吳錦生，王劍平

（昆明理工大學信息工程與自動化學院，昆明650500）

風電場信息實時采集系統(tǒng)設計?

吳錦生，王劍平

（昆明理工大學信息工程與自動化學院，昆明650500）

針對目前風電場信息采集時間間隔大，影響風力發(fā)電組風功率實測精度，以及來風方向、風速等不確定因素影響發(fā)電功率的問題，提出了一種基于STM8L和ZIGBEE的風電場信息實時采集系統(tǒng)設計方案。系統(tǒng)采用基于STM8L的姿態(tài)電路和氣壓和溫濕度傳感器分別實時測量風向、風速、氣壓強度、溫度、濕度等環(huán)境信息，采用GPRS無線通信模塊遠程監(jiān)測各風力發(fā)電組狀態(tài)，從而達到實時便捷監(jiān)測風電場狀態(tài)和提高風力發(fā)電功率測量精度的目的。

風向；風速；氣壓；功率；姿態(tài)電路；溫度；濕度

1　引　言

目前，風電場每十分鐘記錄一次平均風速、風向和實測功率值等參數(shù)值，而溫度濕度僅靠數(shù)值天氣預報預測，這會因為數(shù)據(jù)采集量少和未考慮空氣密度增大、風力發(fā)電組實地溫濕度、壓強、上下風向?qū)︼L力發(fā)電組輸出功率的影響而使風電場實測發(fā)電功率不準確。

針對以上問題，提出了基于STM8L和GPRS的風電場信息實時采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由GPRS電路、溫度傳感器電路、濕度傳感器電路、姿態(tài)測量電路、氣壓傳感器電路，MAX4066低損耗開關(guān)電路組成，整體設計框圖如圖1所示。

2　硬件設計

2．1超低功耗電路設計

系統(tǒng)采用鋰電池供電，對于電池供電系統(tǒng)來說，功耗是非常重要的指標［1－3］。因此，利用STM8L超低功耗CPU電路和MAX4066低損耗開關(guān)電路對傳感器電路和GPRS通信電路進行電源供電控制可以減少系統(tǒng)空閑時外圍電路不必要的損耗。

圖1　系統(tǒng)整體設計框圖

超低功耗具體實施步驟：系統(tǒng)采集溫濕度、氣壓、風向、風速信息前通過低損耗開關(guān)關(guān)閉GPRS通信模塊，等到傳感器數(shù)據(jù)采集結(jié)束再打開GPRS模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，同時關(guān)閉傳感器采集電路，等到GPRS數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時關(guān)閉GPRS模塊并且系統(tǒng)進入超低功耗睡眠模式，等待系統(tǒng)定時喚醒重新進入數(shù)據(jù)采集和無線通信階段。通過調(diào)整定時喚醒時間可以有效控制風電場信息采集速率，經(jīng)由GPRS模塊可以遠程設置各風力發(fā)電組的數(shù)據(jù)采集速率。

2．2姿態(tài)電路設計

姿態(tài)電路主要包括L3G4200D、ADXL345和HMC5883L電路。該電路采用IIC總線與STM8L微控制器進行通信，主要負責采集風向、風速信息，由于姿態(tài)電路可以測量三維姿態(tài)角，因此相對于傳統(tǒng)的0～360度風向信息，姿態(tài)電路還可以實時監(jiān)測風向的變化情況。通過測量三維姿態(tài)角可以有效解決上風向風電機組尾流對下風向風電組影響使得下風向風電機組捕獲風能減少及相應電機組出力降低的問題。姿態(tài)傳感器電路如圖2所示。

2．3溫度和濕度傳感器電路設計

系統(tǒng)選用DS18b20作為溫度傳感器檢測風力發(fā)電機環(huán)境溫度。考慮到風電機組外部環(huán)境條件復雜，因此采用防水DS18b20探頭來測量溫度，DS18b20作為一種單總線數(shù)據(jù)溫度傳感器，其測量溫度范圍大、精度高而且由于不需要時鐘線，故其占用的STM8L I／O端口少，其外圍電路配置簡單，僅需4．7K歐的上拉電阻。

系統(tǒng)采用HS1101作為濕度傳感器，其測量范圍為0～100%RH，誤差在－2%～＋2%RH之間，而且其年漂移量較小。利用HS1101電容量隨空氣濕度變化呈現(xiàn)同性變化的特性，將HS1101振蕩電路產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)過整流、直流放大輸出脈沖信號，并將脈沖信號經(jīng)過二極管整流電路、RC積分電路和線性調(diào)理電路后輸出在0～3．3V區(qū)間隨濕度變化的電壓信號。STM8L通過A／D轉(zhuǎn)換模塊將HS1101輸出的直流電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并換算為對應的環(huán)境濕度數(shù)據(jù)。

