风电机组机舱监测及报警戏统设计

目录TOC\o"1-3"\h\u12556摘要 -50-摘要由于在风电场中，风力发电机组数量众多、型号不一、分布分散、并月一般距离主控制室较远、所处环境恶劣。为了保证风电场安全稳定运行，并提高其管理效率，需要拥有能满足风力发电运行要求，功能完善且性能稳定的风力发电机组远程监控系统。本文介绍了基一于GPRS无线网络的风电机组远程监控系统及其优点，提出将PLCS7-200处理器应用于风力发电机组主控制器，采用MD-720GPRS无线模块作为通讯端，基于J2EE体系的B/S管理系统作为服务端，并将这三者有机的结合起来构成了一个初步完善的远程风电机组监控系统。首先，概述了风电发电机组的运行原理和构成，通过对各种常用电网通讯方式的比较和分析，确定了GPRS无线网络应用于风力发电机组远程监控系统的优势，在风电机组远程监控系统应用GPRS技术可以监测风电机组的运行状态、采集并传输各种运行参数。为系统整体方案的实施，打下了良好的基础。接下来有对同时对风力发电机组机舱端的中主控制器的控制策略做了相应的研究。提出主控制器的设计思想和总体结构，给出了结构框图，然后阐述了控制系统的各个模块的功能。然后概述了风电场远程监控系统的功能，系统应具备风电机组管理、报警信息管理、统计分析、系统管理等功能，并针对这些功能需求进行数据库设计;介绍了基于WEB结构的远程监控系统的基本理论及设计方法，及其在数据层、业务逻辑层和表示层三个体系结构上的具体实现。并在J2EE平台上进行了风电场远程监拧系统相关功能的开发和实现。最后，对本文所做的研究工作进行总体的概述，为下一步的研究内容指明了方向。关键词:GPRS，风力发电机组，远程监控AbstractInthewindfarm,windturbinesarebigmount,differentmodels,farfrommaincontrolCOOll1,workedinpoorenvironment.Toensurethesecurityai记stabilityofwindfarmsandtoincreasetheirmanagementefficiencyneedtohavewindpowertomeettheoperationalrequirements,functionalandstableperformanceofthewindturbineremotemonitoringsystem.ThisarticledescribesthewindturbineremotemonitoringsystembasedonGPRSwirelessnetworkanditsadvantages,proposedtoPLC57-200processorusedinwindturbineasmastercontroller,theuseofMD-720GPRSwirelessmoduleascommunicationterminal,B/SmanagementsystembasedontheJ2EEsystemasserver,andtheorganiccombinationofthethreeformapreliminarycomprehensiveremotewindturbinecontrolsystem.Firstly,thepaperbrieflydescribesthewindpowergeneratingunitsoperatingprincipleanditsstructure,throughananalysisofcommonlyusedelectricpowercommunicationtechnology;determinetheadvantagesofGPRSwirelessnetworkusedonthewindturbineremotemonitoringsystem.InthewindturbinesystemapplicationGPRSremotemonitoringtechnologytomonitortheoperationalstatusofwindturbines,collectandtransmitvariousoperatingparameters.Thendotheappropriateresearchofthecontrolstrategyofthehostcontrollerinthewindturbine'scarbon.Adesignideaproposedbythemaincontrollerandtheoverallstructureofblockdiagramisgiven;thendescribesthevariousmodulesofthecontrolsystemfunctions.Thenoutlinedthewindfarmfeaturesremotemonitoringsystem,Systemshouldhavethewindturbinemanagement,alarmmanagement,statisticalanalysis,systemmanagement,anddothedatabasedesignoftheserequirements;introducethebasictheoryanddesignmethodsoftheremotemonitoringsystembasedonWeb,andrealizationofthreelayers(datalayer,businesslogicandpresentationlayer).DothedevelopmentandimplementationoftheremotemonitoringsystembasedonJ2EE.Atlast,thepaperprovidesgeneralizeandreviewoftheworkdone,theinadequaciesofthepresentsystemandthewaytoimprovetheperformance.KeyWords:GPRS,windturbine,remotecontrol第一章绪论1.1课题背景能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。中国经济社会持续快速发展，离不开有力的能源保障。然而，由于世界上不可再生资源如煤炭、石油、天然气等的探明和未探明储量都是非常有限的。传统的不可再生能源包括煤炭，石油以及天然气等由于全球工业化以及汽车、飞机等新型交通_一具的发展需求的增加而不断的增大。据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目的技术水平和采掘速度计算，全球的煤炭资源还可以开采200年，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气能开采60年。仅仅在刚刚过去的一个世纪中，全世界不可再生资源的消耗就增长大约二十倍，己经超出了地球对于整个生态系统的自我调节能力，严重影响人类正常的居住环境。化石燃料的燃烧，会产生如一氧化碳、粉尘以及其他空气污染物，会引发空气污染、水污染等严重污染，同时也是造成温室效应的的原因。随着二氧化碳的迅速增加，大大增强了温室效应，加快了全球变暖的趋势。全球平均气温也在近百年内升高了。温室效应会导致全球变暖，两极冰川融化，世界海平面上升等严重危害，对人类的社会、生活和赖以生存的自然环境等造成不可逆转的伤害能源危机和环境污染这两大问题，是人类自诞生至今所面临的最大的问题，也是人类是否能够继续生存的重大问题。为了解决这两大问题，为实现可持续发展战略，人类的和谐发展，在新技术基础上，系统地开发利用的可再生能源得到了前所未有的关注。