专利名称：一种风力发电机组远程实时监控的无线通信系统及方法
技术领域：
本发明属于远程实时无线监控技术领域，特别是涉及一种应用于风力发电机组的远程实时监控的无线通信系统及方法。
背景技术：
风力发电是利用绿色风能的综合性高新技术，我国陆地和海上的风资源技术可开发量分别为2. 53和7. 5亿千瓦，全国风电场建设加快，现已经进入大规模开发时期，目前风力发电机组(以下简称风机)除控制系统核心外基本都已经实现国产化。按照风力发电场(以下简称风场)的设计要求，一般来讲，风机实际排布间距相对较远(300米以上)，形成规模后整体场地区域较大、分布分散均匀。为了实时监控风机的运行状态、控制风机的运转、统计各项参数和指标，一般按照分层控制管理的设计思想，各型机组投入运行后均可选配相应的监控系统一由风机本地、风场集控和远程监控等部分组成，即风机可通过相应的人机交互界面完成本地的监控与设置等基本功能；对于风场管理而言，客观上要求对全部风机进行集中监视和控制，风场集控要实现风机的数据采集、统计分析、故障报警、打印制表以及故障远程复位和输出控制等远程监控功能，是整个风电场的控制系统核心；远程监控系统是随着网络技术的发展，将风场集控联入企业网络或互联网实现web访问功能， 为了安全性方面考虑，一般仅提供远程浏览功能。目前，为了实现风场集控功能，所有风机的控制系统都采用有线通信介质的方法连接风机与风场集控中心(升压站)，也就是在直埋敷设或架空高压电缆的同时浅埋或架空通信线缆(铜缆或光纤等)，而且为了扩展风机方便，一般均采用总线型串行链接的网络拓扑结构。以上现有技术存在的主要问题如下I、由于风场选址的特殊性，原本都位于远离城市地广人稀的沙漠、山区或浅海等边缘区域，交通和通信等设施较为落后又分散于方圆几——几十公里区域的生产作业现场，但是随着我国经济的迅猛发展，土地资源也越来越成为稀缺资源，如原来无人的滨海滩涂风场逐步开发成为旅游景点或港口。因此，一次性铺(架)设的通信电(光)缆在实际实施中面临诸多问题(I)从施工角度看，电能传输高压粗电缆可以一次性深埋或高架处理，但是通信电(光)缆因信号干扰和安全要求的原因而无法与高压粗电缆共同走线，一般采用浅埋或低架方法，这就导致有线通信线路不可避免的遭到雷击或人为等破坏；(2)从土地征用的角度看，一般风场都是风场集控中心(升压站)及风机周边一定范围内和高架沿线一定高度的授权使用方式提交审批的，如果是浅埋或更换有线通信电(光)缆必然涉及破坏征用范围之外的土地及地上附属物等无法预估的问题；(3)长距离一次性铺(架) 设的野外专用铠装通信电(光)缆成本高，并且随着运行周期的增加，线路接口老化、信号衰减等问题日益严重，信号的中继放大也无疑增加了系统的设备维护成本、功耗和故障率；
(4)有些风场现场实际情况就不适于用一次性铺(架)设的通信电(光)缆方法，如海上风场。2、目前，风场实时集中监控系统普遍采用的总线型串行链接结构有线通信方式设计中存在一个很大的弊端，无论是有线通信线路问题还是某个单风机断电或故障的状况出现时，将导致整条通信线路上的所有风机在风场集控系统中的远程监控中断，而且故障的排查是非常困难、费时的。对于风场而言，与风机通信无效实际就等于无法确定风机的运行状态，无法远程控制风机的运行，这无疑会带来巨大的不便和安全隐患，导致严重影响发电效率和企业效益。3、分层控制管理思想设计的风机本地、风场集控和远程监控等部分组成监控系统，在实际应用中受到技术、条件等原因的限制，目前基本都实现了风机本地、风场集控两个层次。随着信息化水平的提高，依赖于频谱资源的无线电传感网络、调度网络、监控网络、服务网络、定位网络等无线电系统正逐步覆盖电力、能源、交通、医疗、安全、物流等诸多领域，基本可概况为两条主线，一条是蜂窝通信的发展主线，蜂窝通信技术从1G、2G向3G、 4G发展；另二条线涵盖了 WLAN、WPAN、Bluetooth、WiMAX, RFID等技术的发展，而且这些技术都朝向移动的、宽带的、高速的方向发展。