羅文,王莉娜,肖鯤

(北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

智能型風(fēng)能資源監(jiān)測分析系統(tǒng)

羅文,王莉娜,肖鯤

(北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

風(fēng)能資源的監(jiān)測與分析是風(fēng)場風(fēng)能評估和電力系統(tǒng)調(diào)度、安排電能生產(chǎn)計劃的基礎(chǔ)。詳細(xì)介紹了北京航空航天大學(xué)自主研發(fā)的智能型遠(yuǎn)程風(fēng)能資源監(jiān)測分析系統(tǒng),基于ARM和DSP的嵌入式系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析與處理,依托GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與升級,并在上位計算機配備對應(yīng)的分析計算軟件。系統(tǒng)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓力等傳感器數(shù)據(jù)。記錄儀采用太陽能供電,低溫低功耗設(shè)計,具有避雷電路與防水防風(fēng)塵外殼。在河北某風(fēng)場連續(xù)運行6個月顯示,系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定,滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

風(fēng)力資源監(jiān)測;嵌入式系統(tǒng);數(shù)據(jù)分析與計算;遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級

風(fēng)能資源監(jiān)測分析系統(tǒng)作為風(fēng)電開發(fā)的必要設(shè)備,具有十分廣闊的市場應(yīng)用前景。本文設(shè)計了一種智能型風(fēng)能資源監(jiān)測分析系統(tǒng),可為風(fēng)場的風(fēng)力發(fā)電建設(shè)以及風(fēng)力發(fā)電預(yù)測提供有利的事實依據(jù)。本系統(tǒng)在完成現(xiàn)有測風(fēng)設(shè)備對風(fēng)能資源進行采集、處理的同時,具有低功耗、在線遠(yuǎn)程監(jiān)控與升級等特點,并在上位計算機配套完整的風(fēng)能資源分析軟件。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示,智能型風(fēng)能資源監(jiān)測分析系統(tǒng)由下位嵌入式系統(tǒng)和上位計算機組成。下位機主要完成風(fēng)能資源的監(jiān)測,包括數(shù)據(jù)的采集和處理,上位計算機則依靠配套的自編軟件完成對下位機采集數(shù)據(jù)的分析與數(shù)據(jù)源風(fēng)資源相關(guān)數(shù)據(jù)的計算。下位嵌入式系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)與上位機之間建立遠(yuǎn)程連接,完成數(shù)據(jù)的傳輸和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與升級。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 System structure diagram

1.2 下位嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

下位嵌入式系統(tǒng)的硬件由各功能單元組成,包括:DSP處理單元、傳感器數(shù)據(jù)采集單元、現(xiàn)場人機交互單元和在線遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)單元。

采用TI公司的TMS320VC5509 DSP處理單元,作為主控單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制[1];傳感器數(shù)據(jù)采集單元可采集風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等物理信息;現(xiàn)場交互單元通過CPLD擴展鍵盤和LCD,實現(xiàn)人機交互;在線遠(yuǎn)程監(jiān)控單元由ARM9芯片和GPRS模塊組成,通過DSP控制裝有嵌入式操作系統(tǒng)的ARM利用GPRS模塊訪問互聯(lián)網(wǎng)[2],實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與升級。下位機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 下位機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Lower computer system structure

由圖 2可知,系統(tǒng)采用了 DSP+ARM+CPLD的設(shè)計理念:DSP作為主控單元,充分利用其RTC,GPIO,McBSP,ADC等單元模塊,完成數(shù)據(jù)的分析處理與系統(tǒng)的整體控制[3];ARM作為系統(tǒng)的功能擴展單元[4],實現(xiàn)數(shù)據(jù)的面向用戶化處理、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化以及系統(tǒng)的多媒體擴展;CPLD同為系統(tǒng)的擴展單元,利用其強大的擴展能力和邏輯運算能力實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多通路采集及系統(tǒng)的多接口擴展。本系統(tǒng)充分利用了DSP,ARM和CPLD的特點,建立良好的管理與運行機制,使其互相合作、各盡其責(zé),合理并有效地完成記錄儀的各項功能。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析處理

2.1 下位機系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理原理

智能型風(fēng)能資源監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)采集單元包括:多路風(fēng)速傳感器,多路風(fēng)向、溫度、大氣壓力和濕度傳感器,過壓保護電路,比較器,CPLD計數(shù)器和A/D轉(zhuǎn)換芯片。

多路風(fēng)速傳感器輸出的正弦電壓信號和多路風(fēng)向、溫度、大氣壓力、濕度傳感器電壓信號經(jīng)過壓保護電路后,多路風(fēng)速傳感器輸出的正弦電壓信號經(jīng)過比較器轉(zhuǎn)換成方波信號,輸入到CPLD計數(shù)器,由DSP處理單元采集[5];多路風(fēng)向、溫度、大氣壓力和濕度傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過運放調(diào)理電路輸入到A/D轉(zhuǎn)換芯片,由DSP處理單元采集。

