一种电力系统模拟直驱式风力发电机组监控系统的制作方法

本发明涉及电力模拟测控技术领域，尤其涉及一种电力系统模拟直驱式风力发电机组监控系统。

背景技术：

电力系统风力发电机组模拟方法分为物理模拟方法和数字仿真方法。

数字仿真方法是将风力发电机组等效为一组微分代数方程，同其它电力系统元件集成在一个虚拟的软件平台中。该方法灵活轻便、界面友好、运算能力强、元件参数可调、易于仿真大规模电力系统。但是软件模拟依赖于已知的数学模型和准确的数学参数，且计算机的数值计算方法总存在一定的数值误差，难以揭示出未知的物理特性，也不利于实验者熟悉电力系统物理元件和物理现象。物理模拟方法(也称动态模拟方法)基于相似定律，模拟元件和原型风力发电机组具有相同的物理特性和数学参数(标幺值)。该方法是将实际风力发电机组按一定的比例关系缩小，受限于元件体积，不要求模拟元件与原型风力发电机组具有相同的电磁暂态特性，但需要针对特定模拟实验要求对模拟元件附加外部调节装置，以满足部分机电暂态参数要求。物理模拟实验形象直观，物理概念清晰，便于探求电力系统中未知的科学概念；然而，实际模拟过程中，传统模拟测量时需要电压互感器、电流互感器、功率表、功率因数表、断路器等，各单元分散独立、种类繁多，增加了接线难度；且随着发电机的工作产生热量的集聚，使得环境温度升高，一些电子器件产生非线性的变化，导致测量等不准确，误差增大。

由此可见设计一种电力系统微型模拟直驱式风力发电机组监测与控制系统是十分必要的。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明一种电力系统模拟直驱式风力发电机组监控系统。

本发明提供的电力系统模拟直驱式风力发电机组监控系统，包括模拟直驱式风力发电机组，所述模拟直驱式风力发电机组设置输出端、电源输入端以及信号端口，所述模拟直驱式风力发电机组连接测量单元，其中，

所述测量单元包括可调变压模块，所述可调变压模块的输入端电性连接于所述模拟直驱式风力发电机组的输出端，所述可调变压模块的输出端电性连接滤波模块，所述滤波模块电性连接模数转换模块，所述模数转换模块电性连接信号采集模块，所述信号采集模块连接存储模块，所述信号采集模块连接第一网络通信模块；

所述模拟直驱式风力发电机组和所述测量机构设置于控温机构中，所述控温机构中设置有温度测量模块；

所述测量单元连接监控机构；所述监控机构包括双通道电源，所述双通道电源的一个通道连接微处理器，所述双通道电源的另一个通道连接继电器单元，所述微处理器连接第二网络通信模块，所述第二网络通信模块连接所述第一网络通信模块，所述第二网络通信模块连接服务器，所述微处理器连接所述模拟直驱式风力发电机组的信号端口，所述微处理器连接所述温度测量模块，所述微处理器连接所述控温机构；

所述微处理器连接gps授时定位模块和显示模块，所述微处理器通过功率放大模块控制连接所述继电器单元，所述继电器单元设置于所述模拟直驱式风力发电机组设置输出端与实验负载之间。

优选地，所述电力系统模拟直驱式风力发电机组监控系统设置有标准化接线端子排，所述标准化接线端子排连接电源，所述标准化接线端子排设置电源接线端、网络接线端和串口接线端。

优选地，所述控温机构包括控温箱，所述控温箱内部通过隔热板分为两个腔室，所述控温箱的箱壁内设置两组微管，两组所述微管的两端分别连接进水口和出水口，两组所述进水口和出水口分别连通于两个水箱，两个所述水箱内分别设置有水泵，所述水箱上设置半导体控温单元，所述半导体控温单元和所述水泵通过所述电源接线端连接电源，所述半导体控温单元和所述水泵通过所述串口接线端受控连接于所述微处理器。