中国政府明确指出利用可再生能源开发的先进技术，是解决这两大问题的有效举措。与传统的不可再生能源相比，新的可再生能源包括风能、水能、太阳能、地热能、潮汐能及生物质能等。其中，近乎无尽、分布广泛、一十乙净且缓和风能的是当之无愧的“绿色能源”。风力发电是一种有效的方法，可使用在目前最为成熟的技术，同时也是极具发展和开发前景的可再生资源。由于其在减少环境污染，调整能源结构，对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区的供电中起到了关键作用，越来越多的世人关注其发展，并已得到广泛的利用和开发。地球上蕴藏的风力资源十分丰富，如果10%的风能得到月花发利用的话，那么全球的电力需求就可以得到满足101。自二十世纪八十年代以来，随着装备技术的不断发展，风力发电的成本不断降低，很多地方的风力发电成本己经低于传统的发电方式，装机容量不断扩大，风力发电技术得到了包括中国在内的全世界各个国家的大力支持。为了大力发展我国的风力发电技术，使其处于世界领先地位，十、一五期间，风力发电技术被列为国家重点发展项目。国家863计划中明确提出:要研究世界领先的风力发电技术。随着可再生能源的有效利用和蓬勃发展，世界各地都在积极部署陆上和海上风力发电机;风电场中部署了大量的各种类型的风力发电机组。由于风力发电场的不断扩大和跨越式的发展，会经常发生一个风电场中有着多种不同型号的发电机的情况，当一个风电场中有着几十甚至上百个风力发电机组时，对风力发电机纤工的各项运行参数、实时状态，历史数据的统计分析等的集中管控是非常重要的。而传统的监测和管理方式对于多机型风电机组风电场的监管力不从心。随着风电场规模的扩大，需要实现对风电场进行统一监控、维护和调度，实现现场设备层和企业管理层的无缝连接，使风电场的运行可以逐步向无人值班发展，从而降低风电厂的运行成本，提高风电场的经济效益风力发电设备制造成本高昂，但是如果在运行过程中不能及时发现其运行异常或不能及时处理异常将导致严重损失。目前，对多机型风电场的日常监控，无论是国内还是国外都没有特别有效的方法。风力机故障经常各种运行数据的异常来体现的，通过对风电机日常的运行数据来进行监测和诊断是现阶段风电系统运营维护所采取的重要方式。风力发电机组远程监控系统的推出将使维修从以前的定期维护保养和事故维修，逐步过渡到目前的预测性维护。可以考虑将各种传感器从不同角度安装在风力机组的各个位置，最大限度地获取状态信息，实时传送给监控中心。从监测结果看，远程监测和信号处理相结合，可以最大限度地减少的事故发生和保障风电场的稳定运行。可见，风力发电机组状态监测必须是多学科综合知识，是一个非常复杂的，长期的工作。风力机故障监测与诊断存在一定的特殊性，经常需要很多位知名专家进行异地诊断。所以，根据当前成熟的通讯技术，可以考虑使用中国移动和中国电信等运营商的GSM或CDMA网络，采用GPRS或CDMA无线通讯方式，实现稳定、可靠地传递风电机组运行参数、故障等信息，对于研究兆瓦级风力发电机组实时一运行数据的传输有着特殊的意义。1.2国内外风力机机组远程监控系统研究动态随着世界范围内风力发电技术的不断发展，世界各国都在大力建设及发展大型的风力发电场。以大型风力发电机组组成的大型风电场，可为电网提供可再生的绿色能源，也可解决边远地区的能源供应紧张形势，因此大型风电场的运行管理己提上议事日程。及时一的对各个风电场中的各台)从力发电机组进行数据采集、机组控制、测量、参数调节以及各种情况下的报警等各项功能，是开发风电机组远程监控系统的主要目标。我国各大风电场一般都会在引进各种型号一的国内外风电机组的同时，引进相配套的远程监控系统，但是一个供应商的监控系统一般不会兼容其他的厂一商以保证其在一定范围的垄断地位。如果一个风电场在不同阶段弓}进了不同厂商不同型号的风电机组，监控系统的不兼容性，将不利于风电场对所有发电机组的集中控管。为了开发出适合我国风电场的监控系统，国家部委在科研计划中加大对风力发电技术支持的同时，同时也要求开发出适合我国国情的风电场远程监控系统。在这种形势的推动下，具有自主知识产权的风电场远程监控系统的开发也势在必行。由于各个监控系统各有特点，其开发时的设计思路有着很大的不同，所以开发一套适用于我国风电场、兼容性强、易于扩展的远程监控系统有着很大的难度。二零零五年六月，由新疆风能有限责任公司设计开发的第一个具有自主知识产权的“通用风电场远程监控系统”在测试使用一年后通过了国家验收，并在全国范围内进行推广。管理者可以二十四小时不间断的远程利用该系统同时对多台风力发电机的运行情况进行实时监测，监测的内容包括:风力发电机组的转速、有功功率、无功功率和油位等各种运行参数。当风机发生故障时，系统会发出报警，并显示具体故障原因，便于管理者派出相关人员迅速排除故障，可以极大降低运行成本。近年来，随着我国风力发电事业的发展，自主开发风电机组远程监控系统技术上不断加强，价格不断的走低。基于对国内外市场前景的看好，国内监控厂商为了获取更大的市场占有率，不断提高生产规模和产品质量，进一步细化用户需求，必将使我国自主研发的风电机组远程监控系统得到进一步的发展1.3课题的研究意义风力发电技术装备国产化是我国风电企业的长远目标，增加风力发电设备制造能力和技术水平，降低风力发电成本，具备总体设计能力，不断改进和完善设备和零部件性能，提高核心竞争力，推动我国的发电事业向自主化、规模化、商业化发展。同时保证风力发电机组的运行稳定性，提高整体质量，开发具有自主知识产权的风力发电机部件，形成规模化生产，使其具备标准化，通用化，并能够适应中国国情。但现实存在的问题是，由于风电配套产业如机械加工等方面的水平相对与国外先进水平较低，造成国产的风力发电机组零部件本身的材料、精度、热处理等的可靠性较差，比国外的设备容易出现故障，此外风力发电机组本身工作的环境(温度、气候、风沙等)对其机械性能也有着很大的影响。因此通过加强对风力发电机组的集中控管可以更好的掌握各个机组运行情况，并对出现的故障和日常运行数据进行分析，可以保证风场内所有机组安全可靠的运行。本设计参考国外相关信息，通过对风力发电时各种控管、运行参数的分析，结合国产风力发电机组实际情况，研究开发了基于GPRS无线网络的风力发电机远程控制系统。保障风力发电机组的安全运行并降低其的运行故障率，提高产品的核心竞争力。1.4课题的主要研究内容在硕士学习阶段里，本人有幸参与了国家支撑计划“适应海、陆环境的双馈式变速恒频风电机组的研制”(2006BAA01A03)项目。本文正是在该项目的研究基础上，继续探讨了风力发电基本理论及其基本特性，了解对风电场对于远程控制系统的需求，对风电场远程监控系统进行了深入研究，从系统硬件架构和总体设计出发，阐述了主控端的设计流程，最后对基于GPRS无线网络的风电场远程监控系统进行了的整体设计和开发。本文主要研究内容如下:第一章首先简要的介绍该课题的研究背景，随后对风力发电机组远程监控系统的研究现状进行了综述，最后表述了该课题的研究意义;第二章是对本文随后章节的理论基础一风力发电的基本理论进行了介绍。首先研究了风力发电机组的运行原理，及风力发电机组的系统架构，以及最大风能捕获原理。第三章是本章通过对各种传统电力通讯方式的分析和比较，研究证明GPRS通讯技术对风电机远程监控系统来说具有很强的适用性。在风电机组远程监控系统应用GPRS技术可以监测风电机组的运行状态、采集并传输各种运行参数。为系统整体方案的实施，打下了良好的基础。第四章对主控端设计方案进行了描述，首先提出的设计思想和总体结构，给出了结构框图，然后阐述了控制系统的功能，包括运行状态、故障、安全保护及远程监控;确定了硬件和软件的选型，确定采用S7-200PLC控制器及STEP7MicroWIN开发，分析了它们的特点，给出设计方案。