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使用Android系统开发的风力涡轮机遥控器
概要：本文描述了使用Android设备在互联网上远程控制风力涡轮机系统的理论，即使用平板电脑或一部智能手机，和风力涡轮机工作站的一个LabVIEW程序，实现监控整个风力涡轮机能量转换系统（WECS）。Android设备连接到LabVIEW应用程序，作为风力涡轮机的远程接口。设备之间的通信需要被保护，因为他们之间通过互联网连接。因此，数据在通过网络发送之前被加密。传输的范围是通过远程控制软件设计的，能够通过安全连接传输可视化的实时风力涡轮机数据。由于WECS是完全自动化的，并且不存在人工操作员，因此需要开发无人值守系统植入涡轮机工作站。因此，设备不得要求计算机操作员进行任何确认就可以控制它。另一个条件是Android应用程序没有任何root要求。
介绍
远程学习实验室在远程监测技术的进步的支持下在学术界得到了普及。这使远程用户可以进行数据监控，电气测量，远程数据处理，远程存储，数据挖掘等操作。这种新颖的教学工具允许学生使用互联网连接从远程位置进行交互和观察。这个工具可以被视为传统教育方法的替代品。远程教育实验室可以通过多种不同的方法实现[1]。
文献介绍了使用LabVIEW远程面板，LabVIEW、Web服务，NI数据仪表板，Web套接字，共享变量或远程桌面服务的远程教育应用程序。以下是一些重要的例子[1]。斯坦福大学的光学实验室使用远程面板进行远程学习过程[2]。远程面板也用于哈特福德大学的ALTE实验室[3]和伊利诺伊大学的核工程实验实验室[4]。LabVIEW Web Services技术用于[5]实时晶体管测量，以及麻省理工学院[6]的在线微电子器件表征实验室。
这些技术的比较研究在[1]中进行，其中提出了太阳能电力实验的远程实验室。在[7]中，使用了Web套接字。本文描述了使用Android设备（智能手机或平板电脑）在互联网上远程控制远程微电网实验室。微电网实拟并网风能转换系统（WECS），所以系统改进越来越重要[8]。WECS还有一个工作站，其中包含一个LabVIEW程序，用于监视和控制工厂模拟中发生的所有事情。Android设备连接到LabVIEW应用程序，作为风力涡轮机的远程接口。系统的目的是通过移动设备进行远程测量，并分析两种技术解决方案，揭示了它们的优缺点[9]。
风能转换系统
基于可再生能源的小型发电系统已被证明是高效且具有成本效益的系统，减少了CO2 排放和一次能源使用，从而节省了能源。可再生能源技术的范围从水电等成熟的技术到混合系统等紧急系统[10]，[11]。
风能用于产生机械或电力。风力涡轮机是典型的部件，通过空气动力学设计的叶片将风能转换成机械能。风力涡轮机的功能是从风中捕获功率，但是，根据Betz理论，整个风能不能被涡轮机完全吸收。输出功率高度依赖于涡轮机的结构特征和特性，由功率系数，空气密度，风轮半径和风速等因素决定[10]，[12]。文献中提出了几种类型的风力涡轮机。两种最重要的类型是垂直轴风力涡轮机（VAWT）和水平轴风力涡轮机（HAWT）。HAWT是最常用的，能够在比VAWT更高的风速下运行[13]，[14]。
本文使用的风力涡轮机是一台5 kW固定螺距变速水平轴涡轮机;其特征如下表所示。
表1.风力涡轮机的参数名称 值
额定功率 5.5千瓦
额定风速 11 m/s
最大速度 126转
涡轮惯性 140公斤*米2
刀片席卷区域 19.6m2 涡轮叶片的半径 2.5m
标称尖端速度比 3
比空气密度 1.225千克/米3
风力涡轮机直接耦合到三相永磁同步发电机（PMSG）。这种布置提供高可靠性，高效率，低维护和低成本，被认为是风力发电的可行解决方案。这被作为变速涡轮机的风力涡轮机在连接到PMSG时允许在更宽的速度范围内运行的方案，从而使从涡轮机到发电机的功率收集更高 [10]。
