专利名称：一种风力发电机组超声波风速风向测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于风力发电技术领域，更为具体地讲，涉及一种用于风力发电机组超声 波风速风向测量装置。
背景技术：
风速风向测量在工业生产和科学实验中有着广泛的应用。常见的风杯式、风标式 风速风向仪因自身机械结构固有的缺陷，测量低风速时灵敏度不高，并会随使用时间增加 出现一定程度的老化，在恶劣的工作环境中测量精度和使用寿命均受到较大影响。由于风 力发电机组大多工作在环境较为恶劣的地区并且机组的控制对风速、风向数据的精确度有 较高要求的原因，超声波风速风向仪因无机械磨损、测量精度高、灵敏度高、稳定性好等优 点，与风杯式、风标式风速风向仪对比具有明显优势，已逐步成为风力发电行业的最佳选 择。目前的风力发电机组超声波风速风向测量装置中超声波风速风向仪与风力发电 机组的通信和超声波风速风向仪自身的供电都是通过线缆来实现的，这种做法对线缆的维 护以及更换提出了较高的要求，并且随着国内风力发电大量的投运，这样的维护相当的繁 琐，对人力资源以及成本产生了极大的浪费，尤其当超声波风速风向仪架设点与风力发电 机组机舱控制器间距较大时铺设、维护线路更为不便。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种安装简单、维护简便，无需铺设 供电通信线路的风力发电机组超声波风速风向测量装置。为实现上述目的，本发明风力发电机组超声波风速风向测量装置，包括超声波风 速风向仪和风力发电机组机舱控制器；超声波风速风向仪又包括超声波收发模块、中央控制单元，超声波收发模块在中 央控制单元的控制下，对风速风向进行采集；其特征在于超声波风速风向仪还包括一 ZigBee无线通信模块和太阳能蓄电供电模块，风力 发电机组机舱控制器具有ZigBee无线通信功能；在超声波风速风向仪中，采集的风速风向数据通过ZigBee无线通信模块发送给 风力发电机组机舱控制器，以实现对风力发电机组的控制；太阳能蓄电供电模块由太阳能 电池板阵列、汇流盒、太阳能控制器以及蓄电池组成，太阳能电池板阵列产生的电能通过汇 流盒进行汇合，在太阳控制器的控制下，将汇合电能作为整个超声波风速风向仪的供电，同 时，在日照充足时，将多于的汇合电能存储到蓄电池中，在夜间或阴雨天，无太阳光或日照 不充足时，由蓄电池为整个超声波风速风向仪提供电源。本发明的发明目的是这样实现的本发明针对现有技术风力发电机组超声波风速风向测量装置安装维护不便的缺点，对超声波风速风向仪的通信方式和供电方式进行创新，采用无线通信和太阳能供电蓄 电模块分别实现通信和自主供电。本发明具有安装简单、无需铺设通信供电线路、维护简 便、耗能低等特点，尤其适用于环境恶劣、不易施工维护的野外情况。本发明超声波风速风向仪与风力发电机组机舱控制器的通信采用ZigBee无线通 信的方式，完成风速风向仪将采集的风速风向数据通传送给风力发电机组机舱控制器的。 现今无线通信技术应用范围十分广泛，覆盖军事、环境检测、医疗护理、智能家居、机械监 控、城市交通、空间探索、大型车间管理，以及机场、大型工业园区的安全检测等领域。本发 明中的无线通信模块，参考ZigBee技术协议标准设计实现。ZigBee技术是一种短距离无线 通信技术，协议标准采用的是OSI的分层结构，其物理(PHY)层和媒体访问控制(MAC)层协 议符合IEEE802. 15. 4协议标准，网络层和应用层由ZigBee技术联盟制定，应用层的开发应 用根据需要进行设计。本发明在风力发电机组超声波风速风向测量装置上的创新，目的是为了剪裁通信 和供电线缆，方便设备安装和日后维护，应用太阳能供电蓄电模块，取代了常见的有线供电 方式，实现了超声波风速风向仪中各功能模块的自主供电。本发明采用太阳能供电的另一 个原因，是超声波风速风向仪整体功耗不大，太阳能蓄电供电模块适用于此类低功耗小型 仪器，并且太阳能供电方式性能稳定、使用寿命较长。太阳能供电蓄电模块配合无线通信模 块使超声波风速风向仪摆脱工作环境、布线的限制，扩大适用范围的同时，也使得整个风力 发电机组超声波风速风向测量装置更易于维护与管理。
