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作者:謝文惟、許博爾、劉宗翰、林耀謙(2006-08-01);推薦:徐業良(2006-08-01)

小型風力發電機監測系統之設計

本設計的目的在以單晶片網路伺服器為基礎的分散式資料伺服架構,建立一套小型風力發電機監測系統,監測項目包括風場氣候監測(如風向、風速、溫度等)、以及發電機電力調節機組監測(風力發電之電壓、電流、功率等)。元智大學目前架設一座研究用之小型風力發電機組,本設計將以元智大學現有之小型風力發電機為監測系統之測試、驗證平台

1.     小型風力發電機遠端監測系統簡介

風力發電機監測主要包括風力機電力調節機組監測與風場氣候環境監測。風力機電力調節機組監測主要目的是保護機組在設定的參數範圍內進行運轉,並提升整體發電效率;而風場氣候監測則以監測外在環境參數協助風力機運轉之控制,以延長風力發電機組使用年限。

1為台北科技大學發展之風力發電監測系統架構圖【陳朝龍、龍仁光、張瑞峰、鄭超元、高文秀,民九十三年】,依其功能區分可分為風況調查、網路傳輸、與網路控制等三個子系統部分。先利用風況調查系統對整體監測參數進行監測並存於記錄器中,再透過網路傳輸系統將資料傳送至網路控制器存於伺服主機或網路之網頁,進行資料讀取與控制,而後續處理則可由伺服主機中儲存的資料進行統計分析。以下即就這三個子系統作更詳細的說明。

1. 台北科技大學之風力發電監測系統架構圖

風況調查子系統主要是由各項感測元件共同組成,如風速計和風向計,在經感測元件對監測參數進行資訊的收集後,便會將該資訊交由紀錄器來記錄,而除紀錄風向與風速外,記錄器也記錄風力發電機的輸出功率、溫度、及溼度,可以自動收集與儲存資料。記錄器並能透過RS-232直接連結電腦或數據機,用來更改設定與資料下載。

網路傳輸子系統中,記錄器以RS-232連結數據機(Modem),利用數據機連接一無線寬頻路由器(Wireless Broadband Router)作為有線和無線網路的連接,並可透過路由器與集線器(Hub)的連結形成區域網路,其中有線的內部區域網路在乙太網路下,頻寬可達10Mbps;而以路由器來規劃整體網路架構可以節省IP位置、內建防火牆、和分配IP及所對應之負載的資料傳輸與控制等。

網路控制子系統是利用網路控制器來進行控制,其特色包含使用既設乙太網路、多人同時監看、與即時設備反應等,IT功能則有網頁狀態顯示、網頁上操作與設定、警報電子郵件傳送與TCP/IP通訊協定等。基本上此系統中之網路控制器是一媒介,透過其傳輸上的設定將網頁上的設定傳送至風力發電機上,並將風力機的即時資訊作一顯示以及傳遞至伺服主機進行存放。

2.     小型風力發電機遠端監測系統架構

本設計所應用的小型風力發電機為目前架設於元智大學之研究用併網型小型風力發電機組(如圖2),主體風力發電機Fortis Passat 1400系統規格如表1,最大發電功率為1500W;風速風向儀Weather Wizard III為風場氣候環境監測感測器多功能電子式電表DM2436AB連接電力調節機組(逆變器),則提供電力狀況監測感測。

2. 小型風力發電機系統(Fortis Passat 1400)

1. 併網式小型風力發電機規格

風力發電機(Fortis Passat 1400)

額定功率

葉片半徑

起始風速

截止風速

1400W

3.12 m

3 m/s

12 m/s

併網型單相反流器

最大輸入功率

最大輸入功率

最大輸入功率

最大輸入功率

1500 W

1500 W

1500 W

1500 W

併網型風力發電系統規格

供電型式

系統輸出電壓

感測器

並聯型

單相 220V (AC)

交流電壓、交流電流、發電功率以及機械瓦時計

3為本小型風力發電監測系統的基本架構圖,系統中不需要中控電腦進行感測資料的匯集與儲存,而是以分散式資料伺服器(Distributed Data Server, DDS)為核心,RS-232/RS-485傳輸協定收集感測器Weather Wizard III中風向、風速、與溫度訊號,以及感測器DM2436AB中三相電壓、三相電流、與功率因數之訊號,將上述訊號進行初步運算並加以儲存,使用者與管理者在client端電腦上透過客製化的VB程式讀取DDS中儲存的資料,並由client端電腦上之VB程式作進一步處理、分析、與資料呈現,其中資料呈現將包含即時與歷史監測數據,可視需求計算某特定時間區間內平均值、最大值、最小值等數值資料,或繪製成折線圖呈現趨勢資料。

3. 小型風力發電監測系統基本架構圖

3.     子系統之設計

由基本架構圖中,可進一步依據功能分成分散式資料伺服器(DDS)、風場氣候監測子系統、電力調節機組監測子系統等三個子系統。

(1)   分散式資料伺服器(DDS)