在工业控制领域中更是从传统有线电气连接向协议逐步标准化的新型现场总线、无线传感器网络、无线工业以太网等方式转变或者发展为有线和无线相结合工业控制网络。其具体优势有(I)成本低廉相对于有线安装、维护、 故障诊断和升级配线的成本。(2)灵活性高没有电缆的约束，管理者可以容易地配置装配线来适应变化了的用户需求，以更好地跟踪生产过程。(3)易用性具有分布式智能的集成无线系统能够独立于操作者实现对工业过程的控制。(4)可靠性高在有线网络中大部分的故障是由连接器引起的，而无线系统则排除了这样的可能。(5)安全性随着技术的发展和新威胁的不断出现，安全维护的升级能力是必不可少的。新的加密策略和隐蔽的数据传送预示着无线的安全级别将超过有线系统。(6)施工周期短无线系统可以通过节点的组织和配置功能迅速搭建成有效的通信网络。但是，由于风机控制目前基本都是采用有线通信介质以保密协议的方式实现风场集控功能，如果需要再提供服务器中转进而实现远程监控功能。现有技术中尚未设计采用成熟通用的通信技术来实现风机和风场无线通信的监控系统和方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明的核心是实现一种适于风机远程实时监控的基于Lonworks协议的无线通信系统及方法，有效地解决现有的有线通信系统及方法在实际应用中的上述各种缺陷和问题，并可根据实际需要灵活地选择是将现有的有线通信全部无缝地替换为无线通信方式，还是将新增的无线通信系统作为现有有线通信的冗余备份方式，从而确保风机与风场集控中心(升压站)的通信畅通，全面地提高了整个系统的稳定性、安全性和可靠性，同时，使得维护费用显著降低，运维效率明显提高，且具有良好的可扩展性和安全性，为风机控制系统进一步完全网络化奠定了良好基础，进而可实现从风机本地、风场集控和远程监控的三层次系统优化为风机本地和远程监控二层次系统，可操作性强，应用可靠，方便灵活。本发明所述的风力发电机组远程实时监控的无线通信系统，其特征在于，包括
风机端无线数字电台，安装在风机上并连接定向天线，用于采集风机的各种信息并实现无线收发；所述风机端无线数字电台包括采集模块或信号转换接口适配卡、无线收发终端；采集模块或信号转换接口适配卡用于采集风机的各种信息；无线收发终端对所采集的信息在保持数据格式不变的前提下打包，然后经定向天线透明转发到无线自组织网络；风场集控中心无线通信系统，位于风场集控中心，包括全向天线、无线收发终端和远程监控终端；所述无线收发终端经全向天线实时检测无线自组织网络的网络数据，透明收发风机端和集控中心之间的各种数据信息，所述远程监控终端实现对风机的实时远程监测监控功能。优选地，所述风机端无线数字电台安装在风机内附加的防水配电箱内，并且所述定向天线通过焊接在风机塔筒外壁的定向天线抱杆固定。优选地，所述定向天线与风机端无线数字电台之间连接避雷防浪涌保护器。优选地，所述风场集控中心无线通信系统进一步包括通信或数据服务器，所述通信或数据服务器通过路由器和防火墙构建局域网和防火墙保护后利用网络交换机连入互联网，用于互联网的在线浏览访问功能。优选地，所述远程监控终端是监控工控机IPC，配置具有LonWorks神经元程序的 PCLTA/PCNSI数据采集卡。进一步优选地，所述远程监控终端运行的监控系统包括OrbiLis 和OrbiCtrl两个子程序,所述OrbiLis子程序用于从不同风机采集数据，通过Lonworks 无线网络传输并存储到数据库中以便处理后进行监控，向每个风机发送有OrbiCtrl程序产生的远程控制命令，建立整个风场的配置，向每个风机控制器复制控制程序；所述 OrbiCtrl子程序用于实时监控已经接收并处理完成的不同风机各种数据和通过远程控制命令控制风机。