摘 要：为保证风电场大型风力发电机组安全、可靠、经济和优化运行，本文对现有各种无线通信技术做了比较之后，提出了一种基于IEEE802.16d无线Mesh网络的风力发电机在线监控诊断系统，系统依托无线Mesh网络将采集得到的信息发送到监控诊断中心，然后由监控中心对监控数据进行分析处理，判断风电机的故障趋势，从而实现风电机的在线监控诊断。系统具有保密、易于开设使用和建网费用低廉等特点。

　　关键词：风力发电机;IEEE802.16d;无线Mesh;在线监控

　　0.引言

　　近年来，随着石化能源危机的来临以及人们环保意识的加强，世界各国争相发展可再生新兴能源。风电装机容量每年以20%到30%的速度增长，其增长势头迅猛，但随着投产的风力发电机数量和容量的不断增加，风力发电机组的运行维护，故障检测、诊断技术的优化和改进已成为风力发电亟待解决的新课题。

　　国内目前己经基本实现了对风电机组运行状态监控，部分风电场还实现了风电场场级风电设备的综合监控，但由于近年来大型风力发电机组研究的快速发展，其机械结构日趋复杂，不同部件之间的相互联系、耦合也更加紧密，一个部件出现故障，将可能导致整个发电过程中断。因此，有必要对风力发电机组的运行状态进行监控的同时对其故障征兆进行分析处理，预测分析风力发电机的故障趋势，减少强迫停机的次数，降低发电机的维护费和提高发电机的可用性，指导风电机组的维护与维修。

　　由于风电场一般都在沙漠、海岛、高山上，远离城市，通讯设施相对较差。巡检和维护非常不方便，传统的有线通信网络如RS-485总线、ProfiBus现场总线、以太网等已经不能完全满足风电场监控通信系统对可靠性和安全性的要求，且有线通信方式由于需要铺设繁杂的通信线路，其成本较高，维护不便，易于损坏，难于扩展等，所以，风电场配以适当的无线通信网络是一种灵活经济的方案，也是风电场通信系统发展的趋势。

本文以风电场风力发电机组为研究对象，以风电机组安全经济运行出发，提出了以无线通信为基础的风电机状态监测与故障诊断系统方案，其中风电机和监控中心通信以无线城域网(WIMAX)技术为基础，而风电场监控中心则采用光纤以太网，本系统可有效实现对风电机的综合监控诊断，提高风电企业运营效率，实现风电企业监控、管理、维护、调度一体化。

　　1.无线通信技术

　　1.1无线通信协议

　　目前，无线通信及其应用已成为当今信息科学技术最活跃的研究领域之一。其一般由无线基站、无线终端及应用管理服务器等组成[1]。

　　无线接入技术则主要包括IEEE的802.11、802.15、802.16和802.20标准，分别指无线局域网WLAN(采用WIFI等标准)、无线个域网WPAN(包括蓝牙与超宽带UWB等)、无线城域网WMAN(包括WIMAX等)和宽带移动接入WBMA。一般地说WIFI可以提供热点覆盖、低移动性和高数据传输速率;WPAN提供超近距离的无线高数据传输速率连接;WMAN提供城域覆盖和高数据传输速率;WBMA则可以提供广覆盖、高移动性和高数据传输速率。

　　表1 主流无线通信技术比较 标准 工作频带 速率(Max) 距离(Max) 节点数(Max) IEEE802.11

　　(WLAN) IEEE802.11a 5.2GHz 54Mbps 100m 几十个 IEEE802.11b 2.4 GHz 11Mbps 100m IEEE802.11g 2.4 GHz 54Mbps 100m IEEE802.15

　　(WPAN) IEEE802.15.1 2.4 GHz 721Kbps 10m 8个节点 IEEE802.15.4 2.4 GHz 250Kbps 75m 65000 IEEE802.16