第五章首先概述了风电场远程监控系统的功能，系统应具备风电机组管理、报警信息管理、统计分析、系统管理等功能，并针对这些功能需求进行数据库设计;随后介绍了基于WEB结构的远程监控系统的基本理论及设计方法，及其在数据层、业务逻辑层和表示层三个体系结构上的具体实现。最后在J2EE平台上进行了风电场远程监控系统相关功能的开发和实现。第六章是结论和下一步的工作方向，对本论文所做的工作及研究结果进行了总结，并只出了对风电机组远程控制系统进一步完善的方向，为下面的工作打下了良好的基础。第二章风力发电机组运行原理2.1风力发电的理论基础风力发电是利用风力带动机组叶片旋转，再通过增速机将叶片旋转的速度提升促使风电机组发电。叶片用来接受风力并将机械能转换为电能;尾翼转动使叶片始终对着风的来向从而获得最大的风能;转子在磁场中旋转，切割磁场中的磁力线产生电流，定子输出电压送入电网，其原理图如图2.1所示。风电机组出口电压一般为690V，一台或几台风电机组通过一台箱式变压器升压至lOKV，由IOKV架空线路或者电缆相互连接，然后通过中心变电站升压后接入地区电网，其内部的接线图如图2.2所示。2.1.1风力发电机的气动性原理当气流经过上下翼面形状不同的叶片时，叶片凸面的弯曲使气流加速，压力较低;凹面较平缓则气流速度缓慢，压力较高，继而产生升力。失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少，因此根部叶面先进入失速，随着风速的加大，失速部分向叶尖处扩展，原来己失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减少，未失速部分仍有功率增加，从而使输入值保持在额定值附近。典型的失速型叶片输出功率曲线如图2.3所示。由于风力机的风轮有很大的转动惯量，如果风轮本身没有有效的制动能力，在较高风速下要求脱网停机是不现实的。所有的定桨距风力发电机组都采用了叶尖扰流器的设计。当风电机组正常运行时，在液压系统作用下，桨叶主体部分与叶尖扰流器结合在一起，组合成完整的桨叶。当风力机需要脱网停机时，液压系统会按照控制指令释放扰流器并使之旋转。叶尖扰流器是风力发电机组的主要制动器，当风轮旋转时，扰流器上的离心力和弹簧力会使叶尖扰流器力图脱离桨叶主体转动到制动位置，而液压力的释放，将会使扰流器展开而使风轮停止运行，它使整个风力发电机组的制动控制系统具有很高的可靠性按照当前的技术水平，理论上风速3m/s以上就可以开始发电，然而事实上，风力发电机组还存在着低风速运行时的效率问题。在整个运行风速范围内(5m/s-25m/s)由于气流的速度是不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化进行调整，必然会使风轮在低风速时的效率降低(而低风速时效率过高，会使桨叶过早进入失速状态)。当风力发电机组的桨叶安装角和转速都是固定不变时，风力发电机功率曲线上只有一点具有最大功率系数，这一点对应于一个叶尖速比(叶片叶尖圆周速度与风速之比)。风速变化时，功率系数也随之变化。而想要在变化的风速下保持最大功率系数，必须保持浆叶的转速与风速之比不变，也就是说风力发电机组转速要能够随着风速的变化而变化。对于同样直径的风轮驱动的风力发电机组，其发电机的额定转速可以有着很大的变化，而额定转速较低的发电机在低风速时具有较高的功率系数，额定转速较高的发电机在高风速时也具有较高的功率系数，这就是采用双速发电机的依据。需要说明的是额定转速并不是按在额定风速时具有最大的功率系数设定的，因为风力发电机组与一般发电机组不同，它不是经常运行在额定风速点上，并且功率与风速的3次方成正比，只要风速超过额定风速，功率就会上升，这对于风力发电机组是无法控制的。另外，改变桨叶安装角设定，也影响着额定功率的输出。根据风力发电机组的特点，应尽量考虑高风速时的失速性能和提高低风速时的功率系数。从理论计算所得的功率曲线都可以说明，当风力发电机组在额定风速以下运行时，在低风速区，不同安装角所对应的功率曲线几乎是相重合的。但在高风速区，浆叶安装角的变化，对其最大输出功率(额定功率点)的影响是明显的。实际上，调整桨叶的安装角，只是改变了桨叶对气流的失速点。当安装角越大时，气流对桨叶的失速点越高，其最大输出功率越高。2.1.2机械功率计算机械功率是通过扭矩和风轮转速数据相比计算得到的，公式为:Cp，是风机风能利用系数，是风机的风轮能够从自然风中吸收能量与风轮扫过面积内未扰动气流所具实际风能的百分比，它是风力机的一个重要的设计参数，只有当叶尖速比为某一定值时最大。在恒速运行的风力机中，由于风力机转速不变，而风速经常变化，叶尖速比不能保持在最佳值，风能利用系数往往与其最大值相差很多，风力机运行于低效情况。而变速运行的风力机，通过适当控制输出功率的方法，有可能使风力机在叶轮叶尖速度与风速之比为恒定的最佳值情况下运转，从而使风能利用系数在很大的风速变化范围内能保持最大值，根据贝兹理论，理想叶轮的最大理论功率(贝兹极限)其计算公式为:风力机的特性通常由图2.4所示的一簇功率系数Cp的无因次性能曲线来表示。随着桨距角β的逐渐增大，风能利用系数Cp曲线显著缩小。同时最大风能利用系数Cpmax始终小于0.5，也就始终小于贝兹理论极限值。若保持桨距角固定，则Cp只与叶尖速比有关，对于某个特定风机，总存在唯一的一个最佳叶尖速比λopl，使得Cp最大，而当叶尖速比λ偏离λopl时，风机的效率将下降。2.1.3风电系统结构垂直轴风轮叶片一般是等截面曲线，风轮叶片是等截面双torposkien曲线。在相同的外形尺寸下，双等截面叶片的扫风面积比单等截面叶片的扫风面积增大了15%，但是由于双等截面叶片比单等截面叶片同时多了两套横撑，使得双等截面叶片在风力作用下旋转时，增加了阻力，影响了效率和输出功率。图2.5显示的是风机垂直的结构，主要分为风轮支撑装置、制动系统、传动系统、发电机及其控制系统四大部分，数字显示部分名称从1}9如下:底部支撑架、主轴、仪器节、异步发电机、叶片、横撑、钢丝绳、电气柜和球角。风轮支双等截面叶片支撑装置:顶部轴承装置设在风轮上端，由四根张紧的另一端固定于地面的斜拉钢丝绳支撑风轮，并保证风轮主轴的垂直;下部轴承装置承受末自风轮主轴的垂直力。制动系统:盘式制动器设在高速刹车盘上，通过齿轮箱实施制动。传动系统:包括联轴器、传动轴、齿轮箱、轴承等组成传动系统，膜片联轴器作为软连接传递扭矩。发电机和控制系统:包括启动和刹车控制，测试与主控采集传输，润滑系统和监测报警。采用发电机励磁和软并网控制。其中叶片是扁锥形的，从它的横截面可看出分三层结构，内层是钢心轴，用于加固叶片，中间层是发泡材料，其作用是缓冲拉力，外层是玻璃钢蒙皮。2.2最大风能跟踪原理一般来说，风力发电机的运行区域可以分为四个区域，如图2.6所示。1.区域A:V<Vcut_in当风速V小于风力发电机切入风速Vcut_in时，此时风能无法为发电机转子提供起动转矩。风力机在风力作用下做机械转动，发电机不工作，风力机不能转换电能;区域B:Vcut_in<V<Vrated当风速介于风力机切入转速Vcut_in和额定转速Vrated,之间时，可以通过控制发电机转速跟随风速变化，风力机工作在最佳叶尖速比下，从而获得最大风能转换效率，实现最大风能捕获;3.区域C:Vruted<V<Vcut_in当风速在风力机额定转速Vrated，和切出风速Vcut_out，之间时，过高的风速可能损坏风能转换系统，这时需要调节馈入系统风能，以保证风力机的额定功率运行;4.区域D:V≥Vcut_out当风速大于切出风速时，风力机转子转速过高和转矩过大可能会损坏系统，此时需要强制停机。假设初始状态风速为v1，系统稳定运行于A点，某一时刻风速突然升高至v2,由于发电机的机械惯性作用，系统的转速将暂时维持不变，风力机的运行点就会由A跳升至B。