优选地，所述温度测量模块包括两个温度传感器，两个所述温度传感器分别设置于所述控温箱的两个腔室内，两个所述温度传感器通过所述串口接线端连接所述微处理器。

优选地，所述直驱式风力发电机组包括三相永磁同步发电机，所述三相永磁同步发电机的输出作为所述模拟直驱式风力发电机组的输出端，所述三相永磁同步发电机同轴连接伺服电机和光电编码器，所述伺服电机的电源接口和所述光电编码器的电源接口作为所述模拟直驱式风力发电机组电源输入端，所述伺服电机的控制接口与所述光电编码器输出接口连接所述信号端口，所述微处理器连接所述信号端口；

所述三相永磁同步发电机、所述光电编码器和所述伺服电机设置于所述控温箱的一个腔室中，所述测量单元设置于所述控温箱的另一个腔室中。

优选地，所述三相永磁同步发电机的转子通过联轴器与所述伺服电机的转子连接，所述光电编码器的编码转盘连接于所述伺服电机的转子，所述三相永磁同步发电机的定子可拆装固定在所述控温箱，所述光电编码器的固定部分和所述伺服电机的定子固定于所述控温箱。

优选地，所述继电器单元包括继电器保护电路、光电耦合电路和继电器，所述微处理器通过控制线控制连接所述光电耦合器，所述光电耦合器连接所述双通道模块电源与所述继电器，所述继电器保护电路直接并接在控制线和信号地之间，所述继电器设置于所述模拟直驱式风力发电机组设置输出端与实验负载之间。

优选地，所述继电器保护电路包括充电电容c1，所述充电电容c1的一端同时接5v电源和电容c4的一端，所述电容c4的另一端接地，所述充电电容c1的另一端同时连接电阻r10的一端和非门控制器u14的输入端，所述电阻r10的另一端接地，所述非门控制器u14的输出端接电阻r8的一端，所述电阻r8的另一端同时接电阻r9的一端和三极管q1的基极，所述电阻r9的另一端接地，所述三极管q1的发射极接地，所述三极管q1的集电极接所述光电耦合器的输入端。

优选地，所述微处理器通过增量式数字pid控制算法控制所述伺服电机的转动，所述微处理器通过极性转换电路控制所述半导体控温单元制热或者制冷，所述微处理器通过增量式数字pid控制算法控制所述半导体控温单元制冷制热的程度，所述微处理器通过增量式数字pid控制算法控制所述水泵供水速度。

优选地，所述第一网络通信模块通过所述标准化接线端子排以及网络传输线连接所述第二网络通信模块。

与相关技术相比较，本发明的一种电力系统模拟直驱式风力发电机组监控系统具有如下有益效果：

本发明的电力系统模拟直驱式风力发电机组监控系统集模拟直驱式风力发电机组、测量单元、监控机构、控温机构及温度测量模块于一体；所述模拟直驱式风力发电机组和测量单元封装于所述控温机构中，保证所述模拟直驱式风力发电机组、测量单元运行过程中稳定的环境，保证模拟直驱式风力发电机组运行的稳定，保证所述测量单元测量的精度，采用模块化的布置降低了实验接线的复杂程度，提高了实验安全性；通过所述微处理器和第二网络通信模块实现了本发明和服务器主站间监测数据和控制命令的双向连接；本发明作为电力系统真实直驱式风力发电机的微型物理模拟单元，既可以独立运行以模拟直驱式风力发电机组的运行控制特性，也可以配合其他微型物理模拟元件来完成电力系统层级的物理模拟实验。

