一種風力發電機組超聲波風速風向測量裝置的製作方法
2023-12-05 16:12:46 1
專利名稱：一種風力發電機組超聲波風速風向測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於風力發電技術領域，更為具體地講，涉及一種用於風力發電機組超聲 波風速風向測量裝置。
背景技術：
風速風向測量在工業生產和科學實驗中有著廣泛的應用。常見的風杯式、風標式 風速風向儀因自身機械結構固有的缺陷，測量低風速時靈敏度不高，並會隨使用時間增加 出現一定程度的老化，在惡劣的工作環境中測量精度和使用壽命均受到較大影響。由於風 力發電機組大多工作在環境較為惡劣的地區並且機組的控制對風速、風向數據的精確度有 較高要求的原因，超聲波風速風向儀因無機械磨損、測量精度高、靈敏度高、穩定性好等優 點，與風杯式、風標式風速風向儀對比具有明顯優勢，已逐步成為風力發電行業的最佳選 擇。目前的風力發電機組超聲波風速風向測量裝置中超聲波風速風向儀與風力發電 機組的通信和超聲波風速風向儀自身的供電都是通過線纜來實現的，這種做法對線纜的維 護以及更換提出了較高的要求，並且隨著國內風力發電大量的投運，這樣的維護相當的繁 瑣，對人力資源以及成本產生了極大的浪費，尤其當超聲波風速風向儀架設點與風力發電 機組機艙控制器間距較大時鋪設、維護線路更為不便。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種安裝簡單、維護簡便，無需鋪設 供電通信線路的風力發電機組超聲波風速風向測量裝置。為實現上述目的，本發明風力發電機組超聲波風速風向測量裝置，包括超聲波風 速風向儀和風力發電機組機艙控制器；超聲波風速風向儀又包括超聲波收發模塊、中央控制單元，超聲波收發模塊在中 央控制單元的控制下，對風速風向進行採集；其特徵在於超聲波風速風向儀還包括一 ZigBee無線通信模塊和太陽能蓄電供電模塊，風力 發電機組機艙控制器具有ZigBee無線通信功能；在超聲波風速風向儀中，採集的風速風向數據通過ZigBee無線通信模塊發送給 風力發電機組機艙控制器，以實現對風力發電機組的控制；太陽能蓄電供電模塊由太陽能 電池板陣列、匯流盒、太陽能控制器以及蓄電池組成，太陽能電池板陣列產生的電能通過匯 流盒進行匯合，在太陽控制器的控制下，將匯合電能作為整個超聲波風速風向儀的供電，同 時，在日照充足時，將多於的匯合電能存儲到蓄電池中，在夜間或陰雨天，無太陽光或日照 不充足時，由蓄電池為整個超聲波風速風向儀提供電源。本發明的發明目的是這樣實現的本發明針對現有技術風力發電機組超聲波風速風向測量裝置安裝維護不便的缺點，對超聲波風速風向儀的通信方式和供電方式進行創新，採用無線通信和太陽能供電蓄 電模塊分別實現通信和自主供電。本發明具有安裝簡單、無需鋪設通信供電線路、維護簡 便、耗能低等特點，尤其適用於環境惡劣、不易施工維護的野外情況。本發明超聲波風速風向儀與風力發電機組機艙控制器的通信採用ZigBee無線通 信的方式，完成風速風向儀將採集的風速風向數據通傳送給風力發電機組機艙控制器的。 現今無線通信技術應用範圍十分廣泛，覆蓋軍事、環境檢測、醫療護理、智能家居、機械監 控、城市交通、空間探索、大型車間管理，以及機場、大型工業園區的安全檢測等領域。本發 明中的無線通信模塊，參考ZigBee技術協議標準設計實現。ZigBee技術是一種短距離無線 通信技術，協議標準採用的是OSI的分層結構，其物理(PHY)層和媒體訪問控制(MAC)層協 議符合IEEE802. 15. 4協議標準，網絡層和應用層由ZigBee技術聯盟制定，應用層的開發應 用根據需要進行設計。本發明在風力發電機組超聲波風速風向測量裝置上的創新，目的是為了剪裁通信 和供電線纜，方便設備安裝和日後維護，應用太陽能供電蓄電模塊，取代了常見的有線供電 方式，實現了超聲波風速風向儀中各功能模塊的自主供電。本發明採用太陽能供電的另一 個原因，是超聲波風速風向儀整體功耗不大，太陽能蓄電供電模塊適用於此類低功耗小型 儀器，並且太陽能供電方式性能穩定、使用壽命較長。太陽能供電蓄電模塊配合無線通信模 塊使超聲波風速風向儀擺脫工作環境、布線的限制，擴大適用範圍的同時，也使得整個風力 發電機組超聲波風速風向測量裝置更易於維護與管理。