系統(tǒng)的DSP處理單元對傳感器數(shù)據(jù)采集單元輸出的脈沖頻率和電壓進行讀取,并計算、儲存,方法如下。

1)對風(fēng)速的處理。DSP每隔3 s讀取CPLD計數(shù)器值的增量,即當(dāng)前值減去上一次的計數(shù)器值,儲存到緩沖區(qū),每隔10 min讀取200組數(shù)據(jù),從讀取的200組數(shù)據(jù)中選取出最大值、最小值,計算出平均值和方差值,風(fēng)速按下式計算并儲存,

式中:v為風(fēng)速,m/s,Δ為單位時間脈沖數(shù),Hz。

2)對風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓力的處理。DSP每隔3 s讀取A/D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)值,儲存到緩沖區(qū),每隔10 min讀取200組數(shù)據(jù),從讀取的200組數(shù)據(jù)中選取出最大值、最小值,計算出平均值和方差值,風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓力4個數(shù)值按照下述公式計算并儲存,

式中:θ為風(fēng)向角度,(°);U 為采集的電壓,V;T為溫度,℃;P為大氣壓力,kPa;H為濕度,%。

系統(tǒng)以DSP的RTC(real-time clock,實時時鐘芯片)作為時間基準(zhǔn),每3 s產(chǎn)生一次中斷讀取外部傳感器的數(shù)值,同時分別以10 min,1 h,1 d為系統(tǒng)的時間節(jié)點完成數(shù)據(jù)處理工作,實踐與理論證明,通過此采集方法得到的數(shù)據(jù)能更科學(xué)的反應(yīng)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等物理資源的分布情況。

2.2 上位機系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

上位機可以對下位機采集的風(fēng)資源數(shù)據(jù)進行分析。同時,上位機軟件中預(yù)設(shè)多種風(fēng)機的資料,根據(jù)所采集的風(fēng)速、風(fēng)向、海拔等數(shù)據(jù),利用威布爾分布函數(shù):

式中:c為標(biāo)度參數(shù),m/s;k為形狀參數(shù);v為風(fēng)速。

得到風(fēng)能平均功率密度表達(dá)式為

再根據(jù)威布爾公式:

計算出風(fēng)速大于或等于某一特定值的概率,并結(jié)合所選風(fēng)機的切入風(fēng)速和功率等參數(shù)便可快速計算出數(shù)據(jù)源的風(fēng)力發(fā)電量[6]。

3 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與升級

能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級,是本系統(tǒng)優(yōu)于現(xiàn)有測風(fēng)系統(tǒng)的主要因素之一。為實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和升級,系統(tǒng)基于GPRS網(wǎng)絡(luò),以電子郵件為載體,每天定時上網(wǎng)讀取和發(fā)送郵件,達(dá)到遠(yuǎn)程修改系統(tǒng)參數(shù)、索取系統(tǒng)自檢報告、索取指定數(shù)據(jù)文件和升級系統(tǒng)DSP主控程序等目的。系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控與升級的示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級的示意圖Fig.3 T he schematic of remote monitoring and upgrading

3.1 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的原理

系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,是通過對系統(tǒng)中裝有嵌入式操作系統(tǒng)WinCE的ARM進行網(wǎng)絡(luò)編程,基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)其對電子郵件的讀取與發(fā)送,其中涉及到了現(xiàn)在最常用的電子郵件收件協(xié)議POP3(post office protocol3)和發(fā)件協(xié)議SM TP(simple mail transfer protocol)。

命令郵件由兩部分構(gòu)成:主題命令和郵件內(nèi)容。主題命令即郵件的主題,為一個小寫英文字母,不同的字母代表著系統(tǒng)將要完成的功能;郵件內(nèi)容則包括了系統(tǒng)的新參數(shù)、需反饋的數(shù)據(jù)文件名、新的DSP程序等具體數(shù)據(jù)信息。命令郵件格式見表1。

圖4 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級的總流程圖Fig.4 The system flow chart of remote monitoring and upgrade

表1 向系統(tǒng)發(fā)送的命令郵件的具體格式Tab.1 The format for sending commands E-mail to the system

3.2 系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級的原理

系統(tǒng)中采用TI公司的 TMS320VC5509(片內(nèi)具有128 k的高速靜態(tài)RAM,片內(nèi)ROM中固化了引導(dǎo)加載程序Bootloader,簡稱“DSP5509”)作為主控單元。其Bootloader設(shè)置為外部spi串行啟動模式,外部儲存媒介為Flash。系統(tǒng)上電后,DSP5509在Bootloader引導(dǎo)下自動加載儲存在片外Flash指定地址空間中的程序到片內(nèi)的高速RAM中運行。

遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)中DSP程序,是基于DSP5509的Bootloader技術(shù)[3]。將新的DSP5509程序按照一定的格式編碼后發(fā)送到系統(tǒng)指定的郵箱中,系統(tǒng)通過GPRS訪問此郵箱并讀取出新程序,然后將新程序通過串口發(fā)送給DSP5509且保存到片外Flash的指定地址空間中,發(fā)送和保存結(jié)束后自動復(fù)位重啟DSP5509,在Bootloader的引導(dǎo)下DSP5509從外部Flash中加載新程序并運行,從而完成DSP5509程序的更新升級。

