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1、扬州大学本科生毕业设计工学学士学位论文基于组态王的风力发电机状态监测专业名称 电气工程及其自动化 学生姓名 郑士国 指导老师 张继勇 扬 州 大 学2012年5月摘要:针对我国目前电力资源短缺和当前可再生能源开发的迫切需要,大力发展风电，不仅是能源开发的需要，也是环境保护的需要。因此，对于风力发电机及其状态监测有着重要的现实意义。本文在分析和研究风力发电原理与应用的基础上，设计了一套完整的风力发电机实时监测方案并且付诸实现。本设计采用S7-200可编程控制器通过电压 、电流以及温度传感器进行数据采集，通过GPRS无线通讯进行数据传输，采用组态王软件对风力发电机的三相电压、三相电流、直流母线电压
2、、温度进行监测并完成故障异常报警，并存储历史数据进行数据分析等，最后证明该监测系统能够完成对整个风机的有效监测。关键词：风力发电，状态监测， PLC，组态王，GPRS Abstract:According to the current power shortage of resources and the need to tap renewable energy in China，developing the wind power vigorously is the need of energy development as well as the need for environment p
3、rotection. Therefore，the monitoring of the wind-driven generator and its monitoring holds greater practical significance.In this paper，a whole set of real-time monitoring of wind-driven generator scheme is designed and put into practice on the basis of analyzing and studying the principle and applic
4、ation of the wind power. This design adopts the machine of S7-200PLC.We use the voltage，current and the temperature sensor for data gathering，the GPRS wireless for data transmission. And the Kingview is adopted to monitor three-phase voltage，three-phase current，dc-bus voltage and temperature and to
5、realize failure exception alerts, together with storing data record for data analysis. And finally prove the surveillance system is capable of effectively monitoring the wind-driven generator.Keywords: wind-driven generator scheme, condition monitoring, PLC，Kingview, GPRS44目录第一章 绪论1一、 课题背景及研究意义1（一）、
6、风能的利用及发展前景1（二）、国内外风力发电状况1（三）、风力发电的优势及存在问题3二、 风力发电系统的发展及现状3三、本论文主要研究工作4第二章 研究课题概述5一、 研究对象概述5（一）、双馈风力发电机的组成及结构5（二）、双馈风力发电机的参数6（三）、研究对象及结果预计6二、 可编程控制器（PLC）概述7三、 组态王软件概述8四、无线通讯概述9第三章 风力发电机状态监测方案设计13一、监测系统总体设计13二、系统监测流程设计13第四章 风力发电机监测系统硬件设计15一、 PLC的硬件设计15（一）、PLC的选型15（二）、S7-200PLC的CPU选择16（三）、PLC的I/O口配置17（
7、四）、PLC端口进行设计17（五）、PLC的接线方案18（六）、扩展模块的选择19二、传感器的选型19（一）、电流传感器的选型19（二）、电压传感器的选型21（三）、温度传感器的选型22三、 GPRS选型23（一）、功能特性24（二）、技术规格24（三）、适用领域25第五章 监测系统的软件设计及调试27一、 PLC软件程序的设计及调试27二、 GPRS无线通讯传输的实现28（一）、将PPI通讯转变为自由端口模式28（二）、 GPRS的发送与接收PLC程序梯形图28（三）、 GPRS的参数设定30（四）、在组态王上设置GPRS的通讯口30三、组态王的界面的设计及显示35（一）、组态王6.52 软
8、件GPRS 通讯流程图35（二）、 组态王数据词典的定义及参数设定35（三）、组态王界面设计36第五章 总结38第六章 致谢40第七章 参考文献41第一章 绪论一、 课题背景及研究意义（一）、风能的利用及发展前景风能是指太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起各地温差和气压不同，导致空气运动而产生的能量。风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风能是最有发展前景的一种洁净能源，是一种绿色再生能源。它可以取之不尽，用之不竭。风能的利用，从古时候的风车开始发展到现在的风力发电，足