附图说明

图1为本发明提供的电力系统模拟直驱式风力发电机组监控系统系统总体结构图；

图2为控温机构的结构图；

图3为模拟直驱式风力发电机组结构图；

图4为标准化接线端子排、测量单元、控温机构、监控机构的总体结构图；

图5为继电器单元接线图；

图6为继电器保护电路接线图；

图7为功率放大单元lm358结构图；

图8为系统控制架构图；

图9为测量单元与监控机构通信数据包格式(上行)格式解析图；

图10为测量单元与监控机构通信数据包格式(下行)格式解析图；

图11为信号端口与监控机构数据包格式(上行)格式解析图；

图12为信号端口与监控机构数据包格式(上行)格式解析图；

图13为控温机构与监控机构数据包格式(上行)格式解析图；

图14为控温机构与监控机构数据包格式(下行)格式解析图；

图15为温度测量模块与监控机构数据包格式(上行)格式解析图；

图16为微处理器对模拟直驱式风力发电组输出控制方式；

图17为微处理器对模拟直驱式风力发电组输出控制方式。

图中标号：

1、控温机构，101、控温箱，1011、微管，102、隔热板，103、水箱，104、水泵，105、半导体控温单元，106、通气扇；

2、直驱式风力发电机组，201、三相永磁同步发电机，202，伺服电机，203、光电编码器，204、联轴器。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

结合参阅图1和图4所示，本发明提供的一种电力系统模拟直驱式风力发电机组监控系统，包括模拟直驱式风力发电机组、测量单元、监控机构、标准化接线端子排、控温机构以及温度测量模块。

具体实施过程中，所述标准化接线端子排连接电源，所述标准化接线端子排设置电源接线端、强电出线端、网络接线端和串口接线端。

参阅图2所示，所述控温机构1包括控温箱101，所述控温箱101内部通过隔热板102分为两个腔室，所述控温箱101的箱壁内设置两组微管1011，所述微管1011分别由均匀设置于所述箱壁内的多条呈u型的微通道构成且多条所述微通道的两端汇聚，所述控温箱的箱壁上设置有两组进水口和出水口，两组所述微管的两端分别连接两组进水口和出水口，两组所述进水口和出水口分别通过管道连通于两个水箱103，两个所述水箱103内分别设置有水泵104，所述水泵104通过管道连通进水口，所述水箱103上设置半导体控温单元105。具体实施过程中，所述半导体控温单元105由多个平行设置的半导体控温片构成，所述半导体控温片一端延伸至所述水箱103内，另一端设置于所述水箱103外。所述水箱103外的所述半导体控温片旁设置通气扇106，所述通气扇106固定于所述水箱103。所述半导体控温单元105通过极性转换电路连接电源适配器，所述电源适配器连接于所述标准化接线端子排的电源接线端，所述极性转换电路通过所述标准化接线端子排的串口接线端受控连接所述监控机构；所述水泵104通过所述电源接线端连接电源，所述水泵104通过所述串口接线端受控连接于所述监控机构。所述监控机构通过信号控制所述极性转换电路的极性转换，从而控制所述半导体控温单元105的制冷与制热，所述监控机构通过增量式数字pid控制算法控制所述半导体控温单元制冷制热的程度；所述监控机构通过增量式数字pid控制算法控制所述水泵的供水速度。

所述控温箱101内设置所述温度测量模块，具体实施过程中，所述温度测量模块包括至少两个温度传感器，两个所述温度传感器分别设置于所述控温箱的两个腔室内，两个所述温度传感器通过所述串口接线端连接所述监控机构，所述温度测量模块向所述监控机构传输温度信号。

所述控温箱101的一个腔室内设置有所述模拟直驱式风力发电机组2，所述模拟直驱式风力发电机组设置输出端、电源输入端以及信号端口，具体实施过程中，参阅图3所示，所述直驱式风力发电机组2包括三相永磁同步发电机201，所述三相永磁同步发电机201的电输出作为所述模拟直驱式风力发电机组的输出端，所述三相永磁同步发电机201同轴连接伺服电机202和光电编码器203。所述伺服电机202的额定功率1200va，额定功率因数0.8，额定转速(最高转速)3000转/分；所述光电编码器203为增量式正交光电编码器，其内部包含处于编码转盘两侧的发光管和接收管，所述编码转盘上设置有2000个透光编码，每旋转一圈，所述光电编码器203产生2000个脉冲信号。

