CN105134493B - 一种基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法，其特征在于：获取能与可编程逻辑控制器通讯连接并采集其变量数据的采集***；该信息采集和存储方法包括以下步骤：step1、定义用于控制风力发电机组的可编程逻辑控制器的扫描周期和时间戳，扫描周期为x毫秒；step2、在采集***中设置变量数据信息表，以及各变量数据采样频率；变量数据采样频率为N×x毫秒，其中N为正数；step3、启动采集***，根据上述各变量数据采样频率来分别采集可编程逻辑控制器中相应的变量数据；step4、采集***存储上述变量数据。采用本发明的方法能够获取更为详尽的控制***的变量数据，帮助实现快速准确查找故障原因，对风电机组状态监测和故障诊断具有重要意义。

Description

一种基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法

技术领域

本发明属于风力发电机组的控制***领域，具体涉及一种基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法。

背景技术

风能是取之不尽，用之不竭，理想的清洁能源之一。风能对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地区，因地制宜地利用风力发电，非常适合。

风力发电机组是一种能够利用风能来发电的装置。风力发电机组由多个部分组成，其中控制***贯穿到每个部分，且控制***的好坏直接关系到风力发电机组是否能够安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。控制***主要包括各种传感器、变浆***、可编程逻辑控制器（英文简称：PLC）、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元，其中可编程逻辑控制器是分别与控制***中其余单元或元器件之间电性连接的核心的控制器件。

目前，为了保障风力发电机组的正常运行，现有技术通过风场SCADA***（英文全称为：Supervisory Control And Data Acquisition，中文名称为：数据采集与监视控制***)来对风力发电机组（及其控制***）进行数据采集和存储并进行监控，如公告号为CN202995439U，公开的“一种用于风力发电场的监控***”，该监控***包括风电场现场通讯网络、风电场环网交换机、风电场内网交换机、SCADA***服务器；所述风电场现场通讯网络、所述风电场环网交换机、所述风电场内网交换机和所述SCADA***服务器顺序连接。

但上述用于风力发电场的监控***在使用时却存有如下不足之处：SCADA***通常采用采集***标准和MODBUS通讯协议，其采样频率为几百毫秒至几秒的固定频率，且都是通过一个时间尺度进行变量数据的采样，易出现瞬时故障而SCADA***根本无记录的情况，不利于准确快速的查找故障原因。

故申请人考虑设计一种基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法，使其数据采样频率更为灵活，能够获取详尽且更具参考价值的控制***的变量数据，帮助实现快速准确查找故障原因，提高风力发电机组的运行与维护的效率。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法，使其数据采样频率更为灵活，能够获取更为详尽且更具参考价值的控制***的变量数据，帮助实现快速准确查找故障原因，提高风力发电机组的运行与维护的效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法，获取一种能够与所述可编程逻辑控制器通讯连接并采集其变量数据的采集***；该信息采集和存储方法包括以下步骤：

step1、定义用于控制风力发电机组的可编程逻辑控制器的扫描周期和时间戳，所述扫描周期为x毫秒；

step2、在所述采集***中设置变量数据信息表，以及各变量数据采样频率；所述变量数据采样频率为N×x毫秒，其中N为正数；

step3、启动所述采集***，根据上述各变量数据采样频率来分别采集所述可编程逻辑控制器中相应的变量数据；

step4、所述采集***存储上述变量数据。

作为优选，所述采集***包括通讯模块、处理器以及存储模块；

所述处理器分别与所述通讯模块和存储模块电性连接；

所述通讯模块基于socket通讯协议与所述可编程逻辑控制器通讯连接。

作为优选，所述通讯模块通过交换机与所述可编程逻辑控制器之间通讯连接。

作为改进，所述采集***还包括分别与所述处理器电性连接的输入模块和显示模块。这样，输入模块的设置能够便捷地对采集***中的后台程序进行设置（如创建不同采用频率的变量数据信息表（用于对变量数据进行采集存储），设置不同变量数据的采样频率）。显示模块即能够对变量数据或采集***中的后台程序进行显示，方便维护人员现场调试。

作为改进，在上述step4步骤中：所述存储模块具有缓存区和固定存储区；对所述变量数据进行存储时，先将变量数据存储至缓存区中，并判断缓存区是否写满：若缓存区未写满，则继续在所述缓存区中存储；若所述缓存区写满，则将缓存区中的变量数据转移至所述固定存储区中存储。