如果风力发电机组仍然保持A点的转速ωA不变，那么必将偏离2v风速下的最佳功率点C，从降低了风力机的风能利用效率。为了提高风能利用效率，捕获当前风速下的最大风能，就必须使风速变化时机组的转速也随之变化至ωc，令风力机由B向C方向运行，发电机由A向C方向运行，最终系统稳定在C点，从而保持了最优尖速比和最大风能利用系数，如图2.7所示。可以看出，无论采用何种方式来控制机组转速，在最大风能跟踪过程中，风力发电机机必然运行在由风机制造参数所确定的风力功率曲线上。只要浆叶桨矩角与风速己知，风力机的运行曲线就可以被唯一确定。而发电机则可以根据不同的跟踪控制策略，运行在连接A,C两点不同的跟踪曲线上。第三章基于GPRS远程监控系统的整体设计通讯方式的选择在很大程度上决定了风电机组远程监控系统的稳定性和可靠性，所以选择合适的通讯方式对于一该系统来说至关重要。为了各个发电机组及时接收到上位机下发的控制指令，同时将各远端发电机组传感器所采集的数据上报至上位机，整个监控系统需要根据具体情况选择合适的通讯手段。对于远程监控系统的通讯系统来说，主要取决于风电场所处环境、规模、距离以及监控数据的大小。其总的来说应满足高可靠及抗扰性，网络易于扩展;双工通讯;操作简单、维护方便;此外，建设、运行成本要低等方面的要求。3.1常用电网通讯手段为满足风力发电机组远程监控通讯上的要求，应该对常用的各种电网通讯手段进行技术分析，进而选择建设成本低、运行稳定、维护成本低等多方面综合考虑适应于风电场特定运行环境的通讯手段。按照传统的分类方法，通信手段可以简单地分为有线方式和无线方式3.1.1有线通讯手段有线通讯包括传统的现场总线、RS-485总线、光纤通讯、电力线载波通讯等(1）现场总线通讯现场总线(Fieldbus)是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通讯系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。其特点是全数字化通信、拥有开放型的互联网络、系统结构高度分散、现场设备的智能化程度高、对现场环境的适应能力强，但是由于其建设及维护成本高、传输数据量较小，更重要的原因是其没有一个统一的标准，各个厂商各自为政，兼容性很差，所以一般适用于连接距离比较近且控制指令较少的工业现场设备，而不适用于安装于户外、监控数据量大的风力发电机组。(2)RS-485总线通讯RS-485总线主要用于智能仪表的连接，可以用于风电机组机舱内各个智能仪表及智能模块，但是由于其共模干扰问题导致该通讯手段抗扰性差，传输效率低，且对连接线路有长度限制，一般只在控制室内使用，不适用于户外分散安装的风力发电机组。(3)光纤通讯光纤通讯(Fiber-opticcommunication)也作光纤通信，是指一种利用光和光纤（opticalfiber)传递数据的一种方式。其优点是传输速率高、传输距离远、抗电磁干扰行强、可靠性高等。由于风电场内风电机组一般有几十甚至上百台，会造成光纤的接入点过多，增加通讯成本，系统可靠性降低，因此光纤通讯不适用于大规模风力发电机组监控系统。(4)电力线载波通讯电力线载波通讯(PowerLineCarrier)指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大优点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。但是电力线载波通讯的数据传输速率比较低，抗干扰性差，并且该通讯手段中所必须采用的设备体积大且价格高昂，导致建设成本极高，因此电力线载波通讯并不适合应用到风力发电机组监控系统中。3.1.2无线通讯手段无线通讯通常几乎不需要通讯线路就可以方便的进行双工通讯，没有铺设专门线路的麻烦，故障点少，这样就可以极大的降低建设以及后期的维护成本，而且通过UPS不间断电源设备或后备电池，停电的区域的无线收发设备仅仅需要很少的电能就可以进行工作，所以是一种值得选择的通讯手段无线通讯主要包括以下几种通一讯手段(1)扩频通讯扩频通讯系统主要由中频单元和射频单元构成，在900至1OOOMHz之间是扩频通讯系统的工作频率范围。其优点是抗干扰能力强，保真性高，误码率低，可实现码分多址复用，功谱密度低，发射功率小。其缺点是放射信号的接收会受到波传输的影响(绕射功能较差)，也就是说要求收发信号的两端的阻碍物要少。在风力发电机组监控系统中，风电机组所处环境复杂，地处偏远，中间可能有众多的山山条、树木等阻挡信号的传输，所以不适用于风力发电机组的通一讯。（2）数传电台数传电台(Dataradio)是指借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输的电台，具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远的特点，适合点多而分散、地理环境复杂等场合。但数传电台在远距离传输的时候需要用到专用的中继设备，还需要独立建设及维护通讯网络，后期设备的维护成本较高，且需要向所在地的无线电台管理委员会申请专用频段并备案，基于以上几点可以看出数传电台并不是十分满足于风电机组远程监控系统的通讯要求。(3)微波通讯微波通讯国家通信网的一种重要通信手段。利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离，普遍适用于各种专用通信网。微波是电磁波的一种波长比一般的电视的波长短些，由于它的穿透性较强不能被电离层反射又容易被地面吸收，故只能直线传播传播距离只有几十千米至一百多千米，所以像手机的通信就要靠基站来维持。为了风电机组的远程监控系统选择建设一个微波通一讯的专网显然是不现实的。(4)GSM通讯GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)中文为全球移动通讯系统，俗称”全球通”，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。其优点是通讯安全性能高、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、信号覆盖面大等。但是由于其只能通过SMS也就是短消息的方式传输数据，最大只能传输140个字节，发送和接收的延时比较大，限制了其在风电机组远程监控系统中的应用。(5)GPRS通讯GPRS是一种高速、高效、经济的无线通讯方式，具有网络覆盖范围广、数据带宽大、自适应性强、网络由运营商提供、按流量计价、永远在线等优点，特别适用于间断、突发或频繁的、数据量较少的通讯，也适用于不经常的大数据量传输，完全满足数据采集及监控的双工数据传输。随着GPRS技术在移动通讯领域的发展，己经实际应用到许多需要无线数据传输的各行各业，也为风力发电机组监控系统提供了一种新的数据传输通讯方式。3.2GPRS通信技术GPRS是通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)的英文简称，是ETSI在GSMphase2中引入的增强型数据业务，它是在GSM通讯系统的基础上引入新的部件构成的无线数据传输系统。它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包(Packet)式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输数据的大小来计算，井非使用其整个频道，费用低廉;传输速率快，传输速率可提升至56甚至I14Kbp同时可以保证实时在线而不增加额外费用。非常适用于需要实时在线、大数据量传输且通一讯频繁的风电机组远程监控系统的通讯。