基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電桿塔傾斜沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

1、第33卷第5期2013年1O月東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)JournalOfNortheastDianliUniversityVol_33No50ct2013文章編號(hào)：1005—2992(2013)05—0022—06基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電桿塔傾斜沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)鄔春明，林歡，田章超(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林132012)摘要：為了保證風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電的順利進(jìn)行，減少因風(fēng)電桿塔故障造成的損失，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電桿塔傾斜沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)

2、借助物聯(lián)網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心根據(jù)風(fēng)電桿塔傾斜沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，觀測(cè)桿塔狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)，以達(dá)到預(yù)警的目的。系統(tǒng)費(fèi)用低廉，自動(dòng)化操作，減少了人力物力的投入。關(guān)鍵詞：傾斜；沉降；物聯(lián)網(wǎng)；預(yù)警算法中圖分類號(hào)：TM614文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A風(fēng)電是開發(fā)技術(shù)成熟，開發(fā)成本低，也是具有大規(guī)模開發(fā)價(jià)值的可再生能源，全世界主要經(jīng)濟(jì)體不約而同的將風(fēng)電發(fā)展列入國(guó)家能源優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略之一llJ。風(fēng)電桿塔在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中主要起支撐作用，同時(shí)吸收機(jī)

3、組震動(dòng)，是風(fēng)力發(fā)電裝置的主要受力部件之一，在各種力和力矩的作用下，有可能發(fā)生傾斜和沉降，當(dāng)桿塔嚴(yán)重傾斜甚至倒塌時(shí)，將會(huì)給風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)造成巨大損失，甚至造成災(zāi)難兒。目前對(duì)桿塔的巡檢主要采用人工巡檢方式，檢測(cè)結(jié)果精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，浪費(fèi)了大量的人力物力。該系統(tǒng)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，在監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，并與閾值進(jìn)行比較，必要時(shí)自動(dòng)報(bào)警，以便工作人員及時(shí)采取補(bǔ)救措施。1應(yīng)用分析1。1電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是電

4、力設(shè)備監(jiān)測(cè)與管理實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化的有效手段。電網(wǎng)中風(fēng)電桿塔監(jiān)測(cè)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層又分為感知控制子層和通信延伸子層。感知控制子層是對(duì)物理世界感知、識(shí)別、信息采集的各類傳感器網(wǎng)絡(luò)，通信延伸子層是將物理實(shí)體連接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的通信終端模塊或延伸網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)感知控制子層實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的信息采集，并通過(guò)通信延伸子層接入到物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層包括接人網(wǎng)和核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)感知層與應(yīng)用層間信息的傳遞、路由和控

5、制。應(yīng)用層是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能電網(wǎng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的智能化J。12系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)過(guò)程本文主要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系中的感知層進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，采用低成本、低功耗和傳輸穩(wěn)定的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建感知層。在該層面中，每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)與一個(gè)或若干個(gè)采集模塊相連接，負(fù)責(zé)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee協(xié)調(diào)器。在感知層，通過(guò)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)桿塔的傾斜收稿日期：2013—07—10基金項(xiàng)目：吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(201

6、30206050GX)作者簡(jiǎn)介：鄔春明(1966一)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院教授，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)保護(hù)，短距離無(wú)線通信東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)第33卷23CC2591芯片為提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳輸性能，在CC2530的射頻前端加裝一款高性能的低成本射頻功放CC2591，它可以延長(zhǎng)現(xiàn)有ZigBee傳輸模塊的通信距離。CC2530和CC2591之間只需要兩根信號(hào)線和幾根控制線相連就可完成它們之間的

7、通信與控制。通過(guò)不同的控制命令可以控制該芯片工作在發(fā)送模式、低增益接收模式和高增益接收模式，實(shí)現(xiàn)它們之間的無(wú)縫連接0[1。24協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器由CC2520芯片、CC2591芯片、MSP430單片機(jī)和GSM模塊組成，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的加工整理，再經(jīng)GSM公網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳到監(jiān)測(cè)中心的上位機(jī)。3風(fēng)電桿塔傾斜沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警算法該算法的主要思想是根據(jù)已經(jīng)測(cè)量的傾斜沉降數(shù)據(jù)和風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)來(lái)建立傾斜角度、沉降量和時(shí)間風(fēng)速風(fēng)向的關(guān)系，再結(jié)合未來(lái)一段時(shí)間風(fēng)速和風(fēng)向

8、的平均值繪制桿塔傾斜沉降曲線。31基本原理風(fēng)電桿塔傾斜沉降的原因主要有由于地質(zhì)條件、地基施工、地基材料等原因引起的地基沉降或不均勻沉降，塔體和風(fēng)機(jī)的重力荷載作用，還有風(fēng)力對(duì)桿塔和風(fēng)機(jī)的推力荷載作用兒”。地基沉降變化基本符合時(shí)問(wèn)的對(duì)數(shù)函數(shù)，可以用時(shí)間來(lái)近似表示。在該算法中，根據(jù)已測(cè)量的數(shù)據(jù)分別建立傾斜角度、沉降量與風(fēng)速大小、風(fēng)向和桿塔傾斜方向的夾角、時(shí)間的關(guān)系函數(shù)，然后通過(guò)建立超定方程組求解出關(guān)系函數(shù)中的待定系數(shù)。為了達(dá)到預(yù)警的目的，根據(jù)

9、未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速大小和風(fēng)向的平均值，確定傾斜角度一時(shí)問(wèn)和沉降量一時(shí)間關(guān)系函數(shù)，并繪制曲線，預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，并檢測(cè)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)傾斜角度和沉降量會(huì)不會(huì)超過(guò)事先設(shè)定的閾值，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，發(fā)出警報(bào)。算法流程圖如圖3所示。32算法模型根據(jù)大量數(shù)據(jù)描點(diǎn)觀測(cè)和理論分析可知桿塔傾斜角度和沉降曲線均逼近于時(shí)間的對(duì)數(shù)函數(shù)分布，所以該算法采用對(duì)數(shù)函數(shù)為算法模型原型。發(fā)電機(jī)組和塔架所受荷載分為固定荷載和可變荷載。固定荷載主要是發(fā)電機(jī)組和塔筒的重力荷載，

10、可變荷載主要是發(fā)電機(jī)組和塔筒所受的風(fēng)荷載，分為塔筒風(fēng)荷載、機(jī)艙風(fēng)荷載和葉片風(fēng)荷載。作用在塔筒上的風(fēng)荷載可以表示為1P1=—]BS1，(1)厶式中：盧：為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；為風(fēng)荷載體型系l將相關(guān)數(shù)據(jù)代人算法模型l●l求解待定系數(shù)l●將解得的待定系數(shù)和未來(lái)風(fēng)速風(fēng)向和桿塔傾斜方向的夾角代入預(yù)測(cè)函數(shù)模型預(yù)測(cè)未來(lái)傾斜角度和沉降量并繪制曲線觀測(cè)發(fā)展趨勢(shì)l與閾值比較l圖3算法流程圖數(shù)；為高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；p為空氣密度；為塔頂風(fēng)速；s。為塔筒