图1是本发明风力发电机组超声波风速风向测量装置一种具体实施方式
原理框 图；图2是图1所示超声波风速风向仪工作示意及设备结构图；图3是图2所示的无线通信模块的结构图；图4是图1所示太阳能蓄电供电模块的结构图；图5是图1所示超声波风速风向仪与风力发电机组机舱控制器数据传送模式及设 备设置模式选择及具体通信流程图；图6是图5所示应答帧中解析帧的格式图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述，以便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。实施例图1是本发明风力发电机组超声波风速风向测量装置一种具体实施方式
原理框 图。如图1所示，在本实施例中，风力发电机组超声波风速风向测量装置包括超声波 风速风向仪1和风力发电机组机舱控制器2两个部分。超声波风速风向仪1包括超声波收发模块101、中央控制单元102、太阳能蓄电供电模块103以及ZigBee无线通信模块104。风力发电机组机舱控制器2也具有一 ZigBee 无线通信模块，使其具有ZigBee无线通信功能，能与超声波风速风向仪1进行无线通信。超声波收发模块101在中央控制单元102的控制下，对风速风向进行采集，采集的 风速风向数据通过ZigBee无线通信模块104发送给风力发电机组机舱控制器2，以实现对 风力发电机组的控制。太阳能蓄电供电模块103由太阳能电池板阵列、汇流盒、太阳能控制器以及蓄电 池组成，太阳能电池板阵列产生的电能通过汇流盒进行汇合，在太阳控制器的控制下，将汇 合电能作为整个超声波风速风向仪1的供电，同时，在日照充足时，将多于的汇合电能存储 到蓄电池中，在夜间或阴雨天，无太阳光或日照不充足时，由蓄电池为整个超声波风速风向 仪1提供电源。在本实施例中，所述的采集的风速风向数据通过ZigBee无线通信模块104发送给 风力发电机组机舱控制器2有两种模式a、循环模式超声波风速风向仪1通过其无线通信模块104向风力发电机组机舱控制器2发送 Beacon帧进行同步，风力发电机组机舱控制器2在侦听到Beacon帧后发出数据请求帧，超 声波风速风向仪1接收到数据请求帧后，回复确认帧，将采集的实时风速风向数据存储后 发送；风力发电机组机舱控制器2在接收到确认帧后转入接收状态接收采集的实时风 速风向数据，并在采集的实时风速风向数据接收完成后发出确认帧，风速风向仪接收到确 认帧后将该实时风速风向数据从发送队列中清除，完成一次实时风速风向数据的发送。在循环模式下，因超时而未接收到请求帧或确认帧的，则视为帧丢失，将重复进行 上一步发送Beacon帧或数据帧的过程，最多重复3次，第4次帧丢失后取消该条数据帧的 发送，通信失败。循环模式下，超声波风速风向仪1主动发送采集的实时风速风向数据给风力发电 机组机舱控制器2，每次发送时间间隔可设置。风力发电机组需要采集的实时风速风向数据实现机组的运行控制。对于这样的数 据，机组需要在一个毫秒级的周期以内获得多次风速数据来完成控制，考虑到机组的这一 特性，超声波风速风向仪1对采集的实时风速风向数据的发送采用循环模式。b、查询/返回模式超声波风速风向仪1通过其无线通信模块104向风力发电机组机舱控制器2发送 Beacon帧进行同步，风力发电机组机舱控制器2在侦听Beacon帧同步后，向超声波风速风 向仪1发送命令帧，超声波风速风向仪收到命令帧后，发送确认帧，并根据命令帧的内容将 历史风速风向数据发送。此过程中若Beacon帧、命令帧或数据帧丢失，风力发电机组机舱 控制器2将最多重复3次发送Beacon帧、数据帧或命令帧，第4次帧丢失后视本次通信失 败。