优选地，所述风机端无线数字电台与所述风场集控中心无线通信系统之间的所述无线自组织网络是基于LonWorks协议的无线通信转发式自由拓扑无线网络。进一步优选地，所述无线自组织网络是点对多点的Client-Server网络，并且所述风机端无线数字电台配置为Clinet模式，所述风场集控中心无线通信系统配置为Sever模式。本发明还提供了一种风力发电机组远程实时监控的无线通信方法，其特征在于， 包括步骤1，通过风机端无线数字电台的采集模块或信号转换接口适配卡采集风机的各种信息，由无线收发终端完成对所采集的信息在保持数据格式不变的前提下打包，然后经定向天线透明转发到无线自组织网络；步骤2，风场集控中心无线通信系统通过全向天线由无线收发终端实时检测网络数据，通过无线自组织网络透明收发风机端和所述风场集控中心之间的各种数据信息，从而实现对风机的实时远程监测监控功能。进一步地，所述通信方法还包括步骤3，对风场集控中心无线通信系统配置通信或数据服务器，所述通信或数据服务器经由路由器和防火墙构建局域网后通过网络交换机连入Internet,实现互联网的在线web浏览访问功能。本发明实现了从串行总线型LonWorks有线网络到多对一(自由拓扑)星型 Lonfforks无线网络的无缝切换，消除了单一风机故障导致全部网络瘫痪的问题，解决了风力发电现场环境不适于浅埋或架设专用电缆(光缆)、租用电信专线等实际通信需求，为风力发电系统的远程监控监测需求提供了一种可靠的无线通信方法，并可联入企业网络实现web访问功能，提高了风机的发电效率和自动化信息水平，减轻了劳动强度，具有广阔良好的推广价值，取得了明显的经济效益和社会效益。
图I是本发明实施例的系统方案整体结构示意图；图2A是本发明实施例的防水配电箱的外观侧视图示图2B是本发明实施例的防水配电箱的衬板外观示图2C是本发明实施例的防水配电箱的外观正视图示图2D是本发明实施例的防水配电箱的外观底面图示图；图3是本发明实施例的防水配电箱内部结构示意图；图4是本发明实施例的风机端无线通信线路连接示意图；图5是本发明实施例的风场集控中心无线通信连接示意图。
具体实施例方式为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。风机控制系统是相当复杂的，因此适于风机远程实时监控的无线通信系统及方法技术方案并非简单的添加或将有线设备替换成无线通信设备。概况的讲，首先，要根据风场实地布局与周边环境情况和风机实际设计的通信协议与标准要求选择适当的无线方式 (常用的无线方式如表I所示，具体要依赖应用环境、数据吞吐量和延迟时间要求、节点之间的距离和本地无线管理条例)，同时还有对风机原设计中的适于有线通信方式的采集模块或信号转换接口适配卡进行相应的适当重构；其次，由于目前风机制造商尚未考虑无线通信的选配结构，需要在风机端进行不改变风机空气动力、机械结构和电气控制等基础上的无线通信附属部件安装与测试；第三，同样要在风场集控中心(升压站)完成与风机端相同的相应适当重构，特别是全向天线的位置选择与测试和控制中心计算机的通信接口与软件配置。表I常用无线通信方式对比表\通信 \■式相关\ 指标\IWLAN、 IEEE802.il a/b/g、 Hyper LAN模拟电台加 MODEM数字电台数字集群GSM短信息GPRS、 HSCSD、 UMTS系统设备自建专网自建专网自建专网共建专网公网共用公网共用系统覆盖百米内20-50公里20-50公里10-30公里区域性(全国)区域性 (全国)工作频段2. 