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蓝牙技术对无线通信的影响

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无论是国外风电技术发达国家还是我国通过引进、吸收和再创新的国产商业化风电机组,在变桨距机构和主控系统之间的通讯通常采用工业以太网或Canopen总线方式,通讯总线通过信号滑环来实现转动和非转动部分的通讯连接,这种信号滑环随着动力滑环一体吊装时一次性安装在传动轴上。但这种方式面临几个问题:(1)滑环磨损导致接触不良,信号传输受干扰;(2)既要传输动力电,又要传输信号,造成信号传输干扰;(3)现在信号种类比较多,要求更加复杂,精密的导电滑环成本较高。基于上述因素考虑,我们率先提出利用基于Bluetooth技术的无线通信在风力发电控制系统中的应用方案,并应用在了实际运行的机组当中。此方案既能解决滑环通信故障的问题,还能作为冗余设计考虑。“蓝牙(Bluetooth)”是一个开放性的、支持设备短距离通信的无线电技术,也是目前国际上支持范围最广泛,功能最丰富且安全的无线通信技术标准。它可以在较小的范围内,通过无线连接的方式安全、低成本、低功耗的网络互联,使得近距离内各种通信设备能够实现无缝资源共享。

蓝牙技术以低成本的近距离无线连接为基础,采用高速跳频(FrequencyHopping)和时分多址(TimeDivisionMulti-access—TDMA)等先进技术,为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。以前的蓝牙标准是IEEE802.15,工作在2.4GHz频带,通道带宽为lMb/s,异步非对称连接最高数据速率为723.2kb/s。新的蓝牙标准4.0版将过去三种蓝牙规格,包括传统蓝牙技术、蓝牙低功耗技术及蓝牙高速技术等合而为一,支持最高达24Mb/s传输速率,有效传输距离可达到100m。蓝牙技术具有极大的发展空间,其技术的推广与普及是适应未来通讯领域业务需求的必然趋势。

可行性分析

经过对风电控制系统的通信子系统的现场调研,其有线的通信大多由信号滑环通信。基于电网的突然掉电、UPS故障屏蔽、滑环磨损短路等安全隐患、滑环维护困难且成本比较高、通讯方式多冗余等诸多因素的考虑,风机控制系统与变桨距机构之间的通讯最终决定采用基于Bluetooth技术的无线通信技术。而HD1.5MW变速变桨永磁直驱风力发电机组的中空轴设计又很好的保证了变桨距部分和主控部分的两个FLBLUETOOTHAP蓝牙接入点通信模块的点对点通讯质量。系统配置如图1所示。可见在近距离遮挡少的工况下,蓝牙通信质量良好。

系统方案设计

由于我们自行研制的HD1.5MW变速变桨永磁直驱风力发电机组包括控制系统具有自主知识产权,软硬件均具有开放性。其控制系统采用DCS系统,分为塔底主控柜、塔顶控制柜、轮毂变桨系统和人机界面四部分,系统设计可以从控制程序部分进行处理,为基于Bluetooth技术的风力发电控制系统中无线通信系统设计奠定基础,其详细设计方案拓扑图如图4所示。该套控制系统塔底控制柜和塔顶控制柜之间距离近80m,采用工业以太网通讯总线,而塔顶控制柜和轮毂变桨系统距离较近,而且存在相对旋转的问题,传统的有线通讯总线并无明显的优势,所以采用了全新的Bluetooth无线通信技术。首先确定选用菲尼克斯基于FLBLUETOOTHAP的一款蓝牙ModbusIO接入点通信模块,该模块支持:多点通讯;传感器信号可快速无线集成;Mod-bus-TCP(RJ45);蓝牙2.0;同时具有快速响应时间。用其实现现场总线的原有各种功能,同时还添加了冗余保护系统。

该方案进一步优化了网络和配置,提高了通讯的实时性、准确性,其通讯频段如图5所示。

测试结果

基于Bluetooth技术的无线通信在风力发电控制系统中的应用方案已经在龙江风电杜蒙1#风场投入使用,运行情况良好,达到了预期的系统需求和设计要求。通过无线通信完成了以下基本功能。变桨距机构的轴端编码器、齿圈编码器、限位开关、伺服驱动器、变桨电机等参数以及安全链信号均可通过无线通信模块传输给主控系统进行判断,而主控系统通过无线通信模块对变桨距机构可发送变桨角度,变桨速率和加速度等控制命令,实现对变桨系统的控制。无线通信的配置成功具有以下优势(1)增强通信的可靠性,稳定性;(2)更换方便,减少维护难度和工作量;(3)节省滑环或做冗余考虑;(4)节约成本,具有推广性。

结语

针对风力发电基于Bluetooth技术的无线通信在风力发电机组控制系统通讯上应用的空白,本文提出的一种解决因各种因素导致的不适合应用有线通信或基于冗余设计考虑的风力发电控制系统的无线通信方案。采用特别为工业应用设计的基于Bluetooth技术的菲尼克斯FLBLUETOOTHAP蓝牙接入点无线通信模块完成了风力发电控制系统的上下位机通信需求,很好的完成了原有的通信功能,解决了风机控制系统中相对旋转部分之间的通讯这一难题,实现了风机主控制系统与变桨距机构之间的信号传输从必须由信号滑环传递到基于Blue-tooth技术的无线通信的飞跃。

风力发电控制系统采用无线通信方式来完成风机端各项参数的采集、故障报警、远程控制等功能,既节约成本、又降低了施工和维护的难度、更提高了自动化信息技术水平,具有很高的应用价值,无线通信在风力发电控制系统中应用的推广将带来显著的经济和社会效益。

作者:张岩吴光宇单位:哈电发电设备国家工程研究中心有限公司

蓝牙技术对无线通信的影响责任编辑:陈老师    阅读:人次