无线传感器网络在风力发电机组状态监测中的应用研究

摘要

当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题是能源、环境问题。风能作为可再生的清洁能源，世界各国都在大力开发，如何利用风力发电机将风能转换成电能是各国开发的重点。我国在自主开发风力发电机组的同时，也遇到了许多关键技术需要突破。为了深入了解机组运行特征与故障状态，我们就需要发展一种设备状态监测技术来更好的监测设备。目前，随着国外对风力发电机组领域的进一步研究，我国也在对风力发电机组的相关领域加速进行自主研发，其中振动监测是风力发电机组状态监测的关键技术之一。风力发电机组振动状态监测的主要特点是：监测点数量多，监测时间长，监测情况复杂。传统风力发电机组状态监测手段的缺点是：网络布线困难、节点智能化程度不高，针对这种情况，本论文设计了基于ZigBee协议的风力发电机组状态监测网络系统。该监测系统的优势是：网络布局方便，节点数量大，可靠性高，可远程操控。
　　 首先，本文对大型风力发电机组的振动情况进行了研究，明确了机组易发生故障的部位和其振动机理，从而进一步明确了测点布局。
　　 其次，对无线传感器网络的结构、分层模型和关键技术进行了研究，针对无线传感器节点由于布局受限，分布不均匀造成的无法自组织连通网络的情况，提出了一种中继节点布局方法，在保证网络生存周期的前提下实现了网络的连通，并且利用数据分流方法和数据汇集方法减少了中继节点数目，进而降低了系统的成本。
　　 然后，通过几种无线通讯技术的研究比较，确定了风力发电机组状态监测所用到的无线技术既ZigBee技术，该技术的特点是：功耗低，网络的自组织、自愈能力强，通信可靠，成本低廉。接着对TI公司的Z-Stack协议栈（基于ZigBee2006标准）进行了研究。
　　 最后，针对本论文的风力发电机组状态监测网络系统，我们进行了硬件设计和软件设计。在硬件设计方面，主要设计了三个模块（微处理器模块、数据采集模块、天线模块）。在软件设计方面，设计了上位机的监控软件和基于ZigBee技术的风力发电机组状态监测网络系统中对于三种节点（协调器，路由器，终端）的软件设计，最后在实验室进行了模拟实验。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 风力发电机组状态监测的国内外研究现状及存在的问题

1.2.1 国外风力发电机组状态监测技术研究现状

1.2.2 国内风力发电机组状态监测技术研究现状

1.2.3 风力发电机组状态监测存在的问题

1.3 研究的目的与意义

1.4 研究的主要内容

2 风力发电机组振动机理研究

2.1 风力发电机组工作原理与结构组成

2.2 风力发电机组振动机理分析

2.2.1 风力发电机组叶片振动研究

2.2.2 风力发电机组整机振动研究

2.2.3 主传动系统轴不对中

2.2.4 增速箱振动分析

2.2.5 发电机故障

2.2.6 偏航系统故障

2.3 风力发电机组振动特征

2.3.1 风力发电机组状态监测内容

2.3.2 监测点的选取与确定

2.3.3 测量参数的确定

2.3.4 传感器的选用

2.4 本章小节

3 无线传感器网络理论

3.1 无线传感器网络介绍

3.2 无线传感器网络国内外的研究现状

3.3 无线传感器网络结构及其特点

3.3.1 无线传感器网络结构

3.3.2 传感器节点结构

3.3.3 无线传感器网络协议栈

3.3.4 无线传感器网络的特点

3.4 无线传感器网络的关键技术

3.5 本章小结

4 中继节点的布局方法

4.1 约束条件及能耗模型

4.1.1 约束条件

4.1.2 能耗模型

4.2 问题定义

4.3 布局方法

4.3.1 网络最长寿命估算

4.3.2 中继节点的布局方法

4.4 减少中继节点数目的方法

4.4.1 数据的分流方法

4.4.2 数据的汇集方法

4.5 本章小结

5 ZigBee技术的研究

5.1 几种短距离无线通信技术的比较

5.2 ZigBee/IEEE802.15.4标准

5.2.1 ZigBee技术的特点和应用

5.2.2 ZigBee/IEEE802.15.4标准介绍

5.2.3 Z-Stack协议栈研究

5.3 本章小结

6 基于ZigBee技术的风力发电机组状态监测系统的应用研究

6.1 系统网络节点的硬件设计

6.2 系统软件部分设计

6.3 振动信号的实验测试

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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