基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风电场远程实时监测的技术领域，尤其是指一种基于无线传感器网络 的风电场远程实时监测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着全球能源危机和环境污染等问题的日益严重，世界各国对新能源的需求快速 增长。风能作为一种蕴藏量丰富、分布广泛、无污染、可再生的新能源，具有巨大的发展潜 力。全球的风能约为1300亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风电场 利用风能并结合发电机产生电能，是目前风能发电的主要形式，受到了越来越多的重视。风 电场大部分位于地广人稀的偏僻地带，而且气候环境非常恶劣，难以进行现场记录，因此对 风电场的远程监控显得日益重要。
[0003]目前，风力发电机都安装有测量装置测量风机的运行数据发送至监控中心，而风 电场都分布有气象站测量所在处的风场气象数据并汇聚至监控中心。但是，数据的传输 都是采用有线的通信网络，占地面积大，安装、布线、调试都很复杂，投资费用和维护成本很 高，且容易损坏。此外，风电场一般都只有少数几个气象站，测量数据少，难以对风场准确模 拟以及对风速和风电功率准确预测。另外，监控人员只能在监控中心对风电场进行监控，而 缺少移动监测设备能随时随地监测风电场运行情况。
[0004] 采用无线传感器网络构成风电场的监测系统可以很好地解决以上问题。无线传感 器网络利用分布在监测区域的无线传感器节点测量监测目标的状态数据，采用ZigBee、蓝 牙、WiFi、GSM、GPRS等无线通信技术组件通信网络，测量数据通过无线网络传输至基站并最 终汇聚至监控中心。目前广泛应用的ZigBee技术通信成本低、功耗低、网络容量大、传输安 全可靠，但是数据传输速率低、通信距离短，适合局部区域内的组网，而难以承担数据流量 大、距离长的通信任务。GPRS(GeneralPacketRadioService)是一种传输速率高、覆盖范 围广、通信距离长、数据传输安全可靠的无线网络，适合长距离的通信。但是需要按流量计 费，不宜大面积使用。如何有效利用无线通信技术组建无线通信网络，实现对监测目标的远 程实时监测是首先面临的技术问题。当风电场布置了大规模的无线传感器节点，如何对整 个系统进行精确地时钟同步以及采用何种网络拓扑结构保证系统的可靠、有效通信也是需 要解决的关键问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于无线传感器网络的风电场 远程实时监测系统及方法。该系统采用分簇网络拓扑结构并融合ZigBee和GPRS技术组建 无线通信网络，实现对风电场风力发电机组状态数据和风场气象数据的远程实时监测，同 时对风场进行三维数值模拟，对风速和风电功率进行预测；具有体积小、安装维护简单、扩 展容易、通信灵活、监测方便的特点。
[0006] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案其基于无线传感器网络的风电场远程 实时监测系统，包括无线传感器节点、基站、监控中心和移动监测设备；所述无线传感器节 点安装在风力发电机上负责获取风电场的运行数据，包括风力发电机的状态数据以及风场 的气象数据，每个传感器节点有唯一的ID号地址；所述基站负责无线传感器节点和监控中 心之间的双向信息交互；所述监控中心采集无线传感器网络的测量数据，对数据进行分析、 处理、存储、显示；所述移动监测设备通过无线网络随时随地获取风电场的各种运行状态信 息。
[0007] 所述系统组建的无线传感器网络采用分簇拓扑结构，将分布在整个风电场的无线 传感器节点根据节点地理位置划分为N个簇，每个簇选择一个节点作为簇首节点，其余节 点为簇成员节点，簇首节点的选择要求使尽量多的簇成员节点在簇首节点的无线通信范围 内。