风力发电机组需要统计数据对故障追忆以及统计机组的长时间运行效率。对于这 样的数据，机组不需要在很短的周期内获取，而只是当出现需要时得到该数据，因此，超声 波风速风向仪1对历史风速风向数据的发送采用查询/返回模式。此外，考虑到在实际工作和通信过程中，需要对超声波风速风向仪1进行设置，如设备号设置、参考风向设置等，因此对超声波风速风向仪1进行设置时通信使用设备设置 模式风力发电机组机舱控制器2在侦听Beacon帧同步后，向超声波风速风向仪1发送命 令帧，超声波风速风向仪1发送确认帧后，根据命令帧的内容对超声波风速风向仪1进行设置。图2是图1所示超声波风速风向仪工作示意及设备结构图。超声波风速风向仪1架设于风力发电机组机舱3的尾部，与立于机舱3顶部从风 舱控制器2延伸出的射频天线201间进行无线通信。此外，还给出了超声波风速风向仪1 的结构，其中，无线通信模块104和太阳能蓄电供电模块103是本发明区别于其他超声波风 速风向仪的主体部分。图3是图2所示的无线通信模块的结构图。图3主要示出了无线通信模块104在物理层上的设计思路。硬件方面，无线通信 模块104主要由射频芯片1041、驱动电路1042及射频收发天线1043构成。软件方面，本发 明主要完成率芯片驱动程序的编写。在实际工作过程中，MCU通过读写函数将数据写入射 频芯片1041的发送RAM等待发送或从接收RAM中读取数据，并通过驱动函数的调用控制射 频芯片的工作状态。无线通信模块104的硬件结构以及数据的接收和发送属于现有技术， 在此不再赘述图4是图1所示太阳能蓄电供电模块的结构图。图4示出了太阳能供电蓄电模块的结构，功能在于为超声波风速风向仪1各模块 提供工作电源。作为超声波风速风向仪的一个重要组成部分，该模块电模块由太阳能电池 板阵列1031、汇流盒1032、太阳能控制器1033以及蓄电池1034组成，超声波风速风向仪1 中央控制单元102参与该模块供电、蓄电过程的控制。图5是图1所示超声波风速风向仪与风力发电机组机舱控制器数据传送模式及设 备设置模式选择及具体通信流程图如图5所示，超声波风速风向仪1与风力发电机组机舱控制器2之间的通信，即数 据传送模式及设备设置有三种模式，分别是循环模式、设备设置模式和查询/返回模式。图5-a是通信模式判断流程图，如图5-a所示，在工作过程中，超声波风速风向仪 1在发送Beacon帧与风力发电机组机舱控制器2同步后，先判断接收帧的类型。根据帧类 型的不同采用不同的通信模式当接收应答帧为数据请求帧时，采用循环模式，向风力发电 机组机舱控制器2发送采集的实时风速风向数据；当接收应答帧为设置命令帧时，采用设 备设置模式，根据接收到的命令帧对超声波风速风向仪进行设置操作；当接收应答帧为历 史数据读取命令帧时，采用查询/返回模式，根据命令帧的内容从存储器中组织采集的历 史风速风向数据，并向机舱控制器发送。查询的历史数据可以为历史记录中的某次测量值， 也可以为多次测量值的平均值。如果，超声波风速风向仪1在发送Beacon帧等待应答超时，即超时而未接收到请 求帧，则视为帧丢失，将重复进行上一步发送Beacon帧的过程，最多重复3次，第4次帧丢 失后取消该条数据帧的发送，通信失败。图5_b是循环模式通信流程图。如图5_b所示，当超声波风速风向仪1接收应答 帧为数据请求帧时，采用循环模式，发送确认帧，向风力发电机组机舱控制器2发送采集的 实时风速风向数据；等待确认帧并计时，如果因超时而未接收到请求帧或确认帧的，则视为帧丢失，将重复进行上一步发送Beacon帧或数据帧的过程，最多重复3次，第4次帧丢失后 取消该条数据帧的发送，通信失败。如果收到确认帧，则循环模式一次实时风速风向数据发 送完成。图5-c是设备设置模式通信流程图。如图5-c，当接收应答帧为设置命令帧时，采 用设备设置模式，超声波风速风向仪1发送确认帧后，根据命令帧的内容对超声波风速风 向仪1进行设置，完成设备设置模式下一次通信。