基于上位机和下位机的小型风力发电场监控系统

摘要

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于上位机和下位机的小型风力发电场监控系统,包括用于输出风力的风机，还包括传感器、下位机、上位机和后台终端，其中：传感器用于获取风机的运行参数；下位机用于接收传感器采集到的运行参数；上位机用于接收并处理运行参数，将运行参数输入预设的模型中，得到风机输出曲线；上位机还用于输入控制指令；下位机还用于接收上位机发送的控制指令，并根据控制指令驱动风机运转；后台终端用于接收并显示运行参数；采用本方案能够解决相关技术中对风机监控不利的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于上位机和下位机的小型风力发电场监控系统。

背景技术

随着风力需求的不断增长，风力发电作为一种可持续的环保的能源解决方案，越来越多的被应用在生活生产中；然而，目前风力发电设备都是比较大型的，需要的安装空间很大，而且需要自然风力才能使用。因为风力发电设备太大，无法安装在高职院校来给学生实践教学，且需要自然风力，所以试验条件受到限制，不利于实验室开展教学实训。

对此，中国专利公开号为CN107871429A的文件中公开了一种课堂实践教学用的风力发电教学实验实训装置，包括风机，防护架和发电扇叶；所述装置本体上设置有防护架；防护架的底侧四角处对称设置有移动轮；防护架的其中一侧边角处设置有控制展示面板；防护架的内部底侧一端位置设置有扇叶收纳箱；棘轮上固定设置有发电扇叶；扇叶收纳箱的一侧设置有前后行进轨道；前后行进轨道的上侧设置有左右行进轨道；左右行进轨道由前后行进电机和前后行进轮及前后行进底座构成；左右行进轨道的上侧设置有风机支撑架。

但是，在教学实验中，操作发电设备的人员通常为学生，由于初学者的操作经验较为薄弱，且操作方式不够规范，极易出现误操作导致发电设备出现各种故障；如果值班人员不在现场，则无法对风力发电机发生的情况进行监控，也无法及时了解风力发电机发生故障时的运行状况，存在监控不利的问题。

发明内容

本发明意在于提供一种基于上位机和下位机的小型风力发电场监控系统，能够解决监控不利的技术问题。

本发明提供的基础方案为：基于上位机和下位机的小型风力发电场监控系统,包括用于输出风力的风机，还包括传感器、下位机、上位机和后台终端，其中：

传感器用于获取风机的运行参数；

下位机用于接收传感器采集到的运行参数；

上位机用于接收并处理运行参数，将运行参数输入预设的模型中，得到风机输出曲线；上位机还用于输入控制指令；

下位机还用于接收上位机发送的控制指令，并根据控制指令驱动风机运转；

后台终端用于接收并显示运行参数。

本发明的工作原理及优点在于：

本方案中，为了克服实验室内无法产生自然风力的问题，通过设置风机，能够模拟自然风，即由风机输出作用于发电扇叶上的风力，从而实现发电扇叶的风力发电，保证风力发电模拟实验在室内的顺利进行；在实验过程中，传感器能够检测风机的运行参数，再由下位机获取这些运行参数，通过设置无线通信模块，能够实现上位机和下位机之间数据的无线收发，上位机接收到运行参数后，输入到预设的数学模型中，拟合成相应的曲线图；通过曲线图，可以展现出变化趋势等特征，便于操作人员更加直观地查看和了解风机的运行状态，能够有效完成对风机的监控工作。此外，操作人员还可以通过上位机发出控制指令，控制指令经无线通信模块发送至下位机，从而驱动风机的运转；

最后，值班人员也可以通过后台终端查看风机的运行参数，了解到风机的运行状态，自行判断是否出现故障；无需现场驻守，即可完成对风机的监控，从而解决监控不利的技术问题。

进一步，还包括无线通信模块，用于将运行参数从下位机分别传输到上位机和后台终端。

有益效果：采用无线传输数据，与有线传输的方式相比，无需考虑布线问题，比较方便。

进一步，运行参数包括温度信息、振动信息和转速信息；传感器还用于获取环境参数和电气参数，所述环境参数包括温湿度信息，电气参数包括电流信息、电压信息和功率信息。

有益效果：采集到的数据更为全面，有利于监控的有效性，还能够为实验分析提供多个维度的数据。

进一步，下位机还用于根据预先设定的控制算法对所述风机进行控制，所述控制算法包括非极限故障控制算法和极限故障控制算法。

有益效果：一般来说，极限故障是指当执行器或检测器完全失去执行或检测功能的极端情形，非极限故障是指执行器或检测器部分失去功效；这两种控制算法组合而成的双重容错控制算法，可以确保系统在极限故障和非极限故障状况下保持稳定运行，从而提高了系统可靠性和鲁棒性。