作为优选，所述可编程逻辑控制器中的变量数据通过RPC方式传递给所述控制器。

RPC（Remote Procedure Call Protocol）——远程过程调用协议，它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的协议。采集***协议假定某些传输协议的存在，如TCP或UDP，为通信程序之间携带信息数据。在OSI网络通信模型中，采集***跨越了传输层和应用层。采集***使得开发包括网络分布式多程序在内的应用程序更加容易。

采集***采用客户机/服务器模式。请求程序就是一个客户机，而服务提供程序就是一个服务器。首先，客户机调用进程发送一个有进程参数的调用信息到服务进程，然后等待应答信息。在服务器端，进程保持睡眠状态直到调用信息的到达为止。当一个调用信息到达，服务器获得进程参数，计算结果，发送答复信息，然后等待下一个调用信息，最后，客户端调用进程接收答复信息，获得进程结果，然后调用执行继续进行。

上述可编程逻辑控制器中的变量数据通过RPC方式传递给所述控制器后，可取得以下技术效果：1、实现了进程间通信，且响应速度快。2、可以根据变量不同的采集需求进行不同的请求使得变量采集更加灵活。

同现有技术相比较，本发明基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法，具有以下有益的技术效果：

现有技术的SCADA***所采用的采集***标准和modbus-tcp通信协议，其采集单台风力发电机组的最大变量数据个数约为1200个，采样频率为几百毫秒至几秒的固定频率，故其都是通过一个时间尺度进行变量数据的采样。

本发明的基于风电机组控制***的信息的采集和存储方法。该方法首先利用风电机组控制***多参数的信息量，建立了不同时间尺度的采集框架和体系（通过step2来实现）；其次，利用可编程逻辑控制器和采集***的通信，保证了时间同步的同时，确保了不同时间尺度信息的通信传输的精准性；最后，利用采集***的存储模块，实现了大容量不同时间尺度的多参数的存储。该方法一方面能考虑不同时间尺度并实现可编程逻辑控制器和采集***的时间同步，另一方面还能实现不同时间尺度的多参数（“参数”也即为“变量数据”）的大容量数据信息的存储，对基于风电机组控制***信息实现风电机组健康状态的实时在线监测与控制提供技术支撑，为提高风电机组运行可靠性和安全具有重要的现实意义。

本发明中的采集***通过使用Socket通讯协议进行编程，绑定3500端口（也可采用其他的端口），实现可编程逻辑控制器和采集***之间数据交换，对风力发电机组的主控***中的各种控制信息进行采集，最小采样频率达到10ms（与可编程逻辑控制器的扫描周期速度一致），最大采集个数可以达到2500个不同类型不同扫描周期的变量。采集数据的精度高，数据量大，能够实现了对控制***中变量数据的全面监视和记录。能够记录下风力发电机组故障瞬态的信息，使得所获取的信息具有多参量多时间尺度的特性，为故障追溯和风力发电机组固体特性提供有效的数据支撑，更具参考价值。

本发明通过输入模块来建立或修改变量数据信息表，向可编程逻辑控制器发送请求，然后可编程逻辑控制器将变量信息批量返回给采集***。采集***以异步多线程技术实现为核心，通过双链表堆栈，实现了不同采集周期的数据采集和数据处理。且可按照扫描周期进行扫描并对变量数据进行采样，只有当变量改变才进行后才进行采集，变量数据采集方式更为灵活实用。

附图说明

图1为本发明基于风电机组控制***的信息的采集和存储方法中采集***的安装在风力发电机组上的结构示意图。

图2为本发明基于风电机组控制***的信息的采集和存储方法中采集***与可编程逻辑控制器之间的连接结构示意框图。

图3为本发明基于风电机组控制***的信息的采集和存储方法进行变量数据采集的流程图。

图4为本发明基于风电机组控制***的信息的采集和存储方法进行变量数据存储的流程图。

图5为利用本发明基于风电机组控制***的信息的采集和存储方法采集回来的部分变量数据进行傅里叶变换分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1至图2所示，一种基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法，获取一种能够与所述可编程逻辑控制器通讯连接并采集其变量数据的采集***1；该信息采集和存储方法包括以下步骤：