圖1是本發明風力發電機組超聲波風速風向測量裝置一種具體實施方式
原理框 圖；圖2是圖1所示超聲波風速風向儀工作示意及設備結構圖；圖3是圖2所示的無線通信模塊的結構圖；圖4是圖1所示太陽能蓄電供電模塊的結構圖；圖5是圖1所示超聲波風速風向儀與風力發電機組機艙控制器數據傳送模式及設 備設置模式選擇及具體通信流程圖；圖6是圖5所示應答幀中解析幀的格式圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行描述，以便本領域的技術人員更好地 理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許 會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這裡將被忽略。實施例圖1是本發明風力發電機組超聲波風速風向測量裝置一種具體實施方式
原理框 圖。如圖1所示，在本實施例中，風力發電機組超聲波風速風向測量裝置包括超聲波 風速風向儀1和風力發電機組機艙控制器2兩個部分。超聲波風速風向儀1包括超聲波收發模塊101、中央控制單元102、太陽能蓄電供電模塊103以及ZigBee無線通信模塊104。風力發電機組機艙控制器2也具有一 ZigBee 無線通信模塊，使其具有ZigBee無線通信功能，能與超聲波風速風向儀1進行無線通信。超聲波收發模塊101在中央控制單元102的控制下，對風速風向進行採集，採集的 風速風向數據通過ZigBee無線通信模塊104發送給風力發電機組機艙控制器2，以實現對 風力發電機組的控制。太陽能蓄電供電模塊103由太陽能電池板陣列、匯流盒、太陽能控制器以及蓄電 池組成，太陽能電池板陣列產生的電能通過匯流盒進行匯合，在太陽控制器的控制下，將匯 合電能作為整個超聲波風速風向儀1的供電，同時，在日照充足時，將多於的匯合電能存儲 到蓄電池中，在夜間或陰雨天，無太陽光或日照不充足時，由蓄電池為整個超聲波風速風向 儀1提供電源。在本實施例中，所述的採集的風速風向數據通過ZigBee無線通信模塊104發送給 風力發電機組機艙控制器2有兩種模式a、循環模式超聲波風速風向儀1通過其無線通信模塊104向風力發電機組機艙控制器2發送 Beacon幀進行同步，風力發電機組機艙控制器2在偵聽到Beacon幀後發出數據請求幀，超 聲波風速風向儀1接收到數據請求幀後，回復確認幀，將採集的實時風速風向數據存儲後 發送；風力發電機組機艙控制器2在接收到確認幀後轉入接收狀態接收採集的實時風 速風向數據，並在採集的實時風速風向數據接收完成後發出確認幀，風速風向儀接收到確 認幀後將該實時風速風向數據從發送隊列中清除，完成一次實時風速風向數據的發送。在循環模式下，因超時而未接收到請求幀或確認幀的，則視為幀丟失，將重複進行 上一步發送Beacon幀或數據幀的過程，最多重複3次，第4次幀丟失後取消該條數據幀的 發送，通信失敗。循環模式下，超聲波風速風向儀1主動發送採集的實時風速風向數據給風力發電 機組機艙控制器2，每次發送時間間隔可設置。風力發電機組需要採集的實時風速風向數據實現機組的運行控制。對於這樣的數 據，機組需要在一個毫秒級的周期以內獲得多次風速數據來完成控制，考慮到機組的這一 特性，超聲波風速風向儀1對採集的實時風速風向數據的發送採用循環模式。b、查詢/返回模式超聲波風速風向儀1通過其無線通信模塊104向風力發電機組機艙控制器2發送 Beacon幀進行同步，風力發電機組機艙控制器2在偵聽Beacon幀同步後，向超聲波風速風 向儀1發送命令幀，超聲波風速風向儀收到命令幀後，發送確認幀，並根據命令幀的內容將 歷史風速風向數據發送。