图5-d是查询/返回模式通信流程图。如图5-d，当接收应答帧为历史数据读取命 令帧时，采用查询/返回模式，根据命令帧的内容从存储器中组织采集的历史风速风向数 据，然后发送；等待确认帧并计时，如果因超时而未接收到请求帧或确认帧的，则视为帧丢 失，将重复进行上一步发送Beacon帧或数据帧的过程，最多重复3次，第4次帧丢失后取消 该条数据帧的发送，通信失败。如果收到确认帧，则循环模式一次实时风速风向数据发送完 成。图6是图5所示应答帧中解析帧的格式图。超声波风速风向仪1对接收到的应答帧进行解析，并根据对解析帧解析内容对超 声波风速风向仪1进行操作。如图6所示，图中示出了本发明应答帧中的解析帧与MAC帧、物理层帧的结构关 系。当解析帧被传送到MAC子层时，就被称为MAC服务数据单元(MSDU)，被附加MHR头信息 和MFR尾信息后，就构成MAC帧。MAC层帧根据物理层帧结构添加同步信息SHR和帧长度 PHR字段后，即构成物理层帧。图6中还示出了应答帧中的解析帧具体结构解析图例。如图6所示，解析帧由帧 类别(Frame Type)、命令号(Command Num)、数据负载(Data Payload)和CRC校验码四部 分构成。帧类别用于判别所需工作模式，0x44对应循环模式(L)，0x53对应设置模式(S)， 0x52对应查询/返回模式(R)，然后再根据模式下的具体命令号进行动作。CRC校验码由帧 类别、命令号和数据负载生成，下面对部分解析帧示例介绍时2字节CRC校验码用XX代替。1)解析帧0x4401XX表示通信模式选择循环模式，风机机舱控制器查询实时风速风向数据，该实时数 据由风速风向仪定时发送。2)解析帧0x530101XX表示通信模式选择设置模式，超声波风速风向仪1对该解析帧解析之后，将对设 置自身编号，本例中风速风向仪完成对自身设置01号设备的操作。3)解析帧0x5302005AXX表示通信模式选择设置模式，本例设置风速风向仪的参考风向为90°，及正东方 向。测量出的风向值是实际风向与参考风向的相对值。4)解析帧0x5201090A0B01XX表示通信模式选择查询/返回模式，本例中超声波风速风向仪1执行读取存储设 备的操作，查询9月10日11时10分时所测得的风速风向数据，并把该数据发送给机舱控 制器。若查询时间早于当前时间，则查询的为本年该时间下的数据，若查询时间晚于当前时 间，则查询的为去年的数据，即保存的数据时效是当前时间往前数的一年内。5)解析帧0x5202090A0B010A0A0B01XX
表示通信模式选择查询/返回模式，本例中若当前时间在10月10日11时10分 之后，则计算今年9月10日11时10分到今年10月10日11时10分之间所有保存的风速 风向数据的平均值；若当前时间在9月10日11时10分之前，则计算去年9月10日11时 10分到去年10月10日11时10分之间所有保存的风速风向数据的平均值；若当前时间在 9月10日11时10分与10月10日11时10分之间，则计算去年10月10日11时10分到 今年9月10日11时10分之间所有保存的风速风向数据的平均值。计算出的平均风速风 向数据由超声波风速风向仪1发送给机舱控制器2，作为时间段内主导风速风向的参考。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式
进行了描述，以便于本技术领的技术人 员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式
的范围，对本技术领域的普通技术 人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变 化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
权利要求