9、以说明人类科学技术的进步。进入 20 世纪以来，人们无节制的开采石油、煤炭、天然气等人们赖以生存的化石能源，不仅严重污染了我们的生存空间，而且破坏了自然环境。风能作为可再生能源，取之不尽，用之不竭，并且不受价格的影响，到 2003年 3 月，全球风力发电装机已超过 40GW（70%以上在欧洲），近几年每年都以 3040%的速度递增。由于技术设备越来越先进，成本会越来越低。去年风能发电平均每千瓦时的成本费用在强风区是 4 美分，弱风区为 6 美分。而 20 世纪 80 年代成本为 80美分。研究人员预计，随着技术设备的改善，成本还可以再减少 30到 50。目前我国投资超过 160 亿元的风能发电
10、计划已经出台，拟在全国范围选择 20 个 10 万千瓦以上的大型风电场。国外兆瓦级水平轴风力发电机组已经相当成熟，目前国内大都引进国外的技术，进行风场建设，对于国内自主创新，拥有自己的知识产权，具有相当大局限性。所以，国内目前有几家风电公司正在着力发展自主知识产权的垂直轴风力发电机组，以赶超和引领世界先进水平。（二）、国内外风力发电状况我国是世界上利用风力最早的国家之一，风能利用历史可追溯到公元前，但进行风力发电科研的工作起步较晚，风力发电在中国得到迅速发展是 20 世纪 80 年代的事情，至今已经建成了一大批风力发电场。自 20 世纪 60 年代初开始，我国先后研制了 100w、1kw、10
11、kw、55kw、220kw 的风力机几十种，从 70 年代末期我国开始自行开发多种微型（100w1kw）充电用的风电机组，并在牧区和海岛得到迅速推广，而且逐步形成产业，有些产品还销售到国外市场。我国六五期间贯彻小型为主方针，先后在内蒙、新疆、山东、青海、西藏、浙江、福建、江苏、甘肃、广西、辽宁、黑龙江等省、自治区建设了风能开发与研究试点工作。到 20 世纪 80 年代末，我国小型风机装机容量达 6.7 Mw，年发电量为 6.3 Gwh 时，中大型风力机的研究与制造也已逐步开始。目前，我国小型风力发电技术十分成熟，建设进展较快，特别是 5kw 以下机组的制造技术已成熟，并进行大量的推广使用，形成
12、批量生产。100、150、200、300、500w 及 1、2、5kw 的小型风力发电机，年生产能力达到 3 万台以上，销售量最大的是 100300w 的风电机组。我国大型风力发电机组的研究制造工作正在加快发展。中国一拖集团与西班牙电力公司，西安航空发动机公司与德国恩德公司联合分别生产了 660kw 的主发电机组，并已安装到辽宁营口风电场并网发电运行。另外，浙江运达风力设备厂生产出4 台 250 kw 发电机组，安装在广东南澳风电场运行。在我国，大型风电机组的主要部件在国内制造，其成本可比进口机组降低 20%30%，国产化是我国大型风力机发展的必然趋势。我国大型风电机组的国产化从 250300
13、 kw机组开始，发展到 600 kW。根据我国的生产水平和技术能力，大型风力机国产化是完全可行的。从风力发电场的建设历史来看，1986 年国家第一个风电场在山东荣城并网发电后，全国累计安装使用小型风力发电机组 19 万台以上，各地陆续引进机组并建设风电场，截止到现在，我国已建成一大批风电场，形成上百万千瓦的发电能力。在黑龙江省的富锦风电场中，单机容量已达到 960kw，使我国风力发电迈上了一个新台阶。在国外，风能开发利用在国外已经形成相当的规模，风力发电在德国、西班牙、丹麦、美国，还有印度等国家得到大规模的利用。相对中国而言，国外在风电开发利用上投入了大量的人力物力，尤其是欧美国家，早在 20
14、 世纪 70 年代发生世界能源危机时，就采取了政府补贴税收政策等刺激手段，鼓励风力发电事业。从世界风电场的情况看，无论是装机容量、成本投资、年发电量、运行费用及运行可靠性、稳定性等性能来衡量，200500kw 的中型机组都具有较大的竞争力。从自然环境看，我国占有优势地位。我国领土位于北半球中纬度上，幅员辽阔海岸线长，风力资源相当丰富。利用风力资源发电既能保证安全的能源供应，又能战胜全球气候变化，更有利于环境保护，我们要充分有效地利用风能自然资源为人类造福。（三）、风力发电的优势及存在问题 风力发电作为一种新能源在世界上得到了广泛的应用，尤其是在偏远的山区和内蒙古的大草原上等电力线路很难达到的地
15、方，常年平均风速达到一定的标准，非常适合建设不同型号和等级的风机，并且投资小，灵活方便。风能作为一种资源，具有多方面的使用价值，可以综合利用。当风力发电机单机运行发电时,安装地点可因地制宜,解决一家一户用电问题。当风力发电机并网运行发电时,它以最大的能量向电网输送电能。但是，风力发电也存在很多问题，如成本问题，发电效率问题以及控制问题，尤其是控制问题。并且大容量的发电需要并网，必须对发出的电进行监测，电流、电压、功率、频率、温度、相位角、电能质量等都是必须掌握的指标，这样有利用风力发电的控制以及数据分析，更加有利于风力发电的大力发展。二、 风力发电系统的发展及现状 风力发电装置一般由风轮、传动系统、发电机、储能设备、控制保护系统和塔架等组成。从结构上分，风力发电有横轴型风力发电机和垂直轴型风力发电机两种。风力发电，需要有较充足和稳定的风源。由于采用了叶顺浆机构或阻力装置，或是由安装在传动轴上的紧急制动闸等方式来实现自动保护，风力发电机的单机容量越来越大，技术水平越来越高，成本越来越低。水平轴风力发电机常见的是螺旋桨式风力机。这种风力机的翼形与飞机翼形相类似，为了提高起动性能，尽量减少空气动力