具体实施过程中，所述三相永磁同步发电机201的转子通过联轴器204与所述伺服电机202的转子连接，所述光电编码器203的编码转盘连接于所述伺服电机202的转子，所述三相永磁同步发电机201的定子可拆装固定在所述控温箱101，所述光电编码器203的固定部分和所述伺服电机202的定子固定于所述控温箱101。

所述伺服电机202的电源接口和所述光电编码器203的电源接口作为所述模拟直驱式风力发电机组电源输入端，所述伺服电机202的控制接口与所述光电编码器203输出接口连接所述信号端口，所述信号端口通过所述标准化接线端子排的串口接线端连接所述监控机构，所述监控机构通过增量式数字pid控制算法控制控制所述伺服电机202的转动，所述监控机构接收所述光电编码器203测量的脉冲信号来确定转速。

所述控温箱101的另一个腔室设置所述测量单元，所述模拟直驱式风力发电机组2连接测量单元，具体实施过程中，所述测量单元包括可调变压模块，所述可调变压模块为可调变压器，所述可调变压模块的输入端电性连接于所述模拟直驱式风力发电机组的输出端，所述可调变压模块的输出端电性连接滤波模块，所述滤波模块电性连接模数转换模块，所述模数转换模块电性连接信号采集模块，所述信号采集模块连接存储模块，所述信号采集模块连接第一网络通信模块；通过所述可调变压模块将所述三相永磁同步发电机201的电输出转化为所述测量单元处理的模拟信号，所述模拟信号经过所述滤波模块滤波和所述模数转换模块转换之后成为所述信号采集模块能够识别处理的数字信号，所述信号采集模块以1mhz的频率接收所述数字信号，所述信号采集模块处理所述数字信号并将其储存在所述存储模块，所述信号采集模块通过所述第一网络通信模块与所述监控机构进行双向通信。