　　(WMAN) IEEE802.16a 2-11 GHz 75Mbps 非视距50Km 数千个 IEEE802.16d 2-66 GHz 视距50Km IEEE802.16e 2-6 GHz 50Km IEEE802.20

　　(WBMA) IEEE802.20 <3.5GHz 1Mbps 15Km

　　表1中IEEE 802.16d，也称为“WiMax”，它在2~11 GHz之间的频率范围运作非视距(NLOS)传输和10~66GHz视距(LOS)传输，在理想状况下若无障碍物阻隔，50公里距离的最高资料传输率高达75 Mbps，IEEE 802.16e标准是IEEE 802.16d的加强版[2]，其可以支持最大移动速度150km/h的无线移动传输。

　　只有WiMax和GSM、GPRS、3G技术支持非视距传输，其余技术均要求视距传输环境，但GSM、GPRS、3G传输技术速率比较低，3G传输最大速率仅为384Kbps，且成本比较高。综合风电场环境考虑，本文选用非视距传输特性与穿透性都极强的WiMax作为风电场无线通讯协议。

　　1.2网络拓扑结构选择

　　在传统的各种无线接入网络中，拓扑结构主要采用点到点或点到多点的结构形式[3]。在点到多点结构中，一般都有一个中心节点与骨干网直接相连，中心节点负责控制各用户节点的接入和提供到骨干网的网络接口，功能上远比用户节点复杂，成本也比较高昂。

　　无线Mesh网采用的则是一种网状结构，也被称为多点到多点的系统。各用户节点可以通过相邻的其他用户节点以多跳方式实现到骨干网的连接，新用户可以通过他周围的其他用户节点很方便地接入到网络中，由于在网络扩展时不再需要中心节点，无线Mesh网可以极大地减少整个网络的建设成本。

　　2.系统硬件系统设计

　　风力发电机组状态监测与故障诊断系统总体结构如图1所示。基于802.16d无线Mesh通信系统的现场数据采集系统、本地监控诊断中心、远程监控诊断中心3部分组成。

　　图1 风力发电机组状态监测与故障诊断系统总体结构

　　现场数据采集系统如图2所示，其中下位机利用各种传感器将风力发电机状态参数进行提取，利用数据采集模块进行放大、滤波、补偿和A/D转换等处理以后，通过小波分析、Fourier变换等信号分析等技术处理[3]，根据信号的特征由下位机对风电机初步故障进行诊断，并可通过基于802.16d无线Mesh通信系统将风电机运行参数上传至本地诊断中心，供监控诊断中心分析处理。

　　系统利用WMN(Wireless Mesh Network)吸收了星型与网状两种网络的优点，是对两者的一种无缝融合。Mesh路由器负责临近风电机的数据通信，系统中每组路由器之间都可以进行通信，而当系统中有节点出现故障的时候，其临近的路由器会利用路由算法和调度程序[4-5]，为用户选择最优路径，协同保证其通信链路的畅通。

　　图2 现场数据采集系统

　　本地监控诊断中心系统结构如图3所示，其中数据库服务器将下位机上传的数据写入数据库中，备份风力发电机的故障征兆信息，同时，为监控诊断中心的Web应用服务器和推理诊断服务器提供数据支撑;诊断服务器通过使用监测分析软件和故障诊断软件提取本地数据库服务器数据，对机组故障进行诊断，并将结果返回给现场用户。若故障类型比较复杂，本地中心还可以向远程监控诊断中心求助，专家可远程通过互联网登录到WEB应用服务器使用自己的知识进行诊断，将结果返回诊断中心，并由监控中心反馈给现场用户，指导现场运行。在诊断服务器根据征兆信息进行诊断推理，得到推理结果以后，将信息传给WEB服务器，并组成诊断结果HTML页面，供授权用户进行访问。同时，作为局域网WEB服务器，直接面向风电厂局域网，使局域网内用户通过WEB浏览器可以监测机组的振动及相关状态量变化情况。

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