3.2.1GPRS通信技术特点GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源可以被有效的利用，数据传输的速率最高可达160Kbps。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线，且按流量计费，迅速降低了服务成本。其具有如下主要技术优势:（1）通讯成本低在GSM网络中，GPRS首先引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。在会话期间，许多应用往往有不少的空闲时段，如上Internet浏览、收发E-mail等等。对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。实际上，GPRS用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。（2)传输速率高GPRS可提供高达115kbitls的传输速率(最高值为171.2kbit/s，不包括FEC)。完全满足监控系统对于通讯上高速率的要求。(3)接入时间短它可以给移动用户提供无线分组数据接入服务。GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络(如支持TCP/IP,X.25等网络)之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线IP和无线X.25业务(4)QOS优化在GPRS网络中，通过QOS优化可以通过保证传输的带宽、降低传送的时延、降低数据的丢包率以及时延抖动等措施来提高服务质量。这样就可以对监控系统中不同数据的根据优先程度保证通讯。(5)透明传输透明传输就是在传输过程中，对外界透明，就是说GPRS网络只是传送网络而不管传输的业务如何，其负责将需要传送的业务传送到目的节点，同时保证传输的质量即可，而不对传输的数据进行其他处理，其主要实现方式是对传输过程中的数据进行封装并利用专门的隧道，可以保证监控数据在传输过程中的安全性。3.2.2GPRS在风电机组远程监控系统中可行性分析风力发电机组远程监控系统的特点:(1)机组所处地理位置及自然环境复杂，且在风电场中分布比较分散;(2)风电场中需要集中控管的风电机组数量多;(3)对通讯系统的实时性、准确性要求高;(4)监控过程中，需要传输的数据量比较大，且传输频率较高。风电机组的部署的地方通常都是地处偏远，不利于传统通讯手段的应用，但具有高可靠性、高覆盖、高速率传输的GPRS无线网络，由于其网络由运营商建设、维护，信号覆盖非常广，所以非常适用于风电机组远程控制系统对于通讯手段的要求;而由于数量众多的风电机组同时传输数据可能造成的拥堵，可以通过多基站传输或轮时传输数据来解决;由于GPRS按流量计费，可以极大的降低日后由于利用运营商网络而非自建专用网络的成本;利用GPRS组网，利用现成的运营商网络，建设速度快，通讯质量有所保障，可以满足建设周期短，节约建设资金的要求。从GPRS无线网络的以上特点可以得知:利用GPRS无线网络实现风电机组的远程监控系统的通讯，无论是从前期的规划设计，还是后期的系统实施都很方便;由于通讯费用可以按流量或者包月收费，且网络的维护和保障由运营商进行，所以在系统运营以后所需要的后期投入时非常小的。“投资少，见效快，维护成本低”是采用GPRS无线网络部署远程监控的最大优势。由此可见利用GPRS无线网络实现风电机组的远程监控系统无论从技术角度，还是从经济角度都是首选。3.2.3GPRS组网方案的选择GPRS无线应用组网方案有多种，在实际应用中可以采用公网静态IP、动态域名解析、SMS通讯,APN专线接入等多种组网方式。应根据用户需求和应用环境的不同，选择合适的方案进行组网和规划.GPRS应用主要通过以下几种方式进行组网:(1)上位机采用公网静态IP方案山于每个GPRS模块上的IP地址是在模块通电后通过DHCP服务获取的是不同的地址，上位机不能预知每次获取的IP地址，所以上位机与监控端之间的连接不能主动建立。一般是上位机端向运营商申请、并配置一个固定IP后连接到互联网上，GPRS模块应预先写入该固定IP，在GPRS模块通电并获取新IP后，连接该固定IP,在建立连接的过程中,上位机就可以获得GPRS模块的新IP地址，并将该IP地址存入监控系统的数据库中，建立监控点与上位机之间的通一讯。该方案的特点是稳定性高，但是申请并使用专用的公网IP地址需要额外的费用，成本略高。(2)上位机采用公网动态IP+DNS解析服务此组网方式由于其成本较低，也较为常见。该方式中，可以先通过DNS(域名解析)服务商申请一个域名，上位机联网后也通过DHCP服务器获取动态IP地址，并且在每次获得IP地址后与申请的域名进行绑定，并告知DNS提供商此次获得的IP地址。而监控端把申请的域名写入GPRS模块中，监控端GPRS模块通电并获取新IP地址后上网后，向DNS服务商提出查询申清，DNS服务商将域名翻泽成IP地址并将该地址回复给监控端后，监控端就通过该IP地址与上位机之间建立连接。DNS服务商提供的服务是否稳定，直接关系到此方案的稳定性，但是由于土位机不用单独申请并使用专用的公网IP地址，可以降低一定的运营成本。（3）SMS通讯方案由于上位机和监控端的每次通过DHCP服务器获取的IP地址都不同的，监控端把获取的端口号和IP地址通过短消息发送给上位机，上位机通过消息中的信息对监控端的GPRS模块进行连接。虽然此通讯方案可以系统运营成本，但是由于每次监控端和上位机通电后所获取的IP地址都不同，发送短信在时间上要有所延迟，会在很大程度上降低系统的实时性能。(4)上位机采用APN专线方案所有监控端及上位机都采用内网固定IP。此种方案用户向移动运营商申请一条2MAPN专线将上位机接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接。用于GPRS专网的SIM卡仅开通特定的APN通道，不能使用其它APN通道，可以保障通讯过程中数据的安全性。同时专线的两端都安装防火墙，过滤非法的请求和IP地址、关闭没有必要的端口。可以看出在上位机采用APN专线方案，风电机组远程监控系统无论从实时性的要求，还是安全、可靠性的上的要求都可以得到满足，但是由于申请并使用专线的成本很高，该方案适用于大型或对安全方面要求很高的风电场使用。风电机组远程监控通讯方案的设计可以任意选择以上几种组网方案，可以根据风电场的实际运营情况来确定到底采用哪种方案。考虑到风力发电机组监控系统性能要求和现在的实验性的要求，本文采用公网动态IP+DNS解析服务方案。建议在系统成型后的实际运行环境中采用APN专线方案以保障系统的高稳定及安全性。3.3监控系统总体设计方案基于GPRS风力发电机组远程监控系统，是以风电场中各个发电机组为监控对象，利用运营商GPRS网络的无线远程监控系统。主要是采用GPRS通讯技术对风力发电机组端各传感器所采集的数据进行远程传输，根据采集的数据进行故障诊断、报警、实时状态监测，远程控制等功能。主要目标为该系统在风电场的应用可以改变当前风电机组运行数据采集不及时、故障处理周期长、效率低等缺点。可使风力发电机组的管理更加完善，降低管理人员工作量，提高风电场整体运行维护管理水平，对于提高单个风电机组产能，降低停机率起到积极的作用。3.3.1性能要求(1)系统的实时性要求硬实时是指应用的时间需求能够得到完全满足，否则就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命财产损失和生态破坏，如在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中的应用。