基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電桿塔傾斜沉降監(jiān)測預(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JournalOfNortheastDianliUniversityVol_33No50ct2013文章編號：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)電場風(fēng)力發(fā)電的順利進行，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)測預(yù)警算法進行數(shù)據(jù)處理，觀測桿塔狀態(tài)的發(fā)展趨勢，以達到預(yù)警的目的。系統(tǒng)費用低廉，自動化操作，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：TM614文獻標(biāo)識碼：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)價值的可再生能源，全世界主要經(jīng)濟體不約而同的將風(fēng)電發(fā)展列入國家能源優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略之一llJ。風(fēng)電桿塔在風(fēng)力發(fā)電機組中主要起支撐作用，同時吸收機

3、組震動，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，將會給風(fēng)力發(fā)電場造成巨大損失，甚至造成災(zāi)難兒。目前對桿塔的巡檢主要采用人工巡檢方式，檢測結(jié)果精度低，勞動強度大，浪費了大量的人力物力。該系統(tǒng)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，在監(jiān)測中心進行數(shù)據(jù)處理，預(yù)測發(fā)展趨勢，并與閾值進行比較，必要時自動報警，以便工作人員及時采取補救措施。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)測與管理實現(xiàn)智能化、自動化的有效手段。電網(wǎng)中風(fēng)電桿塔監(jiān)測應(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。感知控制子層是對物理世界感知、識別、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)測系統(tǒng)通過感知控制子層實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的信息采集，并通過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，實現(xiàn)電網(wǎng)運行的智能化J。12系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及監(jiān)測過程本文主要對物聯(lián)網(wǎng)體系中的感知層進行了研究和設(shè)計，采用低成本、低功耗和傳輸穩(wěn)定的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建感知層。在該層面中，每個ZigBee節(jié)點與一個或若干個采集模塊相連接，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，通過傳感器來監(jiān)測桿塔的傾斜收稿日期：2013—07—10基金項目：吉林省科技發(fā)展計劃資助項目(201

6、30206050GX)作者簡介：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，短距離無線通信東北電力大學(xué)學(xué)報第33卷23CC2591芯片為提高監(jiān)測系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點的無線傳輸性能，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，實現(xiàn)它們之間的無縫連接0[1。24協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器由CC2520芯片、CC2591芯片、MSP430單片機和GSM模塊組成，對數(shù)據(jù)進行簡單的加工整理，再經(jīng)GSM公網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳到監(jiān)測中心的上位機。3風(fēng)電桿塔傾斜沉降監(jiān)測預(yù)警算法該算法的主要思想是根據(jù)已經(jīng)測量的傾斜沉降數(shù)據(jù)和風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)來建立傾斜角度、沉降量和時間風(fēng)速風(fēng)向的關(guān)系，再結(jié)合未來一段時間風(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)機的重力荷載作用，還有風(fēng)力對桿塔和風(fēng)機的推力荷載作用兒”。地基沉降變化基本符合時問的對數(shù)函數(shù)，可以用時間來近似表示。在該算法中，根據(jù)已測量的數(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、時間的關(guān)系函數(shù)，然后通過建立超定方程組求解出關(guān)系函數(shù)中的待定系數(shù)。為了達到預(yù)警的目的，根據(jù)

9、未來一段時間內(nèi)風(fēng)速大小和風(fēng)向的平均值，確定傾斜角度一時問和沉降量一時間關(guān)系函數(shù)，并繪制曲線，預(yù)測未來的發(fā)展趨勢，并檢測在規(guī)定的時間內(nèi)傾斜角度和沉降量會不會超過事先設(shè)定的閾值，當(dāng)超過閾值時，發(fā)出警報。算法流程圖如圖3所示。32算法模型根據(jù)大量數(shù)據(jù)描點觀測和理論分析可知桿塔傾斜角度和沉降曲線均逼近于時間的對數(shù)函數(shù)分布，所以該算法采用對數(shù)函數(shù)為算法模型原型。發(fā)電機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)電機組和塔筒的重力荷載，

10、可變荷載主要是發(fā)電機組和塔筒所受的風(fēng)荷載，分為塔筒風(fēng)荷載、機艙風(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)和未來風(fēng)速風(fēng)向和桿塔傾斜方向的夾角代入預(yù)測函數(shù)模型預(yù)測未來傾斜角度和沉降量并繪制曲線觀測發(fā)展趨勢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