基于物联网的风力发电监控管理系统
应用研究
Research on Application of Wind Power Monitoring and Management System Based on Internet of Things

摘要
随着我国物联网技术的发展与进步，物联网技术同各种行业的实践结合也逐步发展起来。在经济飞速发展的今天，由于能源供应紧张，在诸多的新型能源中，风能可谓最理想的新兴能源。但是，由于当前的技术手段与科学水平限制，传统的风力发电系统存在一定的局限性，使得其电力供应不稳定，容易发生意外情况。为解决上述问题，本文提出将物联网技术与风力发电相结合的应用技术，以实现对风力发电系统的便捷管理与监控，同时提高系统工作效率与系统安全性。物联网环境下，在风机上安装无线传感节点与风机内部的各部分传感器进行互联，通过节点系统软件中的智能采集模块实时采集风机的系统运行环境与运行状态数据。利用物联网平台实现系统集成与数据通讯。然后通过PC机或智能手机等终端设备实现对风力发电系统运行状态的“实时、远程、智能”监管与控制，提高风电系统运行的安全性可靠性。
关键词：物联网，风力发电，智能互联，应用
Abstract
With the development and progress of my country’s Internet of Things technology, the combination of Internet of Things technology with practices in various industries has gradually developed. In today’s rapid economic development, due to the tight energy supply, wind energy can be described as the most ideal emerging energy among many new energy sources. However, due to the limitations of current technical means and scientific level, the traditional wind power generation system has certain limitations, making its power supply unstable and prone to accidents. In order to solve the above problems, this article proposes an application technology that combines the Internet of Things technology with wind power generation to realize convenient management and monitoring of the wind power generation system, and at the same time improve the efficiency and safety of the system. In the Internet of Things environment, a wireless sensor node is installed on the wind turbine to interconnect with various internal sensors of the wind turbine, and the system operating environment and operating status data of the wind turbine are collected in real time through the intelligent acquisition module in the node system software. Use the Internet of Things platform to achieve system integration and data communication. Then, through terminal devices such as PCs or smart phones, the “real

1引言

物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络[1]。利用物联网可以实现将电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等数据信息化，并通过网络传输方式实现信息的采集及管理，将物联网与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，方便人类对物理系统的监控与管理[2]。
在经济飞速发展的今天，由于能源供应紧张，世界能源结构正在发生重大转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。与其他能源相比，风能在技术和成本上都具有较强的优势，因此在诸多的新型能源中，风能可谓最理想的新兴能源。因此，各国对于风能开发和利用项目的投资不断加大，风力发电行业也呈现出前所未有的发展速度[3]。
但是，由于当前的技术手段与科学水平限制，传统的风力发电系统存在一定的局限性，使得其电力供应不稳定，容易发生意外情况。为解决上述问题，本文提出将物联网技术与风力发电相结合的应用技术，以实现对风力发电系统的便捷管理与监控，同时提高系统工作效率与系统安全性。基于物联网的风力发电机状态监测系统主要是通过温度传感器、转速传感器以及电压、电流采集电路完成风力发电机参数的采集[4]。

2背景及应用场景

2.1背景

随着能源与环境问题的日益突出，世界各国正在把更多目光投向可再生能源，其中风能因其自身优势，作为可再生能源的重要类别，在地球上是最古老、最重要的能源之一，具有巨大蕴藏量、可再生、分布广、无污染的特性，成为全球普遍欢迎的清洁能源，风力发电成为目前最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式[5]。风，来无影、去无踪，是无污染、可再生能源。一台单机容量为1兆瓦的风电装机与同容量火电装机相比，每年可减排2000吨二氧化碳、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。随着《可再生能源法》的颁布，中国已把风能利用放在重要位置[6]。
物联网概念早期在工业监控领域中有类似应用, 1999年提出来时称为“传感
网”。在农业、商业、民用等领域应用中进行了功能扩充, 目前将扩充后的概念重新应用到工业监控中[7]。但是，由于风力发电装置常常安装在野外偏远地区且装置高大，这会导致风力发电系统监控维护困难，给风力发电系统的发展带来巨大挑战。

2.2 应用场景

本文设计的风力发电监控管理系统可以应用于需要进行监控管理的中小型陆地风力发电系统。

3系统设计

风力发电监控管理系统是基于物联网的具有监控、数据采集和管理功能于一体的物联网系统[8]。该系统主要是通过温度传感器、转速传感器、重力传感器以及电压、电流传感器完成风力发电机参数的采集。然后在每个风力发电机组中设置汇聚节点，将实时采集到的数据进行边缘计算提前过滤掉噪声数据为数据传输以及总服务器处理数据减轻压力。经汇聚节点处理后的数据，通过5G通信模块实现数据传输以及发电机组定位功能，上位机接受到边缘节点传回的数据，通过内置算法的处理与可视化，可以实现对风力发电系统的实时监控与管理。

3.1 系统总体思想

该系统主要由物联网相关技术支持，包括传感器与传感网技术、物联网通信与网络技术、位置信息与定位技术，物联网网络安全等技术。利用“先整体，后局部”的系统设计实现对系统进行设计，首先对系统架构进行设计，然后划分系统功能对系统功能进行设计，最后完成系统控制流程的设计。