具体实施过程中，参阅图1所示，所述监控机构包括双通道电源，所述双通道电源的一个通道输出5v电信号，并为所述微处理器、gps授时定位模块、第二网络通信模块供电；所述双通道电源的另一个通道输出12v电信号，并连接继电器单元。所述微处理器采用基于armcortex-m4内核的stm32f407微处理器，stm32f407微处理器内部时钟频率高达168mhz。所述微处理器通过以μc/os-iii实时操作系统作为基础的开发程序进行控制，各类用户自定义应用均以独立线程的方式加入操作系统，同时在μc/os-iii实时操作系统中移植进入lwip网络协议栈以完成网络通信，所述微处理器连接第二网络通信模块，所述第二网络通信模块通过所述标准化接线端子排的网络接线端连接所述第一网络通信模块，实现所述测量单元与所述微处理器的双向通信；所述第二网络通信模块通过所述网络接线端连接服务器。所述微处理器通过所述串口接线端连接所述模拟直驱式风力发电机组的信号端口，所述信号端口与所述微处理器之间的上行数据包格式如图11所示，包括所述伺服电机的转速(字节号3-4，共2字节)，转向(字节号1-2，共2字节)以及所述光电编码器的状态(字节号5-6，共2字节)，所述信号端口与所述微处理器之间的下数据包格式如图12所示，包括所述伺服电机控制电压(字节号1-2，共2字节)，所述微处理器通过所述串口接线端连接所述温度测量模块，所述温度测量模块与所述微处理器之间的数据包格式入图15所示，包括两个温度传感器测量的温度信息；所述微处理器通过所述串口接线端连接所述水泵，所述微处理器通过所述串口接线端连接半导体控温单元，所述微处理器通过所述串口接线端连接所述极性转换电路。所述微处理器连接gps授时定位模块，所述微处理器接收所述gps授时定位模块的时钟信息，所述微处理器的接收频率为1mhz；所述并将时钟信息经过所述第二网络通信模块传递给所述第一网络通信模块，传输的数据包下行格式如图10所示，包括gps授时定位模块传输的时间信息(字节号1-2表示年，字节号3-4表示月，字节号5-6表示日，字节号7-8表示时，字节号9-10表示分，字节号11-12表示秒，共24字节)，所述信号采集模块利用时钟信息对1mhz的数字信号授时，从而获得所述模拟直驱式风力发电机组在某些时刻的输出信息。所述信号采集模块将包含时刻的输出信息存储在所处存储模块，所述信号采集模块调取所述存储模块中的信息经所述第一网络通信模块传递给所述监控机构，传输的数据包上行格式如图9所示，包括时间信息(字节号1-2表示年，字节号3-4表示月，字节号5-6表示日，字节号7-8表示时，字节号9-10表示分，字节号11-12表示秒，共24字节)、电压信息(字节号23-31表示电压有效值)、电流信息(字节号41-49表示电流有效值)、频率信息(字节号14-22表示频率)、相位信息(字节号32-40表示电压相位，字节号50-58表示电流相位)、功率信息(字节号59-64表示功率信息)。所述微处理器连接所述控温机构的水泵、通气扇和半导体控温单元；控温机构与微处理器之间的上行通信数据包格式如图13所示，包括水泵转速(字节号1-2)，半导体控温单元温度(字节号3-4)，通气扇转速(字节号5-6)，极性转换电路状态(字节号7-8)，控温机构与微处理器之间的下行通信数据包格式如图13所示，包括水泵控制信号(字节号1-2)，半导体控温单元控制信号(字节号3-4)，通气扇控制信号(字节号5-6)，极性转换电路控制信号(字节号7-8)。所述微处理器连接所述显示模块，所述显示模块为液晶显示器，通过植进入stemwin图形化工具包完成液晶显示器的人机交互管理。液晶显示器的显示内容包括：模拟直驱式风力发电机组的转速信息(光电编码器测量)，电压信息、电流信息、频率信息、相位信息、功率信息(测量单元测量)，温度信息(温度测量模块测量)，水泵供液信息(水泵反馈)，半导体控温单元温度(半导体控温单元反馈)，网络通信、串口通信状况。

参阅图16所示，向所述微处理器输入所述模拟直驱式风力发电机组的输出功率目标值，所述微处理器通过所述测量单元的测量值与输出功率目标值对比利用增量式数字pid控制算法，调整所述伺服电机电压，控制伺服电机转速，进而调整输出功率。

参阅图17所示，向所述微处理器输入所述模拟直驱式风力发电机组和所述测量单元所处环境的温度目标值，所述微处理器通过所述温度测量模块的测量值与输入的温度目标值对比，利用增量式数字pid控制算法，调整所述水泵电压，控制水泵的转速从而调整供水速度，利用增量式数字pid控制算法，调整所述半导体控温单元的电压，从而控制所述半导体控温单元温度，进而调整控温机构的温度。