1.一种风力发电机组超声波风速风向测量装置，包括超声波风速风向仪和风力发电机 组机舱控制器；超声波风速风向仪又包括超声波收发模块、中央控制单元，超声波收发模块 在中央控制单元的控制下，对风速风向进行采集；其特征在于超声波风速风向仪还包括一 ZigBee无线通信模块和太阳能蓄电供电模块，风力发电 机组机舱控制器具有ZigBee无线通信功能；在超声波风速风向仪中，采集的风速风向数据通过ZigBee无线通信模块发送给风力 发电机组机舱控制器，以实现对风力发电机组的控制；太阳能蓄电供电模块由太阳能电池 板阵列、汇流盒、太阳能控制器以及蓄电池组成，太阳能电池板阵列产生的电能通过汇流盒 进行汇合，在太阳控制器的控制下，将汇合电能作为整个超声波风速风向仪的供电，同时， 在日照充足时，将多于的汇合电能存储到蓄电池中，在夜间或阴雨天，无太阳光或日照不充 足时，由蓄电池为整个超声波风速风向仪提供电源。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组超声波风速风向测量装置，其特征在于，所述 的采集的风速风向数据通过ZigBee无线通信模块发送给风力发电机组机舱控制器有两种 模式a、循环模式超声波风速风向仪通过其无线通信模块向风力发电机组机舱控制器发送Beacon帧进 行同步，风力发电机组机舱控制器在侦听到Beacon帧后发出数据请求帧，超声波风速风向 仪接收到数据请求帧后，回复确认帧，将采集的实时风速风向数据存储后发送；风力发电机组机舱控制器在接收到确认帧后转入接收状态接收采集的实时风速风向 数据，并在采集的实时风速风向数据接收完成后发出确认帧，风速风向仪接收到确认帧后 将该实时风速风向数据从发送队列中清除，完成一次实时风速风向数据的发送；b、查询/返回模式超声波风速风向仪通过其无线通信模块向风力发电机组机舱控制器发送Beacon帧 进行同步，风力发电机组机舱控制器侦听Beacon帧同步后，向超声波风速风向仪发送命令 帧，超声波风速风向仪收到命令帧后，发送确认帧，并根据命令帧的内容将历史风速风向数 据发送。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组超声波风速风向测量装置，其特征在于，在所 述的循环模式下，因超时而未接收到请求帧或确认帧的，则视为帧丢失，将重复进行上一步 发送Beacon帧或数据帧的过程，最多重复3次，第4次帧丢失后取消该条数据帧的发送，通 信失败；在所述的查询/返回模式下，若Beacon帧、命令帧或数据帧丢失，风力发电机组机舱控 制器将最多重复3次发送Beacon帧、命令帧或数据帧，第4次帧丢失后视本次通信失败。
4.根据权利要求2所述的风力发电机组超声波风速风向测量装置，其特征在于，风力 发电机组超声波风速风向测量装置具有设备设置模式风力发电机组机舱控制器在侦听 Beacon帧同步后，向超声波风速风向仪发送命令帧，超声波风速风向仪发送确认帧后，根据 命令帧的内容对超声波风速风向仪进行设置。
全文摘要
本发明公开了一种风力发电机组超声波风速风向测量装置包括超声波风速风向仪和风力发电机组机舱控制器两个部分。超声波风速风向仪包括超声波收发模块、中央控制单元、太阳能蓄电供电模块以及ZigBee无线通信模块。超声波收发模块在中央控制单元的控制下，对风速风向进行采集，采集的风速风向数据通过ZigBee无线通信模块发送给风力发电机组机舱控制器，以实现对风力发电机组的控制。太阳能蓄电供电模块将产生的电能作为整个超声波风速风向仪的供电。采用无线通信和太阳能供电蓄电模块分别实现通信和自主供电。本发明具有安装简单、无需铺设通信供电线路、维护简便、耗能低等特点，尤其适用于环境恶劣、不易施工维护的野外情况。
文档编号G01P5/24GK102095890SQ20101055599
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者彭超, 徐红兵, 邹见效 申请人:电子科技大学