PMSG是标准同步电机，其中直流励磁电路由永磁体代替，放置在转子表面上。因此，消除了转子中的电损耗并且改善了机器的热特性。此外，由于没有机械部件如刷子和滑环，这样就使机器更轻，物理尺寸更小，惯性矩更小，从而使功率重量比更高，这意味着更高的效率和可靠性[15]。因为有这些优点，所以永磁同步发电机是可行的。
风力涡轮机的缺点是：磁铁成本高，固定激励。由于没有励磁系统和相关的电压控制器，发电机输出电压是可变的，直接受转子速度的影响[10]。
该模拟器中使用的PMSG具有安装在转子表面上的磁体，是表面安装的永磁同步发电机（SPMSG）[16]，[17]。PMSG具有以下参数：
表2. PMSG的参数
名称 值
额定功率 5 KVA
额定电流 12 A
额定速度 120转
额定频率 32赫兹
极对数 16
永磁体助焊剂 1.32 Wb
PMSG输出电压和频率由机器速度决定，因此需要一个全额定功率转换器，以便与交流负载连接，交流负载需要固定的电压和频率。从涡轮系统获得的电能的转换基于AC / DC / AC转换系统。PMSG发电机、PVI-Wind接口和4000整流器（具有过压保护的三相整流器）连接到PVI-12.5-TL-OUTD-W风力逆变器（双级无变压器风力逆变器）。这两种设备均由ABB生产。ABB 4000-WIND-INTERFACE对交流电进行整流和滤波，从而产生直流输出以馈入逆变器。风接口通过外部信号控制风力逆变器的功率输出。风力逆变器使用的是非常精确的高速算法（MPPT），最大化的收集总能量。通过逆变器，风力涡轮机模拟器连接到主电网，其代表AC负载。整个系统构成风能转换系统（WECS）。将WECS集成到现有电网中可以节省成本并提高电源的可靠性[10]，[18]，[19]。设备的特性见表3。
表3.转换系统中使用的设备的特性
ABB风电逆变器ABB风接口输入压
直流 140-530（v） AC 400（V）
输入电流 32 (A) 16.6（A）输出电压 交流230（v） DC 600（V）输出电流 20 (A) 6 (A)
输出功率 4.2 (千瓦) 4 (千瓦)
WECS图如图1所示。
（风力涡轮模拟器）
（风力接口）
（风内转肌）
（交流母线）
（总闸）
图1.风能转换系统框图
风接口可以驱动外部导流负载电阻，在大风或缺少电网的情况下可以帮助涡轮机。这激活的电压在530 V [18]，[19]。
转换对系统的影响在功率与转速曲线上清晰可见。风力逆变器遵循最大功率点跟踪（MPPT）算法，在下面的图2中可以看到最大功率点。
图2.风速为5m / s时的功率与角速度特性
风力涡轮机系统在LabVIEW中进行仿真。此外LabVIEW程序还负责通过ABB ACS800驱动器控制7.5 kW三相鼠笼式感应电机。感应电机通过齿轮箱连接到上述PMSG。具有齿轮箱（GB）的感应电动机（IM）代表风力涡轮机等效物，驱动发电机就好像它一样连接到风力涡轮机本身。LabVIEW程序负责实时采集和监控WECS数据[11]。
LabVIEW应用程序前面板的视图如图3所示。
图3. LabVIEW应用程序的前面板
本研究的范围是远程控制软件的设计，该软件能够通过安全连接可视化实时风力涡轮机数据。用户与该系统的交互可以是远程的或在实验室中的[9]。
Android遥控器
Android是一款现成的，低成本，可定制的移动操作系统，由谷歌开发，用于智能手机，平板电脑，电视，汽车，手表，笔记本电脑，游戏机，数码相机等高科技触摸屏设备。使用专门的用户界面[20]。Android移动设备可以是远程参数监控的便捷方式。它还可以实现，远离微电网实验室的创建远程数据处理和分析的可能性的功能[9]。这种系统的框图如图4所示。
（从上至下依次为风能转换系统、工作站电脑和安卓端）
图4. Android远程控制系统的结构
为此目的使用了两种远程通信技术：LabVIEW Web服务和LabVIEW的远程控制框架。LabVIEW远程控制框架