此過程中若Beacon幀、命令幀或數據幀丟失，風力發電機組機艙 控制器2將最多重複3次發送Beacon幀、數據幀或命令幀，第4次幀丟失後視本次通信失 敗。風力發電機組需要統計數據對故障追憶以及統計機組的長時間運行效率。對於這 樣的數據，機組不需要在很短的周期內獲取，而只是當出現需要時得到該數據，因此，超聲 波風速風向儀1對歷史風速風向數據的發送採用查詢/返回模式。此外，考慮到在實際工作和通信過程中，需要對超聲波風速風向儀1進行設置，如設備號設置、參考風向設置等，因此對超聲波風速風向儀1進行設置時通信使用設備設置 模式風力發電機組機艙控制器2在偵聽Beacon幀同步後，向超聲波風速風向儀1發送命 令幀，超聲波風速風向儀1發送確認幀後，根據命令幀的內容對超聲波風速風向儀1進行設置。圖2是圖1所示超聲波風速風向儀工作示意及設備結構圖。超聲波風速風向儀1架設於風力發電機組機艙3的尾部，與立於機艙3頂部從風 艙控制器2延伸出的射頻天線201間進行無線通信。此外，還給出了超聲波風速風向儀1 的結構，其中，無線通信模塊104和太陽能蓄電供電模塊103是本發明區別於其他超聲波風 速風向儀的主體部分。圖3是圖2所示的無線通信模塊的結構圖。圖3主要示出了無線通信模塊104在物理層上的設計思路。硬體方面，無線通信 模塊104主要由射頻晶片1041、驅動電路1042及射頻收發天線1043構成。軟體方面，本發 明主要完成率晶片驅動程序的編寫。在實際工作過程中，MCU通過讀寫函數將數據寫入射 頻晶片1041的發送RAM等待發送或從接收RAM中讀取數據，並通過驅動函數的調用控制射 頻晶片的工作狀態。無線通信模塊104的硬體結構以及數據的接收和發送屬於現有技術， 在此不再贅述圖4是圖1所示太陽能蓄電供電模塊的結構圖。圖4示出了太陽能供電蓄電模塊的結構，功能在於為超聲波風速風向儀1各模塊 提供工作電源。作為超聲波風速風向儀的一個重要組成部分，該模塊電模塊由太陽能電池 板陣列1031、匯流盒1032、太陽能控制器1033以及蓄電池1034組成，超聲波風速風向儀1 中央控制單元102參與該模塊供電、蓄電過程的控制。圖5是圖1所示超聲波風速風向儀與風力發電機組機艙控制器數據傳送模式及設 備設置模式選擇及具體通信流程圖如圖5所示，超聲波風速風向儀1與風力發電機組機艙控制器2之間的通信，即數 據傳送模式及設備設置有三種模式，分別是循環模式、設備設置模式和查詢/返回模式。圖5-a是通信模式判斷流程圖，如圖5-a所示，在工作過程中，超聲波風速風向儀 1在發送Beacon幀與風力發電機組機艙控制器2同步後，先判斷接收幀的類型。根據幀類 型的不同採用不同的通信模式當接收應答幀為數據請求幀時，採用循環模式，向風力發電 機組機艙控制器2發送採集的實時風速風向數據；當接收應答幀為設置命令幀時，採用設 備設置模式，根據接收到的命令幀對超聲波風速風向儀進行設置操作；當接收應答幀為歷 史數據讀取命令幀時，採用查詢/返回模式，根據命令幀的內容從存儲器中組織採集的歷 史風速風向數據，並向機艙控制器發送。查詢的歷史數據可以為歷史記錄中的某次測量值， 也可以為多次測量值的平均值。如果，超聲波風速風向儀1在發送Beacon幀等待應答超時，即超時而未接收到請 求幀，則視為幀丟失，將重複進行上一步發送Beacon幀的過程，最多重複3次，第4次幀丟 失後取消該條數據幀的發送，通信失敗。圖5_b是循環模式通信流程圖。如圖5_b所示，當超聲波風速風向儀1接收應答 幀為數據請求幀時，採用循環模式，發送確認幀，向風力發電機組機艙控制器2發送採集的 實時風速風向數據；等待確認幀並計時，如果因超時而未接收到請求幀或確認幀的，則視為幀丟失，將重複進行上一步發送Beacon幀或數據幀的過程，最多重複3次，第4次幀丟失後 取消該條數據幀的發送，通信失敗。如果收到確認幀，則循環模式一次實時風速風向數據發 送完成。