基于 Sub-1 GHz 的海上風電狀態(tài)監(jiān)控節(jié)點設計

時間：2021-11-12 17:00:38

關鍵字： Sub-1 GHz 海上風電監(jiān)控節(jié)點無線傳輸監(jiān)控系統(tǒng) 傳感器

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[導讀]摘要：目前國內(nèi)外海上風機的監(jiān)控大多沿用陸上風電監(jiān)控系統(tǒng)的有線通信方式，布線難度高且不利于擴建，大幅增加了海上風電的運維成本。針對以上問題，設計了一種基于 Sub-1 GHz 頻段的海上風電機組運行狀態(tài)監(jiān)測傳感器節(jié)點。通過分析海上風電機組發(fā)生故障的類型，確定風電機組監(jiān)測的關鍵測點，并設計了監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，通過分析某海上風電實際案例，設計了節(jié)點硬件電路，結(jié)合其組網(wǎng)運行的軟件設計，實現(xiàn)輕量級海上風電監(jiān)控。實驗數(shù)據(jù)表明，所設計的無線傳感器節(jié)點功耗低、傳輸距離長，可滿足海上風電機組監(jiān)控系統(tǒng)的需要。

引言

在世界傳統(tǒng)能源形勢日益嚴峻的今天，各國越來越重視清潔能源的發(fā)展。在發(fā)展最快的風力發(fā)電領域，海上風力發(fā)電具有發(fā)電時間長、節(jié)省土地資源等優(yōu)勢。但由于發(fā)電設備遠離大陸，海上環(huán)境惡劣多變，工作人員難以進行定期的巡回檢查，因此海上風電的運維成本居高不下，占到項目生命周期成本的 18% ～ 23%[1]。所以使用安全穩(wěn)定的海上風電監(jiān)測系統(tǒng)是降低海上風電成本的有效手段。

風力發(fā)電作為世界上發(fā)展最快的新能源發(fā)電技術，國內(nèi)外對風力發(fā)電機組的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)已經(jīng)有了較為深入的研究，一批成熟可靠的有線通信系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛使用。目前海上風電仍沿用陸上風電場的監(jiān)控手段，這種有線通信方式無法適應海上風電的特殊性，在海底布置線纜不僅難度大，還容易被海水腐蝕，導致海上風機故障頻發(fā)，造成很大的損失。其次，有線通信方式在面對較多機組時，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量受到影響。如今海上風機裝機容量不斷增加，海上風電場趨于大型化，有線通信方式顯然難以滿足海上風電監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，無線通信技術也被應用到風電監(jiān)控領域 [2-3]。汪科等提出一種基于 3G 網(wǎng)絡的風電故障檢測系統(tǒng) [4]。將設備在風電機組上采集到的數(shù)據(jù)，通過 3G 網(wǎng)絡傳輸給后臺進行分析處理，而 3G 網(wǎng)絡的質(zhì)量取決于運營方基站信號的覆蓋，海上風電場往往離岸較遠，3G 網(wǎng)絡信號較差，而且增設或改建 3G 基站的成本極高。秦旭斌針對這種狀況提出了一種基于 ZigBee 的海上風電長距離監(jiān)控節(jié)點 [5]，它不依賴大功率基站，可通過在風機上裝設傳感器節(jié)點與網(wǎng)關通信，具有功耗低、自組網(wǎng)、組建方便等優(yōu)勢。但 ZigBee作為一種短距離局域網(wǎng)技術，其傳輸距離即使加強功率也僅有數(shù)百米，難以滿足大型海上風電場的需求。

因此，本文提出一種基于 Sub-1GHz的海上風電監(jiān)控系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計。相比 WiFi、藍牙與 ZigBee 技術，頻率更低的 Sub-1GHz頻帶通信具有更遠的通信距離以及更好的穿透力，并避開了較為擁堵的 2.4GHz頻帶，可通過跳頻等方式提供更好的抗干擾性。該節(jié)點基于 TI- 15.4Stack 協(xié)議棧，組網(wǎng)方便，易于使用。本文首先介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架以及工作原理，再分別從硬件與軟件方面設計了系統(tǒng)的發(fā)射節(jié)點。經(jīng)過實驗測試可知，該節(jié)點收發(fā)功率消耗低，傳播距離遠，可以實現(xiàn)輕量級海上風電監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于 Sub-1 GHz 節(jié)點的海上風電監(jiān)控系統(tǒng)分為海上機組與岸邊后臺兩部分，包括安裝在機組與測控傳感器相接的發(fā)射節(jié)點，設置在岸邊用于接收集總數(shù)據(jù)的網(wǎng)關節(jié)點，以及用于提高中繼信號傳輸效率的中繼節(jié)點。

傳感器測點主要由轉(zhuǎn)速測點、振動測點與溫度測點組成，它們分布在風電機組的各個關鍵位置，用以反映設備運行時的狀態(tài)，并與發(fā)射節(jié)點相接以采集信號，將采集到的信號傳輸?shù)桨l(fā)射節(jié)點上，發(fā)射節(jié)點對信號進行處理后通過無線網(wǎng)絡集中傳輸給岸邊后臺的網(wǎng)關節(jié)點，最后由網(wǎng)關通過以太網(wǎng)等上傳給集控中心進行檢測與分析。

2 系統(tǒng)硬件設計

某大型海上風電場北端距岸線 8 km，南端距岸線 13 km，由 20 臺 3 MW 風機分成三排布置，風機南北間距 750 m，東西間距 1.2 km。在保證傳輸速率的條件下，需滿足傳輸距離的要求，且盡可能減少中繼次數(shù)，兩節(jié)點間單條無線鏈路至少提供 10 km 鏈路長度。

本系統(tǒng)中的節(jié)點按功能劃分，主要分為發(fā)射節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點、中繼節(jié)點，不同節(jié)點在硬件方面雖然由于功能的區(qū)別在 I/O 拓展口等部分略有不同，但其核心 MCU 以及 RF 射頻模塊均采用同種配置，本文將以系統(tǒng)發(fā)射節(jié)點為例，介紹節(jié)點的相關電路設計。

系統(tǒng)發(fā)射節(jié)點直接與傳感器相連，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU 處理后傳輸給 RF 射頻模塊，變?yōu)樯漕l信號，射頻信號工作在 Sub-1 GHz 頻段，為了使系統(tǒng)傳輸距離能夠滿足海上風電監(jiān)控場合的實際需要，通過功率放大器增強收發(fā)功率，最后經(jīng)天線增益發(fā)送至網(wǎng)關節(jié)點，由網(wǎng)關節(jié)點上傳至集控中心，實現(xiàn)遠距離監(jiān)控。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。