进一步，传感器包括用于检测风机叶片位置的变桨电机编码器；

下位机还用于在风机停止转动时，根据风机的运行参数从预设的关系映射表中匹配出刹车程序；

下位机还用于根据风机的叶片位置和刹车程序，输出控制指令。

有益效果：由于风机从并网运行到静止，根据停止的方式会导致不同的刹车程序，因此叶片会停在不同的位置并导致不同的刹车状态；本方案中通过下位机根据叶片位置和刹车程序可以输出控制指令，使风机能够自动返回运行状态。

进一步，所述运行参数还包括风机安全链的电流信息；

下位机还用于接收并判断安全链的电流信息，如果电流信息为零，判断当前刹车程序为紧急停机，则根据极限故障控制算法控制风机停机保护；反之，则根据非极限故障控制风机运行。

有益效果：能够确保非极限故障下可容错运行，极限故障下可停机保护。

进一步，传感器还包括用于测量环境中风速信息的风速传感器；

下位机还用于在风机停止转动时，接收并判断风速信息，如果风速信息为零，则关闭风机的扭矩控制。

有益效果：如果检测到的风速为零，说明风机停止转动是因为环境无风；这种情况对应为非极限故障，可以关闭扭矩控制，减少功耗。

进一步，上位机还包括数据库，数据库用于接收并存储运行参数。

有益效果：通过存储风机的运行参数，能够便于后续对数据的分析统计和回溯。

进一步，下位机采用ADI的DSP芯片作为控制器。

有益效果：这种控制芯片相较于PLC来说，体积更小，价格低廉；而且信号处理能力更强，有利于无线网络的信号传输。

进一步，上位机采用LabVIEW监控界面。

有益效果：本方案中，LabVIEW监控界面能够确保可视化及良好的用户交互性，便于操作人员实时观测风机输出曲线。

附图说明

图1为本发明基于上位机和下位机的小型风力发电场监控系统实施例一的系统框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：下位机1、上位机2、无线通信模块3。

实施例一

如图1所示，基于上位机和下位机的小型风力发电场监控系统,包括用于输出风力的风机，还包括传感器、下位机1、上位机2和后台终端，其中：

传感器用于获取风机的运行参数；具体的，本实施例中运行参数包括温度信息、振动信息和转速信息；在其他实施例中，传感器还用于获取环境参数和电气参数，环境参数包括温湿度信息，电气参数包括电流信息、电压信息和功率信息；

下位机1用于接收传感器采集到的运行参数；且下位机1采用ADI的DSP芯片作为控制器，相比于实际运行所采用的PLC来说，体积更小，价格低廉；相比单独风力发电机实验装置采用的单片机，DSP芯片信号处理能力更强，有利于无线网络的信号传输；

上位机2用于接收并处理运行参数，将运行参数输入预设的模型中，得到风机输出曲线；上位机2还用于输入控制指令；为了便于后续分析统计和回溯运行参数，上位机2还包括数据库，数据库用于接收并存储运行参数。具体的，上位机2采用LabVIEW监控界面和SCADA数据库，相比实际运行所采用的QT监控界面和专用数据库，其开发成本更低，且SCADA数据库对于风力发电系统更为友好；风机输出曲线为表示风机的主要性能参数(如风量L、风压H、功率N和效率η)之间关系的曲线，为使用方便，可以将H-L曲线、N-L曲线、η-L曲线绘制在同一图上，类似于现有的通过Matlab和VB混编拟合出风机性能曲线，在此不再赘述；LabVIEW监控界面能够确保可视化及良好的用户交互性，便于操作人员实时观测风机输出曲线，优化风机控制指令，使风机达到最佳运行状态；

下位机1还用于接收上位机2发送的控制指令，并根据控制指令驱动风机运转。本实施例中，控制指令具体为风机的风速；

后台终端用于接收并显示运行参数；具体的，后台终端为台式电脑，值班人员可以通过后台终端查看风机的运行参数，了解到风机的运行状态，自行判断是否出现故障；无需现场驻守，即可完成对风机的监控。

本实施例中，还包括无线通信模块3，用于将运行参数从下位机1分别传输到上位机2和后台终端；具体的，无线通信模块3采用GPRS远程传输与Wi-Fi现场无线传输网络相结合，不仅能够克服传统布线通信系统成本过高的问题，并同时兼顾远距离和近距离传输的实现，可保证网络传输质量，降低传输时延以及网络功耗。