圖5-c是設備設置模式通信流程圖。如圖5-c，當接收應答幀為設置命令幀時，採 用設備設置模式，超聲波風速風向儀1發送確認幀後，根據命令幀的內容對超聲波風速風 向儀1進行設置，完成設備設置模式下一次通信。圖5-d是查詢/返回模式通信流程圖。如圖5-d，當接收應答幀為歷史數據讀取命 令幀時，採用查詢/返回模式，根據命令幀的內容從存儲器中組織採集的歷史風速風向數 據，然後發送；等待確認幀並計時，如果因超時而未接收到請求幀或確認幀的，則視為幀丟 失，將重複進行上一步發送Beacon幀或數據幀的過程，最多重複3次，第4次幀丟失後取消 該條數據幀的發送，通信失敗。如果收到確認幀，則循環模式一次實時風速風向數據發送完 成。圖6是圖5所示應答幀中解析幀的格式圖。超聲波風速風向儀1對接收到的應答幀進行解析，並根據對解析幀解析內容對超 聲波風速風向儀1進行操作。如圖6所示，圖中示出了本發明應答幀中的解析幀與MAC幀、物理層幀的結構關 系。當解析幀被傳送到MAC子層時，就被稱為MAC服務數據單元(MSDU)，被附加MHR頭信息 和MFR尾信息後，就構成MAC幀。MAC層幀根據物理層幀結構添加同步信息SHR和幀長度 PHR欄位後，即構成物理層幀。圖6中還示出了應答幀中的解析幀具體結構解析圖例。如圖6所示，解析幀由幀 類別(Frame Type)、命令號(Command Num)、數據負載(Data Payload)和CRC校驗碼四部 分構成。幀類別用於判別所需工作模式，0x44對應循環模式(L)，0x53對應設置模式(S)， 0x52對應查詢/返回模式(R)，然後再根據模式下的具體命令號進行動作。CRC校驗碼由幀 類別、命令號和數據負載生成，下面對部分解析幀示例介紹時2位元組CRC校驗碼用XX代替。1)解析幀0x4401XX表示通信模式選擇循環模式，風機機艙控制器查詢實時風速風向數據，該實時數 據由風速風向儀定時發送。2)解析幀0x530101XX表示通信模式選擇設置模式，超聲波風速風向儀1對該解析幀解析之後，將對設 置自身編號，本例中風速風向儀完成對自身設置01號設備的操作。3)解析幀0x5302005AXX表示通信模式選擇設置模式，本例設置風速風向儀的參考風向為90°，及正東方 向。測量出的風向值是實際風向與參考風向的相對值。4)解析幀0x5201090A0B01XX表示通信模式選擇查詢/返回模式，本例中超聲波風速風向儀1執行讀取存儲設 備的操作，查詢9月10日11時10分時所測得的風速風向數據，並把該數據發送給機艙控 制器。若查詢時間早於當前時間，則查詢的為本年該時間下的數據，若查詢時間晚於當前時 間，則查詢的為去年的數據，即保存的數據時效是當前時間往前數的一年內。5)解析幀0x5202090A0B010A0A0B01XX
表示通信模式選擇查詢/返回模式，本例中若當前時間在10月10日11時10分 之後，則計算今年9月10日11時10分到今年10月10日11時10分之間所有保存的風速 風向數據的平均值；若當前時間在9月10日11時10分之前，則計算去年9月10日11時 10分到去年10月10日11時10分之間所有保存的風速風向數據的平均值；若當前時間在 9月10日11時10分與10月10日11時10分之間，則計算去年10月10日11時10分到 今年9月10日11時10分之間所有保存的風速風向數據的平均值。計算出的平均風速風 向數據由超聲波風速風向儀1發送給機艙控制器2，作為時間段內主導風速風向的參考。儘管上面對本發明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便於本技術領的技術人 員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式
的範圍，對本技術領域的普通技術 人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變 化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