3.2 系统架构设计

在每个风机上配置一套数据采集传输装置，为整个系统配备一台总服务器，两类设备配合工作可以完成系统的所有工作。
数据采集传输装置的主要功能是：数据采集，数据传输。数据采集通过安装在风机内部的各种传感器完成，各个传感器在风机内部进行无线自主网，保证相互之间可以通信[9]。数据采集模块将采集到的系统工作状态、系统工作环境等信息首先传输到汇聚节点也可以是数据传输节点。数据传输模块将采集到的信息进
行汇总，通过边缘计算过滤掉噪声数据然后5G通信模块将数据传输到总服务器[10]。值得一提的是，在数据传输引入边缘计算，不仅可以提升处理效率，减轻云端的负荷，而且可以对一些紧急情况进行迅速处理无需等待上位机响应，以免发生严重的安全事故。数据采集传输装置的系统架构如图1所示。

图1 数据采集传输装置的系统架构
总服务器，也可以称为上位机或者总控节点。它可以对收到的数据进行分析处理，可以对风机的工作状态进行调整也可以定位风机位置。同时，它可以向PC机或者智能手机等设备提供web服务，远端设备可以通过登录的方式实时监控管理风力发电系统。总服务器系统架构如图2所示。

图2 总服务器系统架构

3.3 系统功能设计

本系统主要具有系统监控与系统管理两大块。系统监控包括：数据采集与处理、数据分析、页面显示，报警提示。系统管理：权限控制、数据存储、控制系统。具体系统功能示意，如图3所示。

图3 系统功能

3.3.1 系统监控

该系统具备监控功能。数据采集传输装置在风机上运行，实时采集风叶转动速度、环境温度，电压电流等信息。这些信息通过5G通信模块发送至总服务器，总服务器再通过内置算法处理可视化数据，并且为其他终端设备提供web服务，实现随时随地地监控。数据可以通过折线图或者柱状图的形式表现，这样有助于实时监控，折线图实时显示温度的例子如图4所示。

图4 折线图实时显示温度示例
如图4所示，其横坐标表示时间单位为分钟，纵坐标表示温度单位为摄氏度，在图中蓝色的横线表示警戒温度，折线表示实际温度，显示粒度为一分钟。当实际温度达到警戒温度时，监控发出警报提示系统工作异常。

3.3.2 系统管理

该系统具备实时管理功能。通过服务器系统工作人员可以便捷地获取风机工作状态等相关信息。实际使用时，系统不仅应该具备监控功能，而且应该具备管理功能。对系统的管理主要包括：调整风叶朝向、调解风叶转速，管理风力电网配电等。例如，当风叶转动过快时，工作人员可以通过服务器向风机发送制动命令，制动命令通过5G通信模块经汇聚节点接受，然后控制制动器制动实现对风力发电系统的远程管理，保证系统正常工作。服务器向风机发送制动命令的示例如图5所示。

图5 服务器发送制动命令示例

3.4 系统控制流程

系统软件可以采用python或者Java语言编写，嵌入式软件开发可以使用汇编和C语言编写。软件编写完成后，将硬件设备部署到传统风力发电系统上即可运行。系统通过各个传感器以及处理电路采集到风力发电机组的工作参数，然后在汇聚节点内部进行计算处理后，通过5G无线网络传输方式发送到服务器数据中心，系统控制流程图如图6所示。

图6 系统控制流程图

3.5 系统应用实景

在风力发电机设施上安装所需传感器，并部署边缘计算网关实时采集机组数据。本地处理采集的数据后，通过汇聚节点传输数据到服务器。然后，在服务器中对发电参数，如风向灵敏度、启动延时参数等做优化。将模型转化为算法或者规则导入本地边缘节点，自动调整风电机组参数，提高机组发电性能。系统应用实景模拟图，如图7所示

图7系统应用实景模拟图

4总结

4.1 系统设计特点

系统整体采用分而治之的思想，首先将系统按照功能需求划分为系统监控模块和系统管理模块，然后再将两个模块分别细化。系统监控模块细化为：数据采集与处理、数据分析、页面显示，报警提示四个子模块。系统管理模块细化为：权限控制、数据存储、控制系统三个子模块。采用这种设计方式可以使系统具有更好的鲁棒性，使其有能力去支持更多的应用场景。

4.2 创新点

(1) 将边缘计算引入系统。在减轻传输节点传输数据压力的同时，又可以使系统可以快速响应突发情况。
(2) 物联网系统与风力发电系统相结合。物联网系统的引入可以使风力发电系统的监控与管理更加便利，同时风力发电系统也能促进物联网系统的发展。
(3) 设置边缘网关。在发电机组中按照某种策略设置部分为边缘网关，这样
不需要每个风机都去实现通信功能，大大借阅能耗。

5参考文献

[1]刘陈, 景兴红, 董钢. 浅谈物联网的技术特点及其广泛应用[J]. 科学咨询(科技•管理), 2011(09):86-86
[2]刘强, 崔莉, 陈海明. 物联网关键技术与应用[J]. 计算机科学, 2010, 37(006):1-4
[3]吴仲理, 严循进, 卢仕维. 风电技术的发展现状及应用[J]. 产业与科技论坛, 2015(24):60-60
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[9]王宜祥. 基于嵌入式与无线传感器网络的风机在线监测与诊断系统[D]. 北京工业大学, 2014.
[10]胡金龙, 黄旸珉, 邝岳臻,等. 一种基于边缘计算的大数据智能收集方法:, CN109831535A[P]. 2019.