4/SGHz230/350/400 MHz230/350/400/900 MHz800 MHz800/900 MHz800/900 MHz运营成本公共频带占用费频带占用费频带占用费O. I元/条+月租流量费+ 月租造价中中中高低一般最高传输速率1-54MBPS24OOBPS19200BPS9600BPS9600BPS171KBPS实时性 (采集单点数据时间)视网络情况几百毫秒几十毫秒几秒平均几秒约I秒本发明的风力发电机组远程实时监控的无线通信系统，采用基于LonWorks协议的无线通信技术构建完全透明的转发式自由拓扑无线网络，以数字电台为核心的通信系统由安装在风场集控中心(升压站)与风机端两个部分的无线通信装置组成，方案设计示意图如图I所示。所述系统包括风机端无线数字电台10，分别安装在风机I至风机N并连接定向天线，用于采集风机的各种信息并实现无线收发。风机端无线数字电台10具体包括采集模块或信号转换接口适配卡101、无线收发终端102，并且无线收发终端102连接定向天线103 ;采集模块或信号转换接口适配卡101用于采集风机的各种信息；无线收发终端 102对所采集的信息在保持数据格式不变的前提下打包，然后经定向天线103透明转发到无线自组织网络20。风场集控中心无线通信系统30位于风电场的风场集控中心(升压站)，包括全向天线301、无线收发终端302、通信或数据服务器303 (可选)、远程监控终端304、路由器 305 (可选)、防火墙306 (可选)等。无线收发终端302经全向天线301实时检测无线自组织网络20的网络数据，通过无线自组织网络20透明收发风机端和集控中心之间的各种数据信息，从而通过远程监控终端304实现对风机的实时远程监测监控功能。可选配相应的通信或数据服务器303，通过路由器305和防火墙306构建局域网和防火墙保护后利用网络交换机连入Internet 40,实现互联网的在线web浏览访问功能。远程监控终端304是在风场集控中心(升压站)配置的监控工控机IPC，IPC硬件主要移植配置具有LonWorks神经元程序的PCLTA/PCNSI数据采集卡，操作系统环境为windowsNT4. 0SP6，数据库为Oracle 7， 运行的监控系统软件由OrbiLis和OrbiCtrl两个子程序构成,其中OrbiLis子程序实现
(I)从不同风机采集数据，通过Lonworks无线网络传输并存储到数据库中以便处理后进行
8监控；(2)向每个风机发送有OrbiCtrl程序产生的远程控制命令；(3)建立整个风场的配置(安装/卸载风机等)，向每个风机控制器复制控制程序；0rbiCtrl子程序实现(I)实时监控已经接收并处理完成的不同风机各种数据；(2)通过远程控制命令控制风机，从而能够稳定、实时的完成对风机的数据采集、统计分析、故障报警、打印制表以及故障远程复位和输出控制等远程监控功能。风机端无线数字电台10安装在风机端，其中根据现场实际调研情况，确定风机端的定向天线抱杆位置，将其焊接在风机塔筒外壁，用于固定所述定向天线103。包括采集模块或信号转换接口适配卡101和无线收发终端102的风机端无线数字电台10安装在风机内附加的防水配电箱内，图2A-D是所述防水配电箱的外观示图。图3是防水配电箱内部结构示意图，其中风机端无线数字电台10安置在所述防水配电箱11内，开关电源12外接交流220V电源并进行AC 220V至DC 24V的转换，对风机端无线数字电台10实行供电；风机端无线数字电台10通过通信接口连接控制柜通信C卡。、为保证外置天线的弓I雷效应对风机安全的影响，在馈线线路上加入GT-NFM-AL型避雷浪涌保护器13，风机端无线数字电台10经SH)避雷防浪涌保护器13连接定向天线103。以上防水配电箱的外部端口均设置防水保护套14。图4是风机端无线通信线路连接示意图，如图4所示，所述风机端无线数字电台10外接RP-SMA (LMR 195)连接器，通过LMR-195标准通信线缆连接SB)避雷防浪涌保护器13，进而通过LMR-195标准通信线缆连接定向天线103。图中的NFemale、N Male表示相应的母插和公插。