遠(yuǎn)程升級DSP程序時,DSP端程序流程如圖5所示。ARM將從郵箱中讀取的新程序代碼傳送給DSP,數(shù)據(jù)的傳送采用基于CRC8校驗的數(shù)據(jù)傳輸方式。

圖5 升級DSP程序時DSP端程序流程圖Fig.5 T he DSP program flowchart for upg rading DSP program

其中,DSP先將ARM發(fā)送來的數(shù)據(jù)保存到Flash中地址為 70000h到 7FFFFh的 sector7中。在確保DSP正確無誤的接收完所有從ARM發(fā)送來的程序代碼后,才將sector7中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到地址為00000h到0FFFFh的sector0中,sector0是DSP指定外部儲存程序的地址空間,保證了遠(yuǎn)程升級的可靠性。如果傳輸過程中重傳次數(shù)超過上限N,說明此次傳輸可靠性降低,系統(tǒng)取消本次升級,保證系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

實踐證明,這種以電子郵件為載體、系統(tǒng)定時收發(fā)郵件的遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級方法不僅能較好地滿足系統(tǒng)低功耗的要求,而且能很好地實現(xiàn)其功能。

4 系統(tǒng)測量結(jié)果及結(jié)論

本系統(tǒng)已在河北省某風(fēng)場進行了長時間的實地運行,該區(qū)域環(huán)境惡劣、年最低氣溫可達(dá)零下30℃,但風(fēng)資源較為豐富。根據(jù)每天收到的數(shù)據(jù),可判斷系統(tǒng)的運行是穩(wěn)定可靠的。

為驗證系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)的正確性,在同一觀察點同時設(shè)置國際主流的測風(fēng)設(shè)備:美國NRG公司的測風(fēng)儀和本測風(fēng)儀,以NRG測風(fēng)系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn),將兩個系統(tǒng)所測的數(shù)據(jù)進行比較,如圖6所示。

圖6 N RG測風(fēng)儀與本測風(fēng)儀所測數(shù)據(jù)對比圖Fig.6 Comparison of the data graph between NRG and ours

由圖6所示的風(fēng)速數(shù)據(jù)對比圖可清楚地觀察到本系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,符合當(dāng)?shù)仫L(fēng)場的實際情況。其中的一些微小誤差主要出現(xiàn)在風(fēng)速波動較大的波谷和波峰處,經(jīng)分析是由兩方面因素造成:1)兩測風(fēng)系統(tǒng)對風(fēng)資源的采樣時間點不一致,由于風(fēng)資源數(shù)據(jù)的較大隨機性,從而導(dǎo)致兩系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)的誤差;2)兩系統(tǒng)所接傳感器的精度誤差,致使其在風(fēng)速變化較大的時刻存在誤差。因此,在保存相同采樣時間點和連接同一傳感器的情況下可減小或消除兩系統(tǒng)之間的誤差。

本文設(shè)計了一種智能型風(fēng)能資源監(jiān)測系統(tǒng),本系統(tǒng)在完成對風(fēng)能資源進行采集、處理和分析的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了系統(tǒng)的在線遠(yuǎn)程監(jiān)控與升級,為風(fēng)場的風(fēng)力資源的評估提供了科學(xué)的依據(jù)。通過實地運行和與現(xiàn)主流測風(fēng)系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)的對比,科學(xué)地證明了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

[1] TMS320C55XAPI[S].Texas Instruments,2003.

[2] 何宗鍵.Windows CE嵌入式系統(tǒng)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[3] Texas Instruments Incorporated.T MS320VC55x系列DSP的CPU與外設(shè)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

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[5] Donald A Neamen,趙桂軟.電子電路分析與設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[6] 姚國平,余岳峰,王志征.如東沿海地區(qū)風(fēng)速數(shù)據(jù)分析及風(fēng)力發(fā)電量計算[J].電力自動化設(shè)備,2004,24(4):12-14.

修改稿日期:2010-09-20

Intelligent Wind Energy Resource Monitoring and Analysis System

LUO Wen,WANG Li-na,XIAO Kun

(School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Monitoring and analysis of wind energy resources are the base of the wind power systems assessment and scheduling,arranging electricity production plan.The intelligent remote wind resource monitoring and analysis system were described,which is independent researched and developed by BUAA,based on ARM and DSP embedded systems for data analysis and processing,relying on GPRS net for data transceiver and system of remote monitoring and upgrade,and the upper computer is equipped with the corresponding analytical calculation software.System on-line remote monitors wind speed,wind direction,temperature,humidity,atmospheric pressure and other sensor data.Logger uses solar-powered,low-temperature and low-power design,with lightning circuit and waterproof and dustproof enclosure.A wind farm in Hebei continuous operation for 6 months demonstrates that the system achieves all the design features to meet industrial application requirements.

wind resources monitoring;embedded system;data analysis and calculation;remote monitoring and upgrade

TP274;TP393

B

國家自然科學(xué)基金(50807002);北京市科技新星計劃(2008B13);航空科學(xué)基金(2008ZC51045)

羅文(1985-),男,碩士研究生,Email:luowen5721073@163.com

2010-04-20