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无线传感器网络在风力发电机组状态监测中的应用研究

作　者: 王哲敏
导　师: 杨文志
学　校: 内蒙古科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 无线传感器网络 ZigBee CC2430 风力发电机组状态监测系统
分类号: TN929.5;TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题是能源、环境问题。风能作为可再生的清洁能源,世界各国都在大力开发,如何利用风力发电机将风能转换成电能是各国开发的重点。我国在自主开发风力发电机组的同时,也遇到了许多关键技术需要突破。为了深入了解机组运行特征与故障状态,我们就需要发展一种设备状态监测技术来更好的监测设备。目前,随着国外对风力发电机组领域的进一步研究,我国也在对风力发电机组的相关领域加速进行自主研发,其中振动监测是风力发电机组状态监测的关键技术之一。风力发电机组振动状态监测的主要特点是:监测点数量多,监测时间长,监测情况复杂。传统风力发电机组状态监测手段的缺点是:网络布线困难、节点智能化程度不高,针对这种情况,本论文设计了基于ZigBee协议的风力发电机组状态监测网络系统。该监测系统的优势是:网络布局方便,节点数量大,可靠性高,可远程操控。首先,本文对大型风力发电机组的振动情况进行了研究,明确了机组易发生故障的部位和其振动机理,从而进一步明确了测点布局。其次,对无线传感器网络的结构、分层模型和关键技术进行了研究,针对无线传感器节点由于布局受限,分布不均匀造成的无法自组织连通网络的情况,提出了一种中继节点布局方法,在保证网络生存周期的前提下实现了网络的连通,并且利用数据分流方法和数据汇集方法减少了中继节点数目,进而降低了系统的成本。然后,通过几种无线通讯技术的研究比较,确定了风力发电机组状态监测所用到的无线技术既ZigBee技术,该技术的特点是:功耗低,网络的自组织、自愈能力强,通信可靠,成本低廉。接着对TI公司的Z-Stack协议栈(基于ZigBee2006标准)进行了研究。最后,针对本论文的风力发电机组状态监测网络系统,我们进行了硬件设计和软件设计。在硬件设计方面,主要设计了三个模块(微处理器模块、数据采集模块、天线模块)。在软件设计方面,设计了上位机的监控软件和基于ZigBee技术的风力发电机组状态监测网络系统中对于三种节点(协调器,路由器,终端)的软件设计,最后在实验室进行了模拟实验。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-15
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 风力发电机组状态监测的国内外研究现状及存在的问题  11-12
    1.2.1 国外风力发电机组状态监测技术研究现状  11
    1.2.2 国内风力发电机组状态监测技术研究现状  11-12
    1.2.3 风力发电机组状态监测存在的问题  12
  1.3 研究的目的与意义  12-13
  1.4 研究的主要内容  13-15
2 风力发电机组振动机理研究  15-33
  2.1 风力发电机组工作原理与结构组成  15-16
  2.2 风力发电机组振动机理分析  16-28
    2.2.1 风力发电机组叶片振动研究  16-19
      2.2.1.1 风力发电机组叶片振动源  17-18
      2.2.1.2 大型风力发电机组叶片振动分析  18-19
    2.2.2 风力发电机组整机振动研究  19-24
      2.2.2.1 风力发电机组的振动形式  19
      2.2.2.2 质量不平衡对风力发电机风轮－塔架整机的振动  19-21
      2.2.2.3 气动不平衡对风力发电机风轮－塔架整机的振动  21-24
    2.2.3 主传动系统轴不对中  24-25
    2.2.4 增速箱振动分析  25-27
      2.2.4.1 齿轮的故障类型  26-27
      2.2.4.2 轴承的故障类型  27
    2.2.5 发电机故障  27-28
    2.2.6 偏航系统故障  28
  2.3 风力发电机组振动特征  28-32
    2.3.1 风力发电机组状态监测内容  28-29
    2.3.2 监测点的选取与确定  29-31
    2.3.3 测量参数的确定  31
    2.3.4 传感器的选用  31-32
  2.4 本章小节  32-33
3 无线传感器网络理论  33-39
  3.1 无线传感器网络介绍  33
  3.2 无线传感器网络国内外的研究现状  33-34
  3.3 无线传感器网络结构及其特点  34-37
    3.3.1 无线传感器网络结构  34-35
    3.3.2 传感器节点结构  35-36
    3.3.3 无线传感器网络协议栈  36-37
    3.3.4 无线传感器网络的特点  37
  3.4 无线传感器网络的关键技术  37-38
  3.5 本章小结  38-39
4 中继节点的布局方法  39-48
  4.1 约束条件及能耗模型  39-40
    4.1.1 约束条件  39-40
    4.1.2 能耗模型  40
  4.2 问题定义  40-41
  4.3 布局方法  41-44
    4.3.1 网络最长寿命估算  42
    4.3.2 中继节点的布局方法  42-44
  4.4 减少中继节点数目的方法  44-47
    4.4.1 数据的分流方法  44-47
    4.4.2 数据的汇集方法  47
  4.5 本章小结  47-48
5 ZigBee 技术的研究  48-60
  5.1 几种短距离无线通信技术的比较  48-51
  5.2 ZigBee/IEEE802.15.4 标准  51-59
    5.2.1 ZigBee 技术的特点和应用  51-53
      5.2.1.1 ZigBee 技术特点  51-52
      5.2.1.2 ZigBee 的应用  52-53
    5.2.2 ZigBee/IEEE802.15.4 标准介绍  53-56
      5.2.2.1 ZigBee 技术的体系结构  53-55
      5.2.2.2 ZigBee 技术的网络拓扑结构  55-56
    5.2.3 Z-Stack 协议栈研究  56-59
  5.3 本章小结  59-60
6 基于ZigBee 技术的风力发电机组状态监测系统的应用研究  60-78
  6.1 系统网络节点的硬件设计  61-67
  6.2 系统软件部分设计  67-72
  6.3 振动信号的实验测试  72-77
  6.4 本章小结  77-78
结论  78-80
参考文献  80-83
致谢  83-84
读硕士学位期间已发表的论文  84-85
附录1 加速度传感器RSS 显示的应用程序  85-86

无线传感器网络在风力发电机组状态监测中的应用研究

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