图5是风场集控中心无线通信连接示意图。风场集控中心无线通信系统30设置于风场的中心控制室内。全向天线301安装于室外接收风机端无线数字电台10发来的信号； 无线收发终端302也设置于与图2相同的防水配电箱31内，远程监控终端304通过LMR-195 通信线路连接无线收发终端302，实现上述数据采集、统计分析、故障报警、打印制表以及故障远程复位和输出控制等远程监控功能。虽未在图5中示出，但中心控制室内还可以设置相应的通信或数据服务器303、路由器305、防火墙306等以实现与Internet的联通。配电柜32和USP电源33分别用于为风场集控中心无线通信系统30供电。考虑到工程上的需求，中心控制室内可铺设天棚和防静电地板及相应走线管。根据风机远程监控系统中通信子系统LonWorks协议要求，本发明采用以数字电台为核心的无线通信系统构建完全透明的转发式自由拓扑无线网络，实现真正的端到端协议、超快速同步，可调节输出5mW至IOOOmW,即插即用，无需复杂编程；可进行完全透明的基于LonWorks协议无线通信自由拓扑网络组织,如点对点、点对多点、端到端混合等方式。数字电台根据现场实际调研结果，新的无线LonWorks网络应该是点对多点的Client-Server 网络组织形式。因此，为了实现自由拓扑的无线LonWorks网络需要对每台风机端的无线数字电台进行Client模式的设置，监控中心的无线电台进行Server模式的设置，同时还要完成各电台具体参数的设定和测试。各个电台设置完成进行回环测试成功后，要进行Server 与Client直接的通信测试以保证各项参数均正确无误，并且无任何冲突影响以免数据的正常传输。通过现场实际测试分析证明上述工作正确无误，如果现场有任何需要对于网络拓扑模式的修改则也在此步进行，但都必须进行完整的测试保证通信的可靠性。本发明还提供了一种风力发电机组远程实时监控的无线通信方法，包括步骤1， 通过风机端无线数字电台10的采集模块或信号转换接口适配卡101采集风机的各种信息，由无线收发终端102完成对所采集的信息在保持数据格式不变的前提下打包，然后经定向天线103透明转发到无线自组织网络20 ;步骤2，风场集控中心无线通信系统30通过全向天线301由无线收发终端302实时检测网络数据，通过无线自组织网络20透明收发风机端和所述风场集控中心之间的各种数据信息，从而实现对风机的实时远程监测监控功能。进一步地，通过通信或数据服务器303经由路由器305和防火墙306构建局域网后通过网络交换机连入Internet,实现互联网的在线web浏览访问功能。本发明实现了从串行总线型LonWorks有线网络到多对一(自由拓扑)星型 LonWorks无线网络的无缝切换，消除了单一风机故障导致全部网络瘫痪的问题，解决了风力发电现场环境不适于浅埋或架设专用电缆(光缆)、租用电信专线等实际通信需求，为风力发电系统的远程监控监测需求提供了一种可靠的无线通信方法，并可联入企业网络实现 web访问功能，提高了风机的发电效率和自动化信息水平，减轻了劳动强度，具有广阔良好的推广价值，取得了明显的经济效益和社会效益。以上所述，仅为本发明的具体实施方式
，本发明还可以采用其它本领域常用的结构或形状，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
权利要求
1.一种风力发电机组远程实时监控的无线通信系统，其特征在于，包括风机端无线数字电台，安装在风机上并连接定向天线，用于采集风机的各种信息并实现无线收发；所述风机端无线数字电台包括采集模块或信号转换接口适配卡、无线收发终端；采集模块或信号转换接口适配卡用于采集风机的各种信息；无线收发终端对所采集的信息在保持数据格式不变的前提下打包，然后经定向天线透明转发到无线自组织网络；风场集控中心无线通信系统，位于风场集控中心，包括全向天线、无线收发终端和远程监控终端；所述无线收发终端经全向天线实时检测无线自组织网络的网络数据，透明收发风机端和集控中心之间的各种数据信息，所述远程监控终端实现对风机的实时远程监测监控功能。
