一种基于ZigBee的风资源监测系统和方法与流程

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于ZigBee的风资源监测系统和方法。

背景技术：

随着发展中煤、石油、天然气等化石燃料的逐渐减少，加之对环境保护要求的增强，人们在努力寻找各种各样能替代化石燃料的可再生、环保、洁净的绿色能源。风能是目前最有发展前景的一种新型能源，它是取之不尽用之不竭的能源，还是一种洁净、无污染、可再生的绿色能源。风能的利用，从风车到风力发电，证明了文明和科学的进步。随着全世界化石能源价格的上涨，风电以其远低于太阳能、生物质能等其它可再生能源的发电成本成为替代化石燃料发电的首选，其对环境保护也有很大的帮助。

地球上的风能资源非常丰富，为了更好地利用风资源，对风资源的监测就显得尤为重要了。传统的风资源监测方法有测风塔、测风仪等等，但这些方法的灵活性不高，且成本普遍较高。基于此,本文提出一种基于ZigBee的风资源监测方法并研究其具体系统的实现。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种低速短距离传输的无线网络协议,主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

ZigBee的主要特点有低功耗、低成本、时延短、网络容量大、可靠性强的、安全等特点，同时，ZigBee技术还有自组织网的能力。这些特点表明ZigBee技术非常适合于大面积风资源的监测，不仅能充分发挥自身优势，还能有效弥补了测风塔测量和测风仪测量等方式的缺点。

风电场的面积都相对较大，从成本考虑，用测风塔来测量各个位置的风速大小显然是不现实的。如今，为了监测风电场的风力资源，一般都是在几个关键位置建立测风塔，并以测风塔测得的数据来分析风电机组处的风速值，称之为测风塔外推法。显然，这种方式在整个风电场的风资源的监测方面还是存在者明显的缺陷。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于ZigBee的风资源监测系统和方法，通过分布在风电场环境中的ZigBee风速监测节点采集到的信息，得到整个风电场各个位置的风速大小，更加全面地覆盖大面积风资源监测区域，很好的弥补孤立气象站采集数据地理覆盖度小的问题，得到较为全面的环境数据。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于ZigBee的风资源监测系统，包括风速监测模块和上位机，其特征在于，所述风速检测模块和所述上位机通过串口进行通讯；所述风速检测模块包括采集发送端和协调器，所述采集发送端包括多个具有ZigBee功能风速监测节点，分布在所述风电场中，所述各个风速监测节点采集的风速数据通过ZigBee的无线通讯协议发送到所述协调器，所述协调器通过串口将收到的所述风速数据发送到所述上位机。

优选地，所述风速监测节点包括多个风速传感器、多个处理模块、多个发送模块，所述风速传感器采集所在位置的风速数据，所述风速传感器得到的数据经由所述处理模块后，添加所在的地理坐标信息后由所述发送模块发送出去。

优选地，所述协调器包括天线、接收模块和处理模块，所述协调器天线接收到网络中的数据后，经过所述接收模块和所述处理模块进行汇总处理后使用串口发送至所述上位机。

优选地，所述风速监测节点可以在电场中移动，根据实际风电场的需求而改变测量位置。

一种基于ZigBee的风资源监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过分布在风电场中的多个风速监测节点采集所在位置的风速数据，并添加所在地的地理坐标信息；

根据采集到的所述风速数据和所述坐标信息，利用插值的方法外得到各个风电机组处的风速大小，得出整个风电场各个位置的风速大小。

优选地，所述风速监测节点根据风电机组的位置进行布置，覆盖整个风电场。

优选地，所述风速监测节点的数量可根据需要增加或减小。

优选地，所述插值方法为二元函数的拉格朗日插值方法。

如上所述，本发明的一种基于ZigBee的风资源监测系统和方法，很好的弥补了孤立气象站采集数据地理覆盖度小的问题，可以得到较为全面的环境数据，更加全面地覆盖了大面积风资源监测区域，分析得到的风资源信息较传统方式更为准确，为风能的使用分析提供了一定的基础。无论是对于已建成的风电站，还是对将要修建的风电站的环境评估，这种方法都会有很好的应用。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于ZigBee的风资源监测系统组成示意图。