所述微处理器通过功率放大模块控制连接所述继电器单元，所述继电器单元设置于所述模拟直驱式风力发电机组设置输出端与实验负载之间。具体实施过程中，参阅图5所示，所述继电器单元包括继电器保护电路、光电耦合电路和继电器，所述微处理器通过控制线控制连接所述光电耦合器，所述光电耦合器连接所述双通道模块电源与所述继电器，所述继电器保护电路直接并接在控制线和信号地之间，所述继电器设置于所述模拟直驱式风力发电机组设置输出端与实验负载之间。参阅图6所示，所述继电器保护电路包括充电电容c1，所述充电电容c1的一端同时接5v电源和电容c4的一端，所述电容c4的另一端接地，所述充电电容c1的另一端同时连接电阻r10的一端和非门控制器u14的输入端，所述电阻r10的另一端接地，所述非门控制器u14的输出端接电阻r8的一端，所述电阻r8的另一端同时接电阻r9的一端和三极管q1的基极，所述电阻r9的另一端接地，所述三极管q1的发射极接地，所述三极管q1的集电极接所述光电耦合器的输入端。系统上电初期，所述充电电容c1电量未充满，电流经所述充电电容c1流过所述电阻r10并最终流入信号地，此时所述非门控制器u14的左端为高电平，右端为低电平0，所述三极管q1的基极和发射极之间电压差为0，基极没有电流流入所述三极管q1，集电极也没有电流流入所述三极管q1，而集电极直接连接所述光电耦合器的输入端，因此光电耦合器输入电流为0，所述光电耦合器始终断开，不受所述微处理器控制，避免继电器在系统上电初期发生误动。系统上电一段时间后，所述充电电容c1充电完成，没有电流从所述充电电容c1经所述电阻r10流入信号地，此时所述非门控制器u14的左端为低电平，右端为高电平即，所述三极管q1的基极和发射极之间电压差为5v，所述三极管q1导通，基极有电流流入所述三极管q1，集电极也有电流流入所述三极管q1，而集电极直接连接光电耦合器的输入端，因此所述光电耦合器此时允许输入电流流通，所述继电器的状态由所述微处理器控制。

所述微处理器与所述继电器单元之间连接所述功率放大单元，参阅图7所示，所述功率放大单元的型号为lm358，所述功率放大单元的8号引脚接12v直流电源，4号引脚接信号地，所述功率放大单元与所述微处理器中的数字模拟转换器共地以保证所述功率放大单元和所述微处理器中的数字模拟转换器具有相同的参考电平。所述功率放大单元的1号引脚、2号引脚、3号引脚共同组成运算放大器，1号引脚直接连接所述微处理器中数字模拟转换器的正极，2号引脚和输出3号引脚短接后再输出。运算放大器工作的过程中正极输入引脚1和负极输入引脚2等效为短接状态，2号和3号引脚短接，进而引脚1的输入电平总是等于引脚3的输出电平。因此所述功率放大单元等效为电压跟随器，在保证输入电压和输出电压值相同的情况下，有效地提高了数字模拟转换芯片的带载能力。模拟时，向所述微处理器输入实验负载的输入端电流、电压阈值(电流、电压阈值小于最大承受电流、电压)，一旦所述测量单元测量的电流或者电压到达电流或者电压阈值，所述微处理器控制所述继电器单元断开实验负载与模拟直驱式风力发电机组的连接。

如图8所示为系统控制架构图，系统控制架构基于μc/os-iii嵌入式操作系统，并将lwip网络协议栈、stemwin图形化显示套件移植进入该操作系统。系统控制架构采用多线程处理方式运行，分为系统线程和用户自定义线程两个部分。系统线程包括初始化线程，该线程仅在微处理器上电后执行一次，任务包括时钟初始化、外设使能和创建用户自定义线程，该线程在执行结束后则被挂起而不再被调用；用户自定义线程包括状态显示线程、gps授时定位线程、串口接收线程、串口发送线程、网络接收线程、网络发送线程、模拟实验线程和输出控制线程，系统线程执行完毕后，用户自定义线程由操作系统管理，依据系统设定进行循环执行。

本发明的电力系统模拟直驱式风力发电机组监控系统集模拟直驱式风力发电机组2、测量单元、监控机构、控温机构1及温度测量模块于一体；所述模拟直驱式风力发电机组2和测量单元封装于所述控温机构1中，保证所述模拟直驱式风力发电机组2、测量单元运行过程中稳定的环境，保证所述模拟直驱式风力发电机组2运行的稳定，保证所述测量单元测量的精度，采用模块化的布置降低了实验接线的复杂程度，提高了实验安全性；通过所述微处理器和第二网络通信模块实现了本发明和服务器间监测数据和控制命令的双向连接，实现远程实验；本发明作为电力系统真实直驱式风力发电机的微型物理模拟单元，既可以独立运行以模拟直驱式风力发电机组的运行控制特性，也可以配合其他微型物理模拟元件来完成电力系统层级的物理模拟实验。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。