step1、定义用于控制风力发电机组的可编程逻辑控制器的扫描周期和时间戳，所述扫描周期为x毫秒；

定义用于控制风力发电机组的可编程逻辑控制器前四个变量的时间戳可分别是：

第一个变量 i1 为 年、月；

第二个变量 i2 为 日、时、分；

第三个变量 i3 为 秒；

第四个变量 i4 为 毫秒；

step2、在所述采集***1中设置变量数据信息表，以及各变量数据采样频率；所述变量数据采样频率为N×x毫秒，其中N为正数；

step3、启动所述采集***1，根据上述各变量数据采样频率来分别采集所述可编程逻辑控制器中相应的变量数据；

step4、所述采集***1的存储模块存储上述变量数据。

具体实施时，优选所述采样频率包括10ms、100ms、1000ms、10000ms、600s。每种采样频率可同时采集多种变量数据。每到每周采样频率的时间点，则判断设定的采用频率内变量数据是否有变化：若没有发生变化，则不在变量数据信息表中建立新的一条数据；若有变化，则需要在其中予以记录（若变化了，则存储新的变量数据值；若未变化，则重复原采集的变量数据值）。故在采集变量数据时，只有当变量数据发生变化，才对其进行通讯传输，这样不仅能够降低对带宽的占用，提高带宽传输数据的效率；还能够同时保持数据完整性（更利于将变量数据用于查找故障）的同时，提高对于变量数据的存储效率（在变量数据未改变时，重复原采集的变量数据值即可，而不需进行数据传输）。

所有数据包含四种数据类型，分别是INT，BOOL，FLOAT以及REAL型（具体可通过输入模块在采集***1的后台软件的数据类型中获取）。

所述用于采集控制***中的可编程逻辑控制器变量数据的采集***1，所述采集***1包括通讯模块、处理器以及存储模块；

所述处理器分别与所述通讯模块和存储模块电性连接；

所述通讯模块基于socket通讯协议与所述可编程逻辑控制器通讯连接。

其中，所述通讯模块通过交换机3与所述可编程逻辑控制器之间通讯连接。

其中，所述采集***1还包括分别与所述处理器电性连接的输入模块和显示模块。

实施时，优选将上述采集***安装在风力发电机组的控制柜2内。

其中，在上述step4步骤中：所述存储模块具有缓存区和固定存储区；对所述变量数据进行存储时，先将变量数据存储至缓存区中，并判断缓存区是否写满：若缓存区未写满，则继续在所述缓存区中存储；若所述缓存区写满，则将缓存区中的变量数据转移至所述固定存储区中存储。

其中，所述可编程逻辑控制器中的变量数据通过RPC方式传递给所述控制器。

具体实施时，采集***中采用嵌入式Sqlserver2008r2数据库，从而能够具有针对大量不同类型、不同采样频率的变量数据的入库和查询功能。查询功能包含了按前缀查询、多种条件组合查询、画图功能，方便工程师对数据进行查询和分析。

当数据存储在上述数据库中时，该数据库又分为基础数据库（ibox），和采集数据数据库(iboxdata_年月日时)。

基础数据库：存储控制***相关配置信息和变量数据信息表。

采集数据库：存储采集到的变量数据。

数据存储模块所存储的数据都来自采集模块，也如采集***1一样，支持INT，BOOL，FLOAT以及REAL型四种类型（具体根据后台进行设置获取）。

一般来说，数据库中对所有的数据采取相同的建表方式，每一条数据包含采集时间戳、变量编号、变量名、数据类型和数据值。对于异常数据和其他特别数据，根据具体特点建立变量数据信息表。

1）针对每一种变量数据，若在超过规定的时间间隔没有变化，也需要在变量数据信息表中进行再一次存储，具体存储周期允许在采集***1的后台软件中进行设置（根据各变量数据单独设置周期起点，而不进行统一设置，这样能够获取更具参考价值的变量数据信息）。

2）同一类数据将划分为一张表（表的命名规则为数据类型前缀+4位年2位月2位日2位时，数据类型前缀在采用***后台软件中设置）。每张表设定为在一小时后用一张新表代替，旧表仅供查询和转储，以保障数据处理效率。

3）由于数据库容量有限，因此一旦数据存储达到设立的阀值，分离当前数据库，创建新的采集数据库；若磁盘空间不够，则直接删除最早的采集数据库数据。

数据完整性在***环境中，主要通过实体完整性约束、参照完整性约束、和统计约束三类方式来保障。

***通过采集模式和存储模式的配合来保障数据的及时性，其中采集模式保障实时采集，数据库则保障突发事件之前的数据在最靠前查询的部分。

采用上述基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法能够实现：在存储变量数据过程中，根据变量数据的采样频率来将变量数据划分为不同重要等级，采用频率越快，重要性越高。这样即可利用有限的存储空间来充分的保存记录重要性越高的变量数据。从而提高存储模块的利用效率，并有效的节约存储空间。

