更可实现操作人员对部署偏远、交通不便、通信不畅的风电机组群进行远程监控，避免人工巡检带来的时效性差、安全性低、成本高的缺点，整体上便于推广与应用。
通过采用“TDM/TDMA”传输方式，可提高卫星通信微基站抗干扰工作能力和卫星资源频率利用率，便于后期扩容，降低基站复杂性。同时，通过采用“资源动态分配”，可动态调整卫星通信微基站的通信能力，对于有大容量实时数据传输需求的卫星通信微基站可实时增大通信时隙，增强了系统工作的灵活性，进一步提高了卫星源利用率，最大限度的提升系统通信容量。
所述远程监控系统采用“远程骨干+末端覆盖”方式实现风电机组群的远程监管，仅在风电机组群内选择性部署所述卫星通信微基站作为远程骨干传输节点，在风电机组群内部采用低成本的自组网基站进行数据采集和汇聚，避免大面积安装所述卫星通信微基站带来的硬件和卫星资源租赁成本。
所述卫星通信微基站采用模块化、一体化设计，避免传统卫星通信基站各功能独立组成带来的设计、安装、连接和使用复杂，可靠性、维修性差，以及使用寿命低、维护成本高等缺点。
所述卫星通信微基站和自组网基站机壳采用优化风阻设计，并通过2个中空支架安装在所述风电机组外壳顶部，有利于安装的可靠性，两个中空支架分别布设电源和信号线缆，有利于信号的稳定传输，并可提高使用寿命。
所述管理服务器采用Web服务器或APP服务器，所述客户端平台采用包括计算机、PAD和智能手机在内通用平台，提高了操作人员远程监控的便捷性。
在此需要说明的是，尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统，其特征在于，包括卫星通信微基站、自组网基站、风电机组、风电机组管理中心、卫星通信固定站、管理服务器和客户终端；所述风电机组包括机组各功能模块、各功能模块传感器和数据采集传输模块，数据采集传输模块与各功能模块传感器连接；所述卫星通信微基站属对外远程通信枢纽节点，部署在至少2台风电机组端；所述自组网基站属末端区域信息采集节点，部署在每台风电机组端，实现机组全覆盖，通过所述风电机组所述数据采集传输模块与卫星通信微基站和所属风电机组各功能模块传感器连接；所述卫星通信固定站部署在风电机组管理中心或建筑物顶部，通过通信卫星与所述卫星通信微基站实现远程空中连接，并通过地面有/无线方式与所述管理服务器连接；所述管理服务器部署在风电机组管理中心，并安装系统管理后台软件，通过地面有/无线方式与所述客户端连接；所述客户终端部署在风电机组管理中心，并安装系统管理的人机交互软件；所述卫星通信微基站和自组网基站安装在所述风电机组机舱外壳顶部。
2.根据权利要求1所述的一种基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统，其特征在于，所述卫星通信微基站采用模块化设计，包括卫星通信天线、射频、基带和接口模块，其中：天线模块对来自射频模块的射频信号进行放大并经通信卫星通信转发器发至所述卫星通信固定站，对所述卫星通信固定站经卫星通信转发器发来的射频信号进行放大后送给射频模块；射频模块对来自基带的中频信号进行变频和放大后发给天线模块，对来自天线模块的射频信号进行放大和变频后发动给基带模块；基带模块将射频模块发来的中频信号进行解调、译码和模数转换后送至接口模块，将接口模块发来的数字信号进行数模转换、编码和调制后发给射频模块；接口模块负责与外部连接，包括通过信号线缆与所述风电机组的数据采集传输模块，进而与所述自组网基站互通，通过电源线缆与所属风电机组供电模块连接，为射频和基带模块提供工作用电。
3.根据权利要求1所述的一种基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统，其特征在于，所述自组网基站采用模块化设计，包括天线、射频、基带、接口和定位模块，其中：天线模块对来自射频模块的射频信号进行放大并经无线链路发至所述风电机组群其他所述自组网基站，对风电机组其他所述自组网基站经无线链路发来的射频信号进行放大后送给射频模块；射频模块对来自基带的中频信号进行变频和放大后发给天线模块，对来自天线模块的射频信号进行放大和变频后发动给基带模块；基带模块将射频模块发来的中频信号进行解调、译码和模数转换后送至接口模块，将接口和定位模块发来的数字信号进行数模转换、编码和调制后发给射频模块；定位模块用于标定所属风电机组的位置信息，便于远程监控系统对所述风电机组进行定位；接口模块负责与外部连接，包括通过信号线缆与所述风电机组的数据采集传输模块，进而与所述卫星通信微基站互通，通过电源线缆与所属风电机组供电模块连接，为射频和基带模块提供工作用电。
4.根据权利要求1所述的一种基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统，其特征在于，所述卫星通信固定站包括卫星通信天线、射频和基带设备，其中：卫星通信天线对来自射频设备的射频信号进行放大并经通信卫星通信转发器发至所述卫星通信微基站，对所述卫星通信微基站经卫星通信转发器发来的射频信号进行放大后送给射频模块；射频设备对来自基带设备的中频信号进行变频和放大后发给卫星通信天线，对来自卫星通信天线的射频信号进行放大和变频后发动给基带设备；基带设备将射频设备发来的中频信号进行解调、译码和模数转换后经地面有/无线链路发给管理服务器并最终发至所述客户端，将管理服务器发来的数字信号进行数模转换、编码和调制后发给射频设备。
5.根据权利要求1所述的一种基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统，其特征在于，所述卫星通信采用“TDM/TDMA+资源动态分配”传输方式。
6.根据权利要求5所述的一种基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统，其特征在于，所述“资源动态分配”为动态时隙分配。
7.根据权利要求1所述的一种基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统，其特征在于，所述管理服务器为APP服务器或Web服务器。
8.根据权利要求1所述的一种基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统，其特征在于，所述客户终端通用计算机、PAD或智能手机。
9.根据利要求1所述的一种基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统，其特征在于，所述系统采用“远程骨干+末端覆盖”方式。
10.根据权利要求9所述的一种基于卫星和自组网通信的风力发电机组远程监控系统，其特征在于，所述“远程骨干”为卫星通信，“末端覆盖”为自组网覆盖。
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