權利要求
1.一種風力發電機組超聲波風速風向測量裝置，包括超聲波風速風向儀和風力發電機 組機艙控制器；超聲波風速風向儀又包括超聲波收發模塊、中央控制單元，超聲波收發模塊 在中央控制單元的控制下，對風速風向進行採集；其特徵在於超聲波風速風向儀還包括一 ZigBee無線通信模塊和太陽能蓄電供電模塊，風力發電 機組機艙控制器具有ZigBee無線通信功能；在超聲波風速風向儀中，採集的風速風向數據通過ZigBee無線通信模塊發送給風力 發電機組機艙控制器，以實現對風力發電機組的控制；太陽能蓄電供電模塊由太陽能電池 板陣列、匯流盒、太陽能控制器以及蓄電池組成，太陽能電池板陣列產生的電能通過匯流盒 進行匯合，在太陽控制器的控制下，將匯合電能作為整個超聲波風速風向儀的供電，同時， 在日照充足時，將多於的匯合電能存儲到蓄電池中，在夜間或陰雨天，無太陽光或日照不充 足時，由蓄電池為整個超聲波風速風向儀提供電源。
2.根據權利要求1所述的風力發電機組超聲波風速風向測量裝置，其特徵在於，所述 的採集的風速風向數據通過ZigBee無線通信模塊發送給風力發電機組機艙控制器有兩種 模式a、循環模式超聲波風速風向儀通過其無線通信模塊向風力發電機組機艙控制器發送Beacon幀進 行同步，風力發電機組機艙控制器在偵聽到Beacon幀後發出數據請求幀，超聲波風速風向 儀接收到數據請求幀後，回復確認幀，將採集的實時風速風向數據存儲後發送；風力發電機組機艙控制器在接收到確認幀後轉入接收狀態接收採集的實時風速風向 數據，並在採集的實時風速風向數據接收完成後發出確認幀，風速風向儀接收到確認幀後 將該實時風速風向數據從發送隊列中清除，完成一次實時風速風向數據的發送；b、查詢/返回模式超聲波風速風向儀通過其無線通信模塊向風力發電機組機艙控制器發送Beacon幀 進行同步，風力發電機組機艙控制器偵聽Beacon幀同步後，向超聲波風速風向儀發送命令 幀，超聲波風速風向儀收到命令幀後，發送確認幀，並根據命令幀的內容將歷史風速風向數 據發送。
3.根據權利要求2所述的風力發電機組超聲波風速風向測量裝置，其特徵在於，在所 述的循環模式下，因超時而未接收到請求幀或確認幀的，則視為幀丟失，將重複進行上一步 發送Beacon幀或數據幀的過程，最多重複3次，第4次幀丟失後取消該條數據幀的發送，通 信失敗；在所述的查詢/返回模式下，若Beacon幀、命令幀或數據幀丟失，風力發電機組機艙控 制器將最多重複3次發送Beacon幀、命令幀或數據幀，第4次幀丟失後視本次通信失敗。
4.根據權利要求2所述的風力發電機組超聲波風速風向測量裝置，其特徵在於，風力 發電機組超聲波風速風向測量裝置具有設備設置模式風力發電機組機艙控制器在偵聽 Beacon幀同步後，向超聲波風速風向儀發送命令幀，超聲波風速風向儀發送確認幀後，根據 命令幀的內容對超聲波風速風向儀進行設置。
全文摘要
本發明公開了一種風力發電機組超聲波風速風向測量裝置包括超聲波風速風向儀和風力發電機組機艙控制器兩個部分。超聲波風速風向儀包括超聲波收發模塊、中央控制單元、太陽能蓄電供電模塊以及ZigBee無線通信模塊。超聲波收發模塊在中央控制單元的控制下，對風速風向進行採集，採集的風速風向數據通過ZigBee無線通信模塊發送給風力發電機組機艙控制器，以實現對風力發電機組的控制。太陽能蓄電供電模塊將產生的電能作為整個超聲波風速風向儀的供電。採用無線通信和太陽能供電蓄電模塊分別實現通信和自主供電。本發明具有安裝簡單、無需鋪設通信供電線路、維護簡便、耗能低等特點，尤其適用於環境惡劣、不易施工維護的野外情況。
文檔編號G01P5/24GK102095890SQ20101055599
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者彭超, 徐紅兵, 鄒見效 申請人:電子科技大學