[0008] 所述监控中心向移动监测设备定时发送风电场的运行状态信息或者在收到移动 监测设备的请求指令后立即发送。
[0009] 所述系统采用时分多址的通信策略，每个簇的所有簇成员节点在自己的通信时隙 内将测量数据发送至簇首节点，若簇成员节点在簇首节点的通信范围内，则直接发送；否 贝1J，采用节点多跳的方式传送至簇首节点；每个簇首节点负责汇聚簇成员节点的测量数据， 并在自己的通信时隙将汇聚数据发送至基站；
[0010] 所述系统采用NTP时钟同步协议，定时进行一次时钟同步，首先监控中心通过局 域网向基站发送时钟同步请求数据包，通过计算基站与监控中心的时钟偏移量并修正基站 的本地时钟，实现基站与监控中心的时钟同步；同理，依次实现基站与簇首节点的时钟同 步，簇首节点与簇成员节点的时钟同步，从而实现整个系统的时钟同步；
[0011] 所述簇成员节点与簇首节点的通信采用ZigBee短距离无线通信技术，簇首节点 和基站的通信以及基站与移动监测设备的通信都采用GPRS远程无线通信技术。
[0012] 所述无线传感器节点包括传感器模块、AD转换模块、处理器模块、存储器模块、无 线通信模块和电源模块；
[0013] 所述传感器模块包括：风速传感器，用于测量传感器所在位置的风场风速；风向 传感器，用于测量传感器所在位置的风场风向；气压传感器，用于测量传感器所在位置的空 气压力；温湿度传感器，用于测量空气的温度和湿度；振动传感器，用于测量风力发电机的 振动参数；温度传感器，用于测量风机机舱内的温度；电流互感器，用于测量风力发电机的 定子电流；电压互感器，用于测量风力发电机的端电压；
[0014] 所述AD转换模块采用多通道AD转换芯片；所述处理器模块采用ARM控制器，内 嵌uC/OSII实时多任务操作系统；所述存储器模块采用SD存储卡，用于存储测量数据；所 述无线通信模块采用ZigBee模块或者GPRS模块，用于数据的接收和发送，簇首节点同时采 用ZigBee模块和GPRS模块，簇成员节点只采用ZigBee模块；所述电源模块能够分别提供 ±15V、5V和 3. 3V电源。
[0015] 所述基站包括两个节点，一个接收节点负责汇聚测量数据信息至监控中心，一个 接收节点负责将监控中心信息发送至无线传感器节点和移动监测设备；
[0016] 每个基站节点的硬件组成包括处理器模块、存储器模块、无线通信模块、电源模 块；所述处理器模块采用ARM控制器，内嵌uC/OSII实时多任务操作系统；所述存储器模块 采用SD存储卡，用于存储测量数据；所述无线通信模块采用GPRS模块；所述电源模块能够 分别提供± 15V、5V和3. 3V电源。
[0017] 所述移动监测设备为移动手机或者手持式移动监测仪；所述手持式移动监测仪硬 件组成包括处理器模块、存储器模块、无线通信模块、电源模块、显示模块；所述处理器模块 采用ARM控制器，内嵌uC/OSII实时多任务操作系统；所述存储器模块采用SD存储卡，用 于存储测量数据；所述无线通信模块采用GPRS模块；所述电源模块能够分别提供±15V、5V 和3. 3V电源；所述显示模块采用液晶显示屏，实时显示风电场运行状态信息。
[0018] 所述监控中心采用搭建Windows7操作系统的计算机，基于VS2008和SQL2005开 发环境编写的上位机软件运行在该计算机上；上位机具有以下功能：
[0019] 1)采集、存储风电场的运行数据，包括各风力发电机状态数据以及风场的气象数 据，能够进行实时数据和历史数据的显示、查询；
[0020] 2)风力发电机组状态监测：根据风力发电机的振动、温度、定子电流、端电压这些 历史数据和实时测量数据对风机进行监测，通过对振动信号和定子电流信号进行谱分析判 断风机是否故障；
[0021] 3)三维风场模拟：利用风场的风速、风向、空气压力、空气温湿度这些气象