实施例二

与实施例一相比，不同之处仅在于，由于现有的风机基本上都集成了风机安全链、偏航系统(又称对风装置)、刹车系统、齿轮箱系统及变频器并网系统，为了保证风机在非极限故障下可容错运行，极限故障下可停机保护，下位机1还用于根据预先设定的控制算法对所述风机进行控制，控制算法包括非极限故障控制算法和极限故障控制算法；

具体的，传感器包括用于检测风机叶片位置的变桨电机编码器；下位机1还用于在风机停止转动时，根据风机的运行参数从预设的关系映射表中匹配出刹车程序；下位机1还用于根据风机的叶片位置和刹车程序，输出控制指令；其中：运行参数还包括风机安全链的电流信息；下位机1还用于接收并判断安全链的电流信息，如果电流信息为零，判断当前刹车程序为紧急停机，则根据极限故障控制算法控制风机停机保护；反之，则根据非极限故障控制风机运行；其中，当安全链的电流信息为零，并由变桨电机编码器测得桨叶停止位为91度，说明风机安全链(即用于保护风力发电机组的安全链系统)出现故障失电，属于极限故障；需要通过下位机1控制风机断开安全链，刹车制动，关闭扭矩控制并脱网，由风机的内置电池驱动变桨，桨叶以15度/秒变至92.5度；从而完成停机保护控制。

在另一实施例中，传感器还包括用于测量环境中风速信息的风速传感器；下位机1还用于在风机停止转动时，接收并判断风速信息，如果风速信息为零，则关闭风机的扭矩控制。具体的，当风速信息为零，此时还通过变桨电机编码器测得桨叶停止位为90度，说明风机的停止转动是因为环境中没有风，属于非极限故障，需要通过下位机1控制变桨系统以5度/秒速度变桨至默认设置的70度，当转速低于并网转速(一般为1200转/分)后关闭扭矩控制并脱网。

在其他实施例中，还包括非极限故障中的快速停机，例如，当风机停止转动，检测到变桨系统存在故障，桨叶的停止位为91度，则关闭扭矩控制并脱网，桨叶以15度/秒变至92.5度，刹车制动(30s后再松开)；当变频器故障，桨叶停止位为90度，则关闭控制并脱网，桨叶以15度/秒变至90度。

通常风机第一次吊装后，一般是通过手动操作盒转动叶片到零刻度线，记录下当前编码器的角度值；由于变桨控制是风机控制算法最为核心的部分，其主要作用是根据风机的当前状态，输出最优的桨距角位置给变桨系统，保证叶片时刻处于最优位置；但是当出现故障电源丢失以后，编码器无法检测到叶片的移动，意味着在系统彻底断电后，编码器所采集到的桨距角的值有可能是不正确的，还需要根据不同的刹车程序和叶片位置控制桨叶停止位的修正，从而保证风机能够可靠运行。

综上，本方案不仅能够根据在风机发生故障后，由下位机1自动根据实际工况生成控制指令，完成停机保护；还能够根据刹车程序和叶片位置控制桨叶停止位的修正，使风机的运行更加可靠。

实施例三

与实施例一相比，不同之处仅在于，风机包括第一扇叶组和第二扇叶组，第一扇叶组和第二扇叶组均固定在风机的转轴上，第一扇叶组和第二扇叶组在转轴上的间隔为0.5m；并且，第一扇叶组和第二扇叶组的大小形状相同，扇叶数量均为四片；在风机未工作时，第一扇叶组的四片扇叶分别位于0°、90°、180°和270°位置处；第一扇叶组的四片扇叶分别位于45°、135°、225°和315°位置处。

由于试验过程中，通过风机进行模拟，并向受驱端(风力发电机)吹风，风机的扇叶工作会振动，且风能会受外界因素损耗，导致受驱端接收不规则的风力；存在无法有效模拟出自然风的问题。本方案通过设置两个扇叶组，使第一扇叶组和第二扇叶组同轴同步旋转，而且两者吹出的风交错，通过第二扇叶组对第一扇叶组吹出的风力波形进行补偿和修正，并形成平滑的波形曲线。

在另一实施例中，还包括设置在室外环境中的风速传感器，用于实时采集室外环境中的风速信息；上位机还用于接收风速信息和时间信息，根据时间信息和风速信息生成室外自然风的实际工况曲线；风机还用于根据接收实际工况曲线，并根据实际工况曲线模拟室外自然风。通过在室外环境中设置风速传感器，由上位机接收传感器采集数据，并生成室外风的工况曲线，最后再由风机进行自然风的模拟；与现有中的直接通过预设工况曲线相比，采用本方案能够更加有效、准确的模拟出即时的室外自然风。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。