软实时是指某些应用虽然提出时间需求，但实时任务偶尔违反这种需求对系统运行及环境不会造成严重影响，如监控系统等和信息采集系统等。本系统达到软实时性要求即可，即尽可能及时的获取风电机组的运行数据，并进行分析处理。(2)系统的可靠性要求风电机组远程监控系统作为一个通用的实时系统，在设计时应该充分考虑所采用的硬件是否能够长时间可靠运行，软件是否有着良好的兼容性，是否能够兼容各种型号的风电机组，是否有着良好的健壮性。(3)系统的实用性要求应该从最终用户的角度出发，充分了解用户的需求，各项功能都应一该达到用户所需求的技术指标。充分考虑建设及日后维护成本，充分适应用户的使用习惯等。(4)系统的扩展性要求随着技术的不断进步，用户对于系统的要求可一能也会随之改变，可能会对该监控系统提出更高的要求，增加更多的功能，这就要求在设计该系统时，充分考虑日后的扩展要求，各个功能模块之间应该相对独立，接口设计要简洁，便于日后的升级扩展。3.3.2完成功能(1)远程控制功能:可以实现对风电机组开关、制动、偏航等控制，可方便地实现远程遥控、保护操作。(2)远程检测功能:可对发电机组运行时风速、风向、各部件温度、电流、电压、有功无功功率、功率因数等全部运行参数进行实时检测、显示、存储及数据传输。(3)远程调试功能:上位机通过GPRS模块将调试信息传送至主控制器进行调试。(4)统计分析功能:对长期的风力发电机组运行参数进行分析，统计，如统计发电量、运行时间、停机时间、故障率等。3.3.3整体设计基于GPRS网络的风力发电机组远程监控系统采用模块化设计方法。模块是具有相对独立功能的单元，模块化产品就是可以通过各种不同的组合将这些独立的单元组合在一起。采用模块化设计一方面可以减少系统开发周期，增加系统的灵活性;另一方面，可以减少或消除对环境的不利影响，方便日后重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理。(1)各传感器与主控模块的功能通过各种传感器采集风力发电机组运行时的各项参数，并传送至主控模块对各个运行数据的分析计算，同时主控模块应能够及时的处理远端发来的控制指令。(2)GPRS模块的功能主要负责监控端和上位机之间的通讯，主控模块可以将获取的各项参数通过GPRS模块及时的发送至上位机，接收上位机的控制指令，同时将、控制指令的执行结果发送至上位机。(3)人机交互模块功能维护人员通过人机交互模块可以在风电机组上直接设置机组参数或进行控制。(4)上位机监控功能上位机的远程监控功能分为机组管理、故障报警和统计分析等。1)机组管理机组管理应该包括一下几个部分，一方面是对整个风电场内的风电机组进行日常检测，包括运行状态、运行环境，系统各部件的状态等数据，另一个方面应该可以对风电机组进行调试，更改运行参数，最后应该可以对风电场内的任意风电机进行停机、制动、并网、下网等操作。2)故障报警故障报警是指在风电机组发生故障，或参数异常时，系统可以自动进行故故障定位、告警通知、故障处理和恢复测试等功能。3)统计分析统计分析功能是指对风电机组监测的历史进行汇总后，通过相应的算法计算出风电机组的功率曲线、故障率、运行时间、发电量等数据。3.4本章小结本章通过对各种电网常用通讯手段的分析比较，证明了GPRS无线网络对于风力发电机组监控系统来说无论是在安全性、可靠性、还是实时性上都满足了系统的运行要求，同时其高覆盖、低收费极大的降低了系统搭建的成本。应用GPRS技术于风力发电机组监控系统可以高速率、稳定的传输风力发电机组的实时运行数据和控制指令。简要的介绍了整个风电机组远程监控系统所要到达的性能要求和系统结构。为系统方案的设计与实施，打下了良好的基础。第四章风电机组控制方案设计风力发电机组正常运转的核心是主控制系统，主控制系统的控制技术是风电机组的关键技术之一，与风电机组的其他部分有着密切联系。机组运行时的安全和效率直接受控制精确与否、功能完善程度的影响。风力发电机组的控制系统主要实现风力发电机组的整体协调运行，实现机组的监视和控制，进行风机的并网，脱网以及最大功率跟踪控制，保证风力发电机组各部分的协调安全运行和提高风力发电效率和发电质量。4.1风力发电机组主控制器风力发电机组对控制系统的可靠性和安全性有着很高的要求的主要原因是由于其多运行于自然条件差、无人值守的恶劣环境下。所以，机组主控制器不仅要实现风力发电机组运行的状态、流程、偏航、变桨、制动、温度、液压、噪声消除等控制;还包括要对机组内各零部件故障及时发现及维护、重新设定参数、存储及传输数据等;同时还可以通过自身的通讯接口与机舱内其他模块进行通一讯，通过外接的通讯模块实现数据的远程传输和远程控制。4.2风力发电机组主控制器硬件架构4.2.1风力发电机组主控制器结构设计及硬件选择机组主控制器的总体结构设计如图4.1所示:核心处理器是主控制器最重要的部位，核心处理器的外部接口主要包括数字量的输入输出接口、模拟量的输入输出接口以及通讯接口等。一般选择PLC,单片机或DLP等作为风电机组的主控制器。风力发电机组的安全性和可靠性等主要性能指标是依靠机组主控制器来实现的。它主要实现风力发电机组的正常运行控制、运行状态监测和监控预测、安全保护三大方面的功能。总部位于柏林和慕尼黑的西门子公司是世界上最大的电子和电气工程公司之一，主要业务集中在工业、能源和医疗领域。公司拥有大约40.5万名员工，主要从事产品的开发及生产、复杂系统和项目的设计及安装，并为客户个性化的需求提供广泛的解决方案。西门子成立160多年来，以其卓越的技术成就、不懈的创新追求、出众的品质、令人信赖的可靠性和广泛的国际性在业界独树一帜。西门子公司是世界上最大的环保技术供应商，其绿色产品和解决方案创造了大约230亿欧元的营收，约占西门子总营收的三分之一。在2009财年(截至2009年9月30日)，西门子公司总营收达到767亿欧元，净收入达到25亿欧元。西门子公司的PLC57-200满足了风电控制对复杂算法的设计要求，各项技术指相、都满足了风力发电行业的特殊要求，同时其生产的MD720-3GPRS无线模块能与其无缝配合，满足了系统总体设计的需要。4.2.2主控制器的硬件PLC及通讯模块的构成主控制器的硬件配置如下，均为西门子公司的S7-200系列:CPU采用224XP，本机集成14输入//10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共J个模拟量I/O点，可连接7个扩一展模块，最大扩展值至168路数字量I/}点或J8路模拟量I/0点。20K字节程序和拳据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz）,2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程U,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED,数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。数字量输入采用的是本机，12位数字输入。数字量输出采用的是本机，10数字输出。模拟量输入采用6ES7231-OHC22-OXAOEM231扩展模块4路输入24V直流供电。模拟量输出采用6ES7232-OHB22-OXAOEM232扩展模块4路输出24V直流供电。功率测量模块采用的是6ES7231-OHC22-OXAOEM231*2,24V直流供电。GPRS通讯模块采用的是西门子MD720-3,MD720-3使用频段为QuadbandGSM;850/900/1800/1900MHz);传输能力:上载速率为13.4一27kbit/s，下载速率为40一54kbit/s;通过GPRS，自动建立并且保持与互联网的在线连接;基于IP，与运行在PC上的SINAUTMICROSC应用程序(路由服务器和OPCserver)进行数据交换:工作过程中，在GPRS和CSD(调制解调器工作方式)间进行切换;使用AT命令可以控制CSD和GPRS连接;通过GSM服务，发布SMS和传真消息(通过SMS);模块采用机卡分离设计方式，支持活动的SIM卡插槽，方便手机卡的更换和系统的后续维护。