无线通信在风电站监控中的应用

1 现状及需求分析

    随着传统石化能源的逐渐枯竭和低碳经济的兴起，人类对风能等可再生能源的利用越来越重视，风力发电技术也逐步发展起来。

    当前，风电机组的分布比较分散，监控参数也比较多，而一般风能资源丰富的地区都比较偏远，而且基础设施也不完善，这就给风力机组的监控提出了新的课题。

    为充分有效地利用风力进行发电，正确掌握系统运行状态，快速诊断系统故障，提高风电站运行的可靠性、安全性与经济效益，本文介绍一种基于GPRS通信技术的风电远程监控系统。GPRS通信技术同时具有组网方便、建设和维护成本低、通信可靠迅速等优点，是本监控系统的理想通信方案。
2 系统组成

    风电远程监控系统结构如图1所示，主要由现场监控、数据传输、监控中心三个部分组成。现场监控部分安装在每台风力发电机塔筒的控制柜内，每台风力发电机的现场监控能够对该风力发电机的运行状态进行监控，并对采样的数据进行初步的处理；数据传输部分将现场采样的数据发送到远程监控中心服务器；监控中心部分是根据实际需要分布在不同地点的远程监控服务器，该中心目前一般通过光纤或ADSL拨号等通信方式接入互联网。

2.1 现场监控部分

    现场监控部分由EPC工控主板和风电站监控模块组成，风电站监控模块由主控系统、变桨控制系统、变频器系统三大部分组成。

    EPC系列工控主板是广州致远电子有限公司开发的基于ARM处理器的工控机主板，预装正版Microsoft Windows CE 5.0、Monta Vista Realtime Linux或VxWorks操作系统。如图2所示，EPC系列工控主板板载2路CAN总线控制器、1路10/100 M自适应以太网适配器、3路RS-232串口，2路RS-485接口，支持TFT/STN液晶屏显示，并具有VGA显示器接口及LVDS液晶接口。EPC系列工控机主板可在-40 ℃~+85 ℃宽温度范围内稳定工作，满足工业级产品的各种应用需求。

    借助于EPC系列工控主板的强大功能，风电站监控模块实现了对机组各参数的采集与控制：电网参数、气象参数、机组状态参数、变桨控制、发电机运行控制和管理等。

2.2 数据传输部分

    根据目前的实际情况，数据传输部分选择无线GPRS方式。

    通用无线分组业务GPRS（General Packet Radio Service）是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。简单地说，GPRS是一项高速数据处理的技术，其方法是以“分组”的形式传送数据。GPRS是在GSM基础上发展起来的技术，是介于第二代数字通信和第三代分组型移动业务之间的一种技术，所以通常称为2.5G。使用GPRS方式传输时，数据先通过移动公司的GPRS网络传送到移动公司的路由器，然后路由到与互联网相连的监控中心服务器上。

    GPRS具有传输速度快(其理论传输速率为171.2 kb/s)、永远在线、按流量计费等优点。对于高速数据应用，还易于升级到基于3G的数据传输方式，是一种理想的数据传输方式。

    本监控系统中采用的GPRS通信模块是广州致远电子有限公司出品的ZWG-21A 无线数据传输设备，其外观如图3所示。

    该设备提供全透明串行数据通道，让您的设备轻松实现与Internet的无线连接，可以方便地实现远程、无线、网络化的通信方式。可在工业级温度范围(-15 ℃~+60 ℃)内稳定工作，可应用于工业控制、现场通信、远程监控、智能仪表、电力系统、交通管理、气象检测、水处理、环境监控、金融证券、煤矿、石油等各种行业。

    ZWG-21A产品特性如下：

    大缓存区设计(收发各1 462×70 B)，采用动态划分技术，提高缓存区使用效率；最多可缓存3 100帧数据(每帧64 B)，适合小数据帧快速连续传输；每帧最长可设置为1 460 B（缓存140帧），适合大数据量连续传输；使用工业级GPRS模块，内嵌可靠协议栈；数据全透明传输，用户无需了解复杂的TCP/IP、PPP等协议；支持数据中心动态域名或IP地址访问；支持备用数据中心；支持APN虚拟专网业务；支持数据中心虚拟串口功能，无缝衔接现有上位机软件；支持断线自动重连功能；具有连接时机可控功能，节约流量；支持本地和远程图形化界面配置与维护；支持短信息配置与维护；支持串口配置和USB接口配置；支持本地和远程固件升级；多重软硬件可靠设计，复合式看门狗技术，使设备安全运行。

    ZWG-21A与EPC系列工控主板通过RS-232C方式进行通信。ZWG-21A将EPC系列工控主板采集到的风电机组运行的各种参数传送到远程监控中心，同时将监控中心下发的各种指令传送到EPC工控主板，完成对风电机组的控制。

2.3 远程监控中心

    (1)接入方式

    远程监控中心的作用是接收各个风电站的运行数据，监控其运行状态，保存其运行数据。远程监控中心必须接入Internet网络才能够进行通信。

    远程监控中心接入方式有以下方案可以选择：

    方案一：ADSL拨号上网。ADSL技术利用现有的一对电话铜线，为用户提供上、下行非对称的传输速率。ADSL接入技术的速率可达到上行1 Mb/s/下行8 Mb/s，速度非常快。

    方案二：光纤连接上网。光纤接入能够确保向用户提供10 Mb/s～1 000 Mb/s的高速带宽，可直接汇接到CHINANET骨干结点。主要适用于商业集团用户和智能化小区局域网。

    (2)软件功能

    远程监控中心应该支持常见的OPC通信方式以及动态库DLL通信方式。

    远程监控中心应该能够处理显示以下各种参数：气象参数、机组的运行数据、机组状态参数、电网参数、电网故障、各机组运行过程中发生的故障等。

    远程监控管理中心要能够进行技术分析，为管理层、技术部门、维护部门等不同用户提供有针对性的报表，方便进行管理。

    (3)设备配置

    监控中心开始运行后，就可以接受来自ZWG-21A的连接了。首先使用“DTU配置工具”修改ZWG-21A的默认配置，将数据中心主站域名或者IP地址设置为监控中心的域名或者IP地址，将数据中心主站端口号设置为监控中心所监听的端口号，连接模式选择为 “建立TCP连接”，设置完毕之后，ZWG-21A就能够主动连接监控中心，建立TCP连接。如图4就是监控系统运行的一种可能情况，请注意图中目标IP地址和目标PORT与服务器软件的对应关系。

    风电技术是一种绿色无污染的可再生能源，其技术的发展对于当前遇到的污染严重、极端天气频发等各种问题是一种从根本上的解决之道。本文在风电技术的监控层面做了一些有益的探讨。