圖2　姿態(tài)電路

2．4GPRS通信電路設計

GPRS作為一種采用分組交換技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有實時在線、高速傳輸?shù)葍?yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)控制領域，其應用于風電場監(jiān)控監(jiān)測非常合適［4］。系統(tǒng)采用工業(yè)級TC35i模塊，其GPRS模塊具備永久在線功能并能夠提供最快的數(shù)傳速率，其供電范圍為DC3．3～4．8V。通過串口通信可以讀寫TC35i模塊，接口電路簡單［5］。

2．5電源轉(zhuǎn)化模塊設計

由于系統(tǒng)需要3．3V、4．2V和5V三種電源供電，故設計了CE8301和LTC3440芯片構(gòu)成升降壓電路，CE8301電路將電池電壓升至5V，而LTC3440電路將電池電壓降至3．3V，進而滿足系統(tǒng)供電需求。

2．6氣壓傳感器電路設計

系統(tǒng)采用BMP085氣壓傳感器測量大氣壓強。BMP085是一款高精度、超低功耗的數(shù)字傳感器，可以通過IIC接口與STM8L連接通信，傳感器內(nèi)部EEPROM存儲11個校準系數(shù)，用于對氣壓傳感器進行溫度補償，從而降低外部環(huán)境造成的誤差，提高傳感器測量精度［6］。

3　姿態(tài)電路三維姿態(tài)測量

3．1陀螺儀求解三維姿態(tài)角

利用陀螺儀獲取三軸角速度Wx、Wy、Wz，并且利用三軸角速度解算出姿態(tài)四元數(shù)，姿態(tài)四元數(shù)與三軸陀螺儀角速度滿足公式（1）的微分關(guān)系。

其中（q0，q1，q2，q3）T四元數(shù)初始化為（1，0，0，0），Q為（ˉq0，ˉq1，ˉq2，ˉq3）T表示矩陣求解更新后的姿態(tài)四元數(shù)。

通過更新得到的四元數(shù)矩陣經(jīng)由式（2）可以得到陀螺儀求算的三維姿態(tài)角，其中，p為俯仰角，k為翻滾角，r為偏航角。

3．2重力加速度獲取三維姿態(tài)角

設定系統(tǒng)初始化狀態(tài)選取z軸豎直向上，從而p范圍為－90至90度，k范圍為－180至180度，r范圍為0至360度，從而得到翻滾角k和俯仰角p的計算公式為式（3）。其中，Ax、Ay、Az分別是測得的X軸、Y軸和Z軸的重力加速度

因此，可以通過三維重力加速度求算出此時的三維姿態(tài)角。

3．3三維姿態(tài)角修正

在沒有外力只有重力作用的情況下，重力加速度求算的三維姿態(tài)角為實際三維姿態(tài)角，此時重力加速度的三軸測量值的平方和應為1。然而，由于測量值存在誤差，故需要利用加速度求算得到的姿態(tài)角修正陀螺儀得到的姿態(tài)角，從而得到精確的三維姿態(tài)角，通過數(shù)學建模和數(shù)據(jù)可以得到如式（4）的修正模型。

其中Aacce為重力加速度求算得到的姿態(tài)角，Agry為陀螺儀求算得到的姿態(tài)角，R為系統(tǒng)修正輸出的姿態(tài)角，k為修正因子。修正因子的取值如式（5），其中φ表示三軸重力加速度測量值的平方和。

系統(tǒng)先經(jīng)過卡爾曼濾波降低加速度計的噪聲干擾，并利用加速度計得到的三軸旋轉(zhuǎn)角修正陀螺儀得到的姿態(tài)角，從而解決了陀螺儀漂移。其輸出的俯仰角和翻滾角可以用于表示風力發(fā)電機組受風的上下左右偏向，而水平風向則需要通過偏航角利用電子羅盤校準得到，通過傾斜補償方法，減小航向角檢測的誤差。姿態(tài)角中的偏航角由式（6）對磁強計進行傾斜補償獲得。其中，Mx、My、Mz分別為磁強計測得的三軸磁場強度。此時就可以獲得準確的水平風向角β。