PLC的硬件结构图如图4.2所示，4.3风电机组控制结构设计风电机组控制结构上主要包括机组主控制器、各类型传感器、驱动装置、信号及通讯接口、人机界面等。具体实现过程是，通过传感器采集到机组内各个部件的运行情况及环境参数;传感器采集到的各项参数通过信号接口传送到机组主控制器的数字量或模拟量输入模块;机组主控制器通过采集到的各项参数监控机组的运行状态，同时保持与其他各个功能模块的通讯，根据对各采集的参数进行运算及分析后，根据情况，通过输出模块给驱动装置发出相应的控制指令;主控制器同机组内其他模块以及远程监控系统之间的通讯由通讯接口完成。风电机组制系统的总体结构设计如图4.3所示。4.4主控制器控制功能风力发电机组远程监控系统可以保障风电机组的正常、稳定、高效的运行，其主要包括机舱主控制系统和远程监控系统两大组成部分。而机舱主控制器应该具有以下功能:4.4.1对机组进行运行控制以及运行状态进行监测正常的运行控制应该包括以下功能:1.可以在远程或本地对风电机组进行启动和制动;2.当机组发生故障时，可以根据故障自动制动，保障机组安全;3.根据风的方向和是否需要解缆进行偏航;4.可以运行根据情况在大电机和小电机之间进行切换;5.可以在发电机机轴转速同电力网络频率之间建立柔性连接，即软并网;6.自动分组投入补偿电容;此外，还应能实现:1.自动释放叶尖阻尼板和制动闸块并监视闸块的磨损情况;2对液压油泵和其内部的温度进行控制;3对齿轮油泵和其内部的温度进行控制;风力发电机组在经过人工启动后，随着风轮转速的增大，逐步过渡到正常运转状态。在该状态下，机组主控制器会继续通过机舱内部的各个传感器实时监控整个机组的运行状态，并把各个传感器所采集的各项运行参数通过GPRS无线通讯模块实时发送到上位机，当机组发生故障或异常时，机组主控制器会根据异常的情况和种类进行不同的操作:当故障严重时会自动进行制动操作并向上位机报警;一般异常时会一边继续监视机组运行情况，一边向上位机告警，告知管理人员进行维护或其他操作。通过上位机的实时监控界面，可以看到各个风电机组的实时状态，包括风速、转速、发电量、各个部件的温度、以及有功功率、无功功率等各利‘运行参数。当个别机组发生故障时，能够管理人员能够及时料及故障部位，故障原因等相关信息，以及提示管理人员相关的处理办法等。还可以对各个风电机组进行运行参数的调整等操作。4.4.2故障监测和处理把风电机组在运行中产生的故障分为两大类型，一种是可以通过主控制器自动调节进行恢复的故障和只有依靠管理维护人员才能处理的故障，当前一种故障发生时，主控制器根据设置应该可以对风电机组进行自动制动及重新启动，并通过告警的方式通知上位机;后一种故障发生时，主控制器应该对风电机组进行自动制动，并在上位机中报警，告知维护人员故障部位及停机原因，在维护人员检修后，机组能通过人工启动的方式重新运行。可以通过主控制器自动调节进行恢复的故障包括:电网电压、电流、频率故障，风速过大、发电功率过大、齿轮油温过高、大/小电机温度过高、大/小电机轴承温度过高、主控柜过热、外部环境温度过高，这些故障可以自动消除，故障消除后再自动启动风力发电机组运行只有依靠管理维护人员才能处理的故障发生时，必须使风力发电机组停止工作，故障排除后，司一以重新启动风力发电机组;否则，有可能对风电机组造成不可挽回的伤害。不可自复故障包括:液压电机过载、振动、扭缆、叶轮过速、叶轮传感器动作、远程数据线停机、手动停机、制动超时、风向标故障、风速仪故障、偏航传感器、齿轮油位低、齿轮油温高、齿轮轴承热、液压油位低、偏航油压低、液压电机过热、大电机轴承热、小电机轴承热、维修开关动作、紧急停机按钮动作、发电机超速、某一故障次数过多、液压泵启动超时、并网时瞬时功率过小、手动偏航、旁路反馈、发电机过热、主开关断开、主轴承超温、液压系统压力低、刹车磨损、热继电器过载和叶尖故障。4.4.3保护措施和远程监控当通过主控制器自动调节进行恢复的故障发生后，主控制器可以控制机组进行自动的复位。可以以下连个措施保障风电机组的正常运行:1.对风电机组的重要部位进行双重保护，即每个位置上安装两个或以上的传感器，当其中的一个传感器发生故障时，不会造成整个系统的失效。2.风电机组远程监控系统可以对各个风电机组的运行参数进行数据存储，对机组的历史数据进行统计及分析，根据分析确定机组可能面临的故障，提前处理。1)需要实时监测的数据可对发电机组运行时风速、风向、各部件温度、电流、电压、有功无功功率、功率因数等全部运行参数进行实时检测;2)实现的控制开机、停机、重启及偏航控制;3)统计及决策分析功能根据存储的历史数据进行统计，对风速、风向分布及功率曲线、效率曲线等的绘制，进行发电量、故障信息、环境等方面的统计等等。4.5主控制器的软件架构STEP7MicroWIN是来自西门子公司的主控制器的重要编程软件，为工业控制产品的设计和开发、设备的调试与检测以及最终的产品发布提供了强有力的结合，同时，在工控领域也得到了极高的认可。STEP7MicroWIN是运用非常成熟的软件开发环境。主控制器的软件架构与对应硬件如图4.4所示:STEP7MicroWIN的软件开发界面如图4.5所示:在通常情况下(如windows系统)STEP7MicroWIN就可运行，该软件上手容易、模拟真实环境、扩展方便、而且用途极其广泛。它为生产商、OEM商和终端客户在优化系统应用、部署和维护方面做出了巨大的贡献。4.6主控制器上软件功能的实现4.6.1主控制器软件总体设计主控制器的软件总体设计如图4.6所示。主控制器包括三大模块，分别是控制模块、监测模块以及故障报警模块。风力发电机组的主控制器中的数据，是由风力发电机组的监测模块采集监测信号传输而来的。控制模块主要包括温度控制、液压控制、流程控制、偏航控制等;故障报警模块包括振动和温度报警两大模块，当监测模块采集到振动或温度情况超过预先设定的网值时，故障报警模块可以向上位机发出报警，提示管理人员进行适当的操作，当控制摸块分析出系统具有重大安全隐患时，并且在通过自动调节后没有得到好转，可以通过故障报警模块及时报警并对自动对风电机组进行紧急制动操作，以防止出现重大的损失。操作人员可以通过监测界面观察到风力发电机组的实时运行状态手动停机、调整运行参数以及复位等操此外，通过监测界面，操作员可以读取储存的历史运行数据，对其进行统计和分析。