用于LabVIEW的RCF（远程控制框架）TOOLS for SMART MINDS（T4SM）是一个功能强大的LabVIEW工具包，可将Android设备（如智能手机或平板电脑）转换为能够显示数据，图表，表格等的遥控器。 RCF为LabVIEW应用程序提供了一个面向移动设备的接口。RCF作为后台服务运行，收集来自连接客户端的请求，将这些请求发送到LabVIEW应用程序进行处理，检索结果并将其发布给客户端。RCF负责维护连接，验证请求并通知对Android界面的更改。连接受密码保护，数据以加密格式传输，经过优化以最大限度地减少消耗的频段。RCF仅向Android设备传递允许远程查看器查看的选定数据，而不是发布整个LabVIEW面板。这在安全性方面是一个优势，但在传输速度和Android存储功能方面也是如此。RFC还允许在Android智能手机和平板电脑上传输实时数据，这些设备成为负责监控微电网实验室的LabVIEW应用程序的远程控制[21]。
测量系统的原理图如图5所示。
图5.带有LabVIEW代码的RCF系统图
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- LabVIEW数据仪表板
LabVIEW的数据仪表板。是一个移动应用程序，可以创建NI LabVIEW应用程序的自定义视图。应用程序可以从iOS和Android移动设备远程监视和控制LabVIEW应用程序。用户可以从Android平板电脑或智能手机监控LabVIEW界面。还可以查看实时测量数据。通过网络读取/写入数据，实现监控和控制[22]。
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- 共享变量。使用共享变量时，应用程序中使用的输入和输出数据是网络发布的共享变量。它们可以读取和写入主机系统的数据。这里使用的单进程共享变量类似于LabVIEW全局变量。共享变量通过基于TCP的网络通信操作的LabVIEW共享变量引擎（SVE）与主机应用程序交互。
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Data Dashboard应用程序在从服务器接收信息时更新，更新通过发布订阅协议（NI-PSP）处理。NI发布和订阅协议（NI-PSP）是一种网络协议，经过优化，可以作为网络共享变量的传输[8]，[23]和[24]。共享变量支持原始数据类型（数字双打，布尔值和字符串）以及那些原始数据类型的数组。缺点是在选择要共享的数据时缺乏必须考虑移动设备的有限资源。加密通过共享变量发送的数据的方法。优点是方法的简单性和鲁棒性[8]。使用共享变量时，LabVIEW程序的框图如图6所示。
图6. LabVIEW程序的框图
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资料编号：[2192]
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- LabVIEW Web服务。LabVIEW Web服务需要安装Microsoft Silverlight 4.0。此工具提供了创建用户界面的方法。但是，有关前面板对象的数量和类型及其功能的限制仍有待评估[1]，[9]。通过使用安全的LabVIEW Web服务，仪表板用户使用ID和密码进行登录以进行授权，并使用数字API密钥访问应用程序。LabVIEW不支持内置加密，但确实使用数字签名。客户端和LabVIEW Web服务之间的安全请求是以未加密或“明确”的方式发送的，但是“数字签名”，其密钥只能由授权的应用程序知道。因此，LabVIEW Web服务安全性是通过验证签名来验证请求是由具有访问所请求资源的授权的应用程序创建的。Web服务的API安全密钥仅允许随附的请求特定的密钥访问数据。LabVIEW的密钥生成算法创建了一个高度随机化的字符串。在运行时，Web服务运行时引擎会在每个请求到达时检查它们，查找“数字签名”。如果运行时未找到数字签名，则会自动拒绝该请求。如果找到数字签名，则计算该请求的签名应该是什么，并比较两个字符串。如果两者不匹配，请求被拒绝[22]，[25]。
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