分散式資料伺服器以PIC Server單晶片微控制器為核心,搭配網路晶片,提供資料處理、控制、運算、儲存,以及Ethernet網際網路連結功能,具備體積小、成本低、不易中毒、資料安全性高、可長期運作不需維護等優點。DDS已在先前計畫中完成實驗室雛形開發與長期測試,圖4為完整的DDS裝置。

4. DDS實驗室雛形實體組裝

DDSRS-232/RS-485Weather Wizard IIIDM2436AB儀表進行連接,並跟通訊協定,由DDS傳送command到量測儀表,並接收量測儀表回傳之訊號,將上述訊號進行初步運算並加以儲存於MMC記憶卡中。

使用者與管理者在client端電腦上透過客製化的VB程式讀取DDS中儲存的資料,並由client端電腦上之VB程式作進一步處理、分析、與資料呈現,其中資料呈現將包含即時與歷史監測數據,可視需求計算某特定時間區間內平均值、最大值、最小值等數值資料,或繪製成折線圖呈現趨勢資料。

除以VB程式處理、分析、與資料呈現外,本計劃之DDS亦將包含事件驅動訊息傳送功能,藉由感測訊號發生事先設定之異常狀況(如風速過大、電壓、電流瞬間停止),或DDS長期監測資料顯示異常模式(如瞬間發電量長時間為零),DDS即以E-mail或手機簡訊,發送特定訊息予指定電子郵件住址或手機號碼。

(2)   風場氣候監測子系統

風場氣候環境監測感測器規劃採用Davis Instruments Crop.公司的風速風向儀Weather Wizard III,如圖5Weather Wizard III可連接多個感測器進行多種風場環境監測,且可設定資料儲存的時間間隔,並能透過RS-232介面傳輸監測資料

分散式資料伺服器子系統與風場氣候子系統之通訊乃透過RS-232連線,PIC_Server下指令至Weather Wizard III,並由Weather Wizard III回傳即時氣候環境之感測值,傳回的字串有18個位元組,可從字串中正確取出所要的資料,如室內溫度、室外溫度、風速和風速等。目前風場氣候環境監測的監測項目中,將選擇較具重要性的風速、風向、與溫度進行監測,其量測範圍與精度如表2所示,待整體架構完成後再視需求增減監測項目。

5. Weather Wizard III

2. Weather Wizard III量測範圍與誤差

 

量測範圍

量測誤差

風向(度)

360°

± 1°

風力(m/s)

0.9 to 78 m/s

± 5%

溫度(° C)

-45° to 60° C

±0.5°C

(3) 電力調節機組監測子系統

在發電機運轉狀況監測的部份,將與電調節機組現有之多功能電子式電表DM2436AB(如圖6)結合,該電表是以16位元微處理器為計算核心,除可量測所有電力單位(V, A, W, VAR, PF, WH, VARH, Hz)外,還具有最大值、最小值量測,及設定值接點輸出等功能。而在傳輸介面上以業界泛用之MODBUS為通信協定,除RS-232外,亦有RS-485(本設計案例所使用)兩種規格進行傳輸。

MODBUS為法國MODICOM公司所開發出之通信協定,原本用在該公司所產之PLC及電錶,後經業界所廣泛採用。MODBUS通訊傳送模式為獨立的訊息和發送的編碼數據。當主站通訊指令發送至僕站群時,符合其位址碼的設備接受指令,並除去位址碼,經核對正確後,則執行指令,之後將執行結果返送給發送者。返送的訊息中包括位址碼、執行動作的功能碼、結果之數據及錯誤校驗碼。使用DDS監測多功能集合式電表DM2436AB之量測值,細節詳見「(2006-07-31) 以分散式資料伺服器連結多功能集合式電表DM2436AB」一文。

6. 多功能電子式電表DM2436AB

4.     網路監控介面設計

78為以VB程式開發之即時監測介面,監測發電機運轉的輸出(電壓、電流、功率因數、發電量)、風場的風向、風速、以及溫濕度。其他應用部分則是提供使用者獲得DDS上的MMC資訊,計算出一天的平均發電量、風向、風速、溫度等,程式也可以依照不同的需求提供客製化介面。本介面功能詳述如下。

(1)   即時資訊

此為使用者索取所有資料所需要的第一步驟,此區塊內主要顯示風力發電機之輸出電壓、電流、發電量、與風場環境之風速、風向、溫濕度的即時監測資料。如圖7,打開VB程式,即可與相對應IPDDS連線,登錄後,介面將顯示現在時間,並呈現即時的資料。

(2)   歷史資料

如圖8所示,選擇日期之後(如圖8中所示之626),再由下拉式選單「windpower 與「發電量」,按下「下載資料」鈕,並點選所需之資料(如發電量),按下SAVE,再按下繪圖鈕後,就可以在VB介面上看到當天電壓輸出的趨勢變化狀況。

7. 小型風力發電機即時監測介面

8. 小型風力發電機歷之史資料介面