图2是本发明的一个较佳实施例的基于ZigBee的风资源监测系统风速监测模块组成示意图。

图3是本发明的一个较佳实施例的基于ZigBee的风资源监测系统协调器组成示意图。

图4是本发明的一个较佳实施例的基于ZigBee的风资源监测系统拓扑图。

图5是一个较佳实施例的基于ZigBee的风资源监测方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于ZigBee的风资源监测系统，包括风速监测模块1和上位机2，风速检测模块1和上位机2通过串口进行通讯；所风速检测模块1包括采集发送端10和协调器12，采集发送端10包括多个风速监测节点11，分布在风电场中，各个风速监测节点11采集的风速数据通过ZigBee的无线通讯协议发送到协调器12，协调器12通过串口将收到的风速数据发送到上位机2。上位机2根据采集到的风速数据和相应的坐标信息，利用插值的方法外推出各个风电机组处的风速大小，进而得到整个风电场各个位置的风速大小。因为基于ZigBee的风资源监测系统采样的坐标明显较其它方式多，所以对整个风电场的风资源监测和预测就能够更加准确。

如图2所示，风速监测节点11包括多个风速传感器111、多个处理模块112、多个发送模块113，风速传感器111采集所在位置的风速数据，风速传感器111得到的数据经由处理模块112后，添加所在的地理坐标信息后由发送模块113发送出去。

如图3所示，协调器12包括天线121、接收模块122和处理模块123，协调器天线121接收到网络中的数据后，经过接收模块122和处理模块123进行汇总处理后使用串口发送至上位机2。

使用ZigBee对风电场中目标位置处风速进行监测时，可以投放大量的具有ZigBee功能的风速监测节点来尽可能地覆盖整个风电场，这样在用采集到的数据进行处理外推来得到整个风电场的风资源数据时就能够更加准确。同时，由于风速监测节点移动较为方便，测量位置可以根据实际风电场的需求而改变，所以具有更好的灵活性。

如图4所示是基于ZigBee的风资源监测系统在风电场环境中的拓扑图，图中圆圈形状点表示具有ZigBee功能的风速监测节点，而雪花形状点则表示风电机组(本例暂时只描述8个ZigBee风速监测节点和9个风电机组的情况)。在风电场中，使用的ZigBee风速监测节点数量越多，分配越合理就能够满足尽可能覆盖风电场的要求，这是传统建立测风塔的方式所不能满足的。同时，ZigBee的自组网的特点也使得基于ZigBee的风资源监测系统更加灵活。实际风电场中，可以根据需要增加或减小监测系统的ZigBee节点数量，而且不会影响整体系统的功能。

一种基于ZigBee的风资源监测方法，包括如下步骤：

步骤S1，通过分布在风电场中的多个风速监测节点采集所在位置的风速数据，并添加所在地的地理坐标信息；

步骤S2，根据采集到的所述风速数据和所述坐标信息，利用插值的方法外得到各个风电机组处的风速大小，得出整个风电场各个位置的风速大小。

风电机组处的风速大小是风电场出力的基础，也是分析风电场整体出力的基础。根据风速数据、地形数据、天气数据等环境因素，利用二维插值数值分析等手段，对风电场进行模拟分析，构建环境因素在实际风机位置点二维插值模型。常用的插值方法有拉格朗日插值法、牛顿插值法、哈米特差值法、分段多项式插值及样条插值。因为风电场这一类需要对风资源进行监测的环境一般都处于较为平坦的地带，所以在这里采用二维三次样条插值的方法，该方法是通过一系列点的一个光滑曲面，数学上通过求解三弯矩方程组得出曲面函数组的过程。以低代价而获得较好的收敛性质，具有一阶、二阶导数的收敛性质，能得到很好的模拟效果。具体实施方案如下:

设实值函数f(x,y)定义在矩形区域

D＝{a<x<b,c<y<d},

插值节点集:

Z＝{(xi,yj)|a<x0<x1<…<xn<…<b,c<y0<y1<…<ym<…<d}.

取在Z上线性无关的函数组

其中，是次数关于x不高于n次、关于y不高于m次的二元多项式。

在函数空间

上寻找二元插值多项式

使其满足插值条件p_mn(x_i,y_j)＝f(x_i,y_j)其中i＝0,1…n；j＝0,1…m.如同一元的情况,满足插值条件的二元插值函数是唯一存在的。此问题就是二元函数的代数插值问题。

数学上，常用的插值方法有拉格朗日插值法、牛顿插值法、哈米特差值法、分段多项式插值及样条插值。这里采用二元函数的拉格朗日插值方法。该方法比较简单，比较适合于一般的差值计算。二元拉格朗日插值法的插值基函数如下：

其中

基于ZigBee的风资源监测方法的优越性在于其采样点的增多，插值出的结果就能够更加准确。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。