4.6.2风力发电机组流程控制方法风力发电机组应针对风速的大小进行启动、最大风能捕获、恒转速、恒功率四个阶段的控制。图4.7所示为机组的流程控制图(1)发电机的转速升高逐渐从静止上升至切入速度。当转速在切入速度以下时，机组在风力作用下作机械转动，发电机不工作;(2)当Vcut_in＜V＜Vrated时，风力发电机组在此阶段的运行以转化最大的风能为基本目标，此阶段为最大风能捕获阶段;(3)当Vrated＜V＜Vcut_in时，保持风轮的转速不变，风能利用系数减小，而机组的功率仍在增大，此阶段为恒转速阶段;(4)当V≥Vcut_out，发电机的转速必须降低，为保障风电机组安全，迅速降低风能利用系数，保持机组的输出功率布点，该阶段为恒功率阶段。实现风力发电机组在以上各个阶段的运行状态中平稳的过渡是流程控制的主要目标。除了图4.7中所示的各个运行阶段的过渡，还应该有针对突发状况而设置的中断程序，以保证在转换的过程中，一旦发生故障，机组可以利用中断程序自动复位或制动。于此同时，机组主控制器还可以通过相关部位的操作对风电机组进行并入电网或脱离电网等操作。4.6.3风力发电机组故障报警风力发电机组故障报警模块的主要流程是:传感器采集的数据经过预处理后，进行分析，如果分析发现故障等问题及时报警。故障报警模块主要包括振动故障报警和温度故障报警。振动故障预警模块工作流程如图4.8所示:首先对各个需要进行振动检测部位的传感器的信号进行收集，将收集到的信号进行包括降噪、滤波等在内的预处理，然后与预先系统设定的振动数据的网值进行对比，没有超过闻值则表明该部位振动正常，反之将产生振动异常报警;通常将振动产生的异常分为微小异常和致命异常。微小异常只需通知上位机告知其振动异常的位置和类型就可以:而致命异常则需要进行振动报警，报警内容包括异常位置及具体内容，严重超过网值时应能事先对风电机组自动制动停机。温度信号故障报警模块的工作流程如图4.9所示:首先对各个需要进行温度检测部位的传感器的信号进行收集，将收集到的信号进行包括放大、滤波等在内的预处理，然后与预先系统设定的温度网值进行对比，没有超过最大值或小于最小值则表明该部位温度正常，反之将产生温度异常报警;温度异常通常分为:微小异常和致命异常。微小异常时，首先对收集的数据进行仔细分析确定其异常部位，同时检查该部位的振动或其他类型的传感器所采集的数据，判断是否存在振动异常等其他异常情况。若只存在温度异常，则将分析到的异常位置告知温控系统，温控系统对该位置进行加热或散热等控制措施;否者，则需要将温度和其他异常情况一起及时显示给操作人员，供其查看分析。而致命异常则需要进行温度报警，报警内容包括异常位置及具体内容，严重时应能对风电机组自动制动停机。4.6.4风电机组的变桨控制为了使风力发电机组在很大的风速范围内获得较高的风能利用系数Cp,，可以对风力发电机组进行变浆控制。变桨控制的主要工艺操作过程包括在运行过程中，其机构一般采用液压或电伺服控制来进行变浆距，变桨控制框图如图4.10所示:为了使风轮在风速比较低时获得最大的启动力矩，便于其顺利的启动，变浆控制浆叶并将浆叶角至调节至合适的角度。在风电机组启动时，变浆机构同时将桨叶的位置由顺桨90°调节至0°，当风机叶轮速度逐渐上升至适应于并入电网以后，主控制器会发出让变频器输出一定规律的正序励磁电流的指令，调节发电机定子的输出电压，使其与接入电网的电压幅值和相位相同，在并入电网成功后，将成功信号发送给主控制器。为防止因气温、风力等气候因素对风力发电机组输出功率的影响，可以直接或间接地通过反馈信号发生器的输出功率控制风力发电机组对浆距角进行调节并入电网成功后，当实际风速小于额定风速时，桨距角保持0°不变，并由主控制器对风力发电机组的转速进行控制。当实际风速大于等于额定风速时，为限制风力机接受的风能过大及发电机转速的增大，为保证输出功率稳定，可以通过变浆机构调节浆距角以保证发电机的转速不至于过大。当风力发电机组需要脱离电网时，在机组与电网断开之前，为减小对电网的冲击，可以调节浆距角并使之减小输出功率至0°当有紧急情况需要停机，需要发电机组迅速停下来时，可以通过变桨机构调节浆距角至顺桨位置，起到气动刹车的作用。4.6.5风力发电机组的偏航控制风力发电机组的偏航控制主要完成以下功能:1、为了保障风能的最大捕获，让风轮随着风向的变化而变化;2、为防比机舱内部的电缆由于自动偏航的原因发‘E,严重的缠绕，复位偏航，风轮的方向回到起始位置。风力发电机组偏航控制的工作流程如图4.11所示:风向仪安装在风轮的前端或者机舱的一侧，当风向仪所测得的风向角度与风轮主轴有一定的偏差时，为防止风向变换频繁时，偏航系统的过渡使用所导致机械构件的提前老化，只要有在主控制器中的计时器重新计时直到累计到预先设定的时间长度后，系统会认为风向已经改变，偏航系统开始工作，将风轮的方向转至有利于风能最大捕获的位置。主控制器通过安装在机舱内的角度编码器实现对偏航角度大小的检测，让风电机组根据解码器测得的角度进行偏航转动，一直转动到消除方向偏差。同时，过度的缠绕也会触发机舱内的电缆上的行程开关，行程开关触发后会对偏航系统发出偏航指令，令风电机组偏航至初始位置，进行解缆。偏航控制对偏航操作的响应速度和控制精度要求都不高，为保证控制系统的稳定性及机组的安全性，应该设置足够大的阻尼，防止在偏航对风的过程中，风力发电机组较大的转动惯量对整个风电机组造成不可逆转的伤害。由于风力发电机组工作所需要的自然风的风向的不确定性，偏航系统可能会使机舱的转动一直朝着一个方向，这样的话，会造成机舱内各种线缆的缠绕，当缠绕非常严重时，可能会因线缆的折断而导致整个风力发电机组的异常，严重时可能导致整个机组的损坏，所以一般设计系统检测到机舱在某一个方向上的偏航累计达到三圈时，主控制器会自动发出偏航指令，使其向相反的方向转动三圈，令机组进行解缆。同时也可以设定当风速小于某一特定值时，偏航累计达到两圈也可以自动偏航解缆。风力发电机组在无论处于运行还是待机状态时都应该可以进行通过偏航控制来实现风能的最大捕获。当紧急停车时，需要通过偏航调节使机舱转动最小的角度与风向成90°夹角。4.6.6风电机组的制动控制为保障风力发电组的安全运行，机组要有着很灵敏的制动能力。机组主控制器应该可以通过操作人员的控制指令或根据故障报警模块中的紧急情况，及时一的对整个机组进行不同类型的停机制动。一般情况下，风电机组的制动控制方式分为以下几种类型:(1)紧急制动，桨叶浆距角调节至90°，发电机及变频器脱离电网。其同时又分为机械制动和非机械制动的两种形式，当风力发电机组的故障比较严重时，机械制动的部分构件可能失效，导致其不能实现机械制动，为了防止更严重的故障发生，主控制器应该发出指令，不对风轮进行制动，让其自由的转动;（2)一般制动，一般是指需要对风电机组进行停机例行检修或升级等操作时，需要对风电机组正常停机，桨叶浆距角调节至90°，两种一般制动的不同之处在于制动时对于浆距角的速度要求不同;（3)暂时制动，桨叶浆距角调节至45°，同时将发电机及变频器暂时脱离电网:4.7本章小结本章首先对风电机组监控端的主控制器硬件和软件结构进行了设计，进行了设备选型以及开发软件的确定，对风电机组的流程控制、温度和振动故障报警、变桨控制、偏航控制、以及制动控制等各个功能模块都给出了相应的设计方案和流程框图，并进行了相应的软件开发。第五章基于J2EE架构及OPC技术的风电机组远程监测系统的实现5.1J2EE架构简介1991年，Sun公司为控制电视、烤面包机等家用电器的交互操作开发了一个与平台无关的语言Oak,也就是Java的前身。Java是一种简单的，面向对象的，分布式的，解释型的，健壮安全的，结构中立的，可移植的，性能优异且多线程的静态语言。Java语言从Sun公司最早1.1版本起，逐渐的被大量用于企业级管理系统的开发，Sun公司同时推出了Java的企业级版本J2EE。目前J2EE的最高版本为1.6，它是成长最快的技术应用框架，全球绝大多数的新应用是山.12EE布式应用体系支撑的。目前应用最广泛且比较成熟的J2EE版本为1.5，其提供了以下的特性(1)有了JSP使开发变的更加容易了，即使是一个初学Java的人都可以用JSP来进行设计，从此程序设计也可以轻松的进行了，因为它有一个功能巨大的标签库。在通常情况下应用程序开发人员也是使用标签库来进行对JSP的扩一展，从而使开发更简明方便;(2)WebService有了JAX-RPC1.0，J2EE的有力支持，EJB和WebService便可以更好、更加紧密的集成在一起;(3)在Servlets中增加请求的监听接口，同时加强了过滤器的功能;(4)在1.5版本中，由于对于连接器的加强，增强了Java语台‘同其他类型语言的可互操作。J2EE统一开发平台的产生，不仅对现有应用程序集成提供的强有力技术后盾，而且也使开发多层应用的预算和复杂程度大大的降低了，极大的满足了那些需要高可用性，高安全性以及有可随时扩展应用要求的客户。J2EE体系结构提供中间层集成框