通過測量陀螺儀瞬時角速度可以得到瞬時風速信息，如式（7）。其中V為姿態(tài)電路測得的實時風速數(shù)據(jù)。

4　氣壓與海拔高度換算

若假設空氣處于理想大氣壓狀態(tài)，由于BMP085傳感器測量的海拔范圍為－500m至9000m，則由式（8）可獲得氣壓所對應的海拔高度［7－8］。

其中，H為換算得到的海拔高度，Ph為傳感器測得的大氣壓強度。

5　測試結(jié)果與分析

利用重力加速度校準陀螺儀并采取參數(shù)修正的方法可以得到準確的三維姿態(tài)角輸出，無校準與校準情況下輸出的俯仰角數(shù)據(jù)對比如圖3所示。

圖3　姿態(tài)校準前后數(shù)據(jù)對比

系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，由于外力影響，系統(tǒng)三軸重力加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)會不穩(wěn)進而導致計算得到的姿態(tài)角誤差較大，通過重力加速度校準陀螺儀并通過修正可以獲得比較精確的姿態(tài)角輸出。風向角度主要采用姿態(tài)角中的偏航角表示，由于偏航角還受地磁場影響，因此需要利用校準后的偏航角校準磁強計三軸磁強從而獲得實際準確的偏航角，即為實際風向角。校準前后的偏航角如圖4所示。

圖4　校準前后偏航角對比

可以看出，校準后偏航角的波動相對于姿態(tài)解算得到的偏航角要小很多，而且收斂性好。通過式（9）可以計算出風力發(fā)電組獲得的風功率，其中P為輸出功率，kW；C為風力發(fā)電機組功率系數(shù)；ρ為空氣密度，kg／m3；A為風輪掃風面積，m2；V為風速，m／s。

由于風速、氣壓、環(huán)境溫濕度等因素是風力發(fā)電功率的主要影響因素，因此通過測量這些因素可以獲得精確的功率信息。

6　結(jié)束語

基于STM8L和GPRS的風電場信息實時采集系統(tǒng)設計利用姿態(tài)電路測量風向和風速，利用溫度、濕度、氣壓傳感器測量風電機組環(huán)境溫濕度、氣壓強度，利用STM8L微控制器和MAX4066低損耗開關(guān)實現(xiàn)系統(tǒng)超低功耗，利用GPRS模塊支持在線實時監(jiān)測，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度高，實時性好。

［1］陳靜，金林．便攜式煤礦電網(wǎng)參數(shù)實時檢測儀器的研究［J］．煤礦機械，2005（4）：99－101．Chen Jing，Jin Lin．Study on the Portable Digging Electrical Net Detect Instrument［J］．Coal Mine Machinery，2005（4）：99－101．

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［5］葉衛(wèi)，胡俊達．基于TC35iGSM模塊的短消息收發(fā)系統(tǒng)設計［J］．電子質(zhì)量，2008（6）：27－29．Ye Wei，Hu JunDa．The Design of Short Message Communication System Based on GSM TC35i Module［J］．Electronics Quality，2008（6）：27－29．

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［8］吳浩然．大氣壓強和高度的關(guān)系［J］．張家口師專學報（自然科學版），1994（1）：22－25．Wu HaoRan．Relation of Pressure and Height in the Atmosphere Layer［J］．Journal of Zhangjiakou Teachers College（Natural Science），1994（1）：22－25．

Design of Wind Farm Real－time Information Acquisition System

Wu Jinsheng，Wang Jianping
（College of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

For the problems，the long time interval of wind power information collection which affects the measurement accuracy of the wind power of the wind power generation group，and the factors such as wind direction，wind speed，etc．，the design approach of the wind farm real－time information acquisition system，based on STM8L and GPRS，are put forward．Based on STM8L，the system real－time measures environmental information such as wind direction，wind speed，strength of pressure，temperature and humidity uses attitude circuit，air pressure，temperature and humidity sensor．The status of the wind power generation group is remotely monitored by GPRS wireless communication module so as to monitor the wind farm status in real－time and improve the measure accuracy for the wind power．

Wind direction；Wind speed；Air pressure；Power；Posture circuit；Temperature；Humidity

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．016

TP274．2

A

1002－2279（2016）05－0064－04

?國家自然科學基金（61364008）；云南省應用基礎研究重點項目（2014FA029）；云南省教育廳重點基金項目（2013Z127）；昆明理工大學復雜工業(yè)控制學科方向團隊建設計劃

吳錦生（1993－），男，廣東省汕頭市人，在讀碩士，主研方向：嵌入式系統(tǒng)與運動控制。

王劍平（1975－），男，湖南省衡陽市人，副教授，主研方向：實時運動控制及嵌入式計算機技術(shù)。

2016－03－07