采用上述基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法方法能够实现：经采样频率的时间点后相应变量数据值没有变化，依然对其进行保存，这样就能够保证数据的完备性和可追溯性。

表1 本发明中的采集***与现有技术的SCADA***的对比表

	现有技术的SCADA ***	本发明中的采集***
			监测范围	是整个风场的数据监控	对单个风力发电机组控制***的变量进行记录
采样频率	SCADA ***采样频率为几百毫秒至几秒的固定频率	最小采样频率为10ms，是风机控制可编程逻辑控制器的运算周期
			变量个数	采集单台风力发电机组的变量数据个数约为1200个	变量数据最大可以为2500个左右
采样示例1	温度的采样频率为500ms	温度参数的采样频率为1s
			采样示例2	电网电压的采样频率为500ms（与温度参数的采样频率相同）	电网电压的采样频率为10ms

由上表可看出：现有技术的SCADA ***对于变量数据的采集主要用于对风电机组进行控制，其采集的时间尺度都是一致的，不能应用于风电机组状态监测中。而且，现有技术针对状态监测的方法或***大都侧重温度量，是长时间尺度的（也都是一个时间尺度的）。本发明的技术方案创造性提出针对转矩、电流以及温度等按照不同时间尺度的通信采集和存储对风电机组状态监测和故障诊断具有重要意义。

实施例1：

采用上述基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法后。例如，当主控***报出发电机转速超速故障，通过SCADA采集的数据则显示发电机转速都是正常的，但是发电机转速超速故障一直报出来，这时通过本发明的方法进行数据采集，即能够对采集的变量数据进行查询，并发现转速发生跳变的准确时刻，以及超出正常值的具体数值。这样就能够最后确认问题是转速传感器读取值出现错误，这样就能够快速检查并发现故障是由于转速和可编程逻辑控制器之间的电缆松动导致。可见，采用本发明的方法后能够显著提高对风力发电机组故障的诊断能力，并快速地对故障进行确认和定位。

实施例2：

如图5所示，风力发电机组前期需要进行传动链振动频率分析。采用本发明的方法后，我们可采用10ms的采样频率，故能够获取不容易失真、高精度的采样数据，这样就能够获得更为准确可靠的传动链振动频率的分析结果。

以上仅是本发明优选的实施方式，需指出是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，上述变形和改进的技术方案应同样视为落入本申请要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法，其特征在于：获取一种能够与用于控制风力发电机组的可编程逻辑控制器通讯连接并采集其变量数据的采集***；该信息采集和存储方法包括以下步骤：

step1、定义用于控制风力发电机组的可编程逻辑控制器的扫描周期和时间戳，所述扫描周期为x毫秒；

step2、在所述采集***中设置变量数据信息表，以及各变量数据采样频率；所述变量数据采样频率为N×x毫秒，其中N为正数；

step3、启动所述采集***，根据上述各变量数据采样频率来分别采集所述可编程逻辑控制器中相应的变量数据；每种采样频率可同时采集多种变量数据，每到每周采样频率的时间点，则判断设定的采用频率内变量数据是否有变化：若没有发生变化，则重复原采集的变量数据值,且不在变量数据信息表中建立新的一条数据；若有变化，则存储新的变量数据值并予以记录；

step4、所述采集***存储上述变量数据；

所述采集***包括通讯模块、处理器以及存储模块；

所述处理器分别与所述通讯模块和存储模块电性连接；

所述通讯模块基于socket通讯协议与所述可编程逻辑控制器通讯连接。

2.根据权利要求1所述的基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法，其特征在于：所述通讯模块通过交换机与所述可编程逻辑控制器之间通讯连接。

3.根据权利要求1所述的基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法，其特征在于：所述采集***还包括分别与所述处理器电性连接的输入模块和显示模块。

4.根据权利要求1所述的基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法，其特征在于：在上述step4步骤中：所述存储模块具有缓存区和固定存储区；对所述变量数据进行存储时，先将变量数据存储至缓存区中，并判断缓存区是否写满：若缓存区未写满，则继续在所述缓存区中存储；若所述缓存区写满，则将缓存区中的变量数据转移至所述固定存储区中存储。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于风力发电机组控制***的信息采集和存储方法，其特征在于：所述可编程逻辑控制器中的变量数据通过远程过程调用协议方式传递给所述可编程逻辑控制器。