2.根据权利要求I所述的无线通信系统，其特征在于，所述风机端无线数字电台安装在风机内附加的防水配电箱内，并且所述定向天线通过焊接在风机塔筒外壁的定向天线抱杆固定。
3.根据权利要求I所述的无线通信系统，其特征在于，所述定向天线与风机端无线数字电台之间连接避雷防浪涌保护器。
4.根据权利要求I所述的无线通信系统，其特征在于，所述风场集控中心无线通信系统进一步包括通信或数据服务器，所述通信或数据服务器通过路由器和防火墙构建局域网和防火墙保护后利用网络交换机连入互联网，用于互联网的在线浏览访问功能。
5.根据权利要求I所述的无线通信系统，其特征在于，所述远程监控终端是监控工控机IPC，配置具有LonWorks神经元程序的PCLTA/PCNSI数据采集卡。
6.根据权利要求6所述的无线通信系统，其特征在于，所述远程监控终端运行的监控系统包括OrbiLis和OrbiCtrl两个子程序,所述OrbiLis子程序用于从不同风机采集数据，通过Lonworks无线网络传输并存储到数据库中以便处理后进行监控，向每个风机发送有OrbiCtrl程序产生的远程控制命令，建立整个风场的配置，向每个风机控制器复制控制程序；所述OrbiCtrl子程序用于实时监控已经接收并处理完成的不同风机各种数据和通过远程控制命令控制风机。
7.根据权利要求I所述的无线通信系统，其特征在于，所述风机端无线数字电台与所述风场集控中心无线通信系统之间的所述无线自组织网络是基于LonWorks协议的无线通信转发式自由拓扑无线网络。
8.根据权利要求7所述的无线通信系统，其特征在于，所述无线自组织网络是点对多点的Client-Server网络，并且所述风机端无线数字电台配置为Clinet模式，所述风场集控中心无线通信系统配置为Sever模式。
9.一种风力发电机组远程实时监控的无线通信方法，其特征在于，包括步骤1，通过风机端无线数字电台的采集模块或信号转换接口适配卡采集风机的各种信息，由无线收发终端完成对所采集的信息在保持数据格式不变的前提下打包，然后经定向天线透明转发到无线自组织网络；步骤2，风场集控中心无线通信系统通过全向天线由无线收发终端实时检测网络数据， 通过无线自组织网络透明收发风机端和所述风场集控中心之间的各种数据信息，从而实现对风机的实时远程监测监控功能。
10.根据权利要求9所述的无线通信方法，其特征在于，所述通信方法还包括步骤3，对风场集控中心无线通信系统配置通信或数据服务器，所述通信或数据服务器经由路由器和防火墙构建局域网后通过网络交换机连入Internet实现互联网的在线web浏览访问功倉泛。
全文摘要
本发明提供了一种风力发电机组远程实时监控的无线通信系统和方法。该系统包括风机端无线数字电台，安装在风机上并连接定向天线，用于采集风机的各种信息并实现无线收发；所述风机端无线数字电台包括采集模块或信号转换接口适配卡、无线收发终端；风场集控中心无线通信系统，位于风场集控中心，包括全向天线、无线收发终端和远程监控终端，实现对风机的实时远程监测监控功能。本发明实现了为风力发电系统的远程监控监测需求提供了一种可靠的无线通信方法，并可联入企业网络实现web访问功能，提高了风机的发电效率和自动化信息水平，减轻了劳动强度，具有广阔良好的推广价值，取得了明显的经济效益和社会效益。
文档编号G05B19/418GK102591312SQ20121006782
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者刘玲玲, 陈万志, 陶志勇 申请人:陈万志