CN109596175A - 一种风电塔筒倾斜和晃动在线监测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电塔筒倾斜和晃动在线监测***，包括处理器、显示器、采集器、位于塔基的一个倾角传感器、位于塔筒的至少一个倾角传感器，位于塔舱的一个倾角传感器和位于塔舱的至少一个加速度传感器，倾角传感器和加速度传感器通过线缆连接采集器，采集器用于采集所有倾角传感器的角度数据和所有加速度传感器的加速度数据，并发送给处理器；处理器用于根据角度数据和加速度数据计算出实时特征值，并将实时特征值存储在存储器，当实时特征值大于或者等于其对应的门限时，进行报警，并利用加权平均模型实现预警功能。

Description

一种风电塔筒倾斜和晃动在线监测***

技术领域

本发明涉及风电塔筒在线监测领域，尤其涉及一种风电塔筒倾斜和晃动在线监测***。

背景技术

风力塔筒是风力发电装置的重要受力部件之一。风电塔筒的正常工作状态是风力发电机组正常发电的基本保证。风电塔筒的倾斜、振动等问题，如超过了一定程度，往往会引起塔筒的倒塌、折断等严重事故，殃及人员安全，造成重大的财务损失。

而目前针对塔筒状态监测的一些方法和***不满足塔筒监测的需求，这些***和方法往往费时费力、监测精度低等缺点。因此需要一种新型的***及方法，对塔筒的状态进行实时监测，减少塔筒安全事故的发生。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有技术中存在的上述不足之处。

为实现上述目的，本发明提供一种风电塔筒倾斜和晃动在线监测***，包括数据采集单元和数据处理单元；数据采集单元包括采集器、位于塔基的一个倾角传感器、位于塔筒的至少一个倾角传感器，位于塔舱的一个倾角传感器和位于塔舱的至少一个加速度传感器，其中，采集器位于塔内任何位置，倾角传感器和加速度传感器通过线缆连接采集器；数据处理单元至少包括处理器和存储器；采集器用于采集所有倾角传感器的角度数据和所有加速度传感器的加速度数据，并发送给处理器；处理器用于根据角度数据和加速度数据计算出实时特征值，并将实时特征值存储在存储器，实时特征值包括实时塔基倾斜系数和塔筒晃动值；处理器从存储器中提取历史数据，并根据实时历史数据计算在不同的风速区间内塔筒的塔筒晃动值的平均值，将平均值的1.5-3倍作为塔筒晃动值的报警门限，并存储在存储器中，历史数据至少包括一段时间内的塔筒晃动值和在时间段内塔筒晃动值所对应的风速；在第一条件或者第二条件中任一条件成立时，处理器进行报警，其中，第一条件为塔筒晃动值大于或者等于塔筒晃动值的报警门限，第二条件为实时塔基倾斜系数大于或者等于预先存储在存储器中的实时塔基倾斜系数的报警门限。

优选地，处理器还用于通过从存储器中取出塔基沉降系数，利用加权平均模型，确定模型系数、塔基沉降系数与时间的关系，依据加权平均模型，当在预测时间内某一时刻的塔基沉降系数大于或者等于该时刻的报警门限时，处理器自动发出警报。

优选地，风电塔筒倾斜和晃动在线监测***还包括显示器，该显示器用于显示实时特征值。

进一步优选地，显示器还用于显示历史特征值，以及提供历史数据查询功能。

优选地，当倾角传感器或者加速度传感器的输出信号为模拟信号，采集单元还包括模数转换器，模数转换器将模拟信号转换为数字信号。

优选地，采集器具有多路RS-485或RS-232接口转网口功能。

优选地，倾角传感器的输出接口为RS-485或RS-232，精度高于0.02°。

优选地，加速度传感器的频率测量范围的最低频率为0.1Hz。

优选地，采集器的型号为ZQWL-EthRS-H4。

优选地，倾角传感器的型号为BWM826、BWH520或者AI S2000。

优选地，加速度传感器的型号为WT135-1D或者CAYD149V-500G。

本发明的有益效果：具有对传感器的实时数据进行采集、数据进行处理、数据存储功能和数据传输功能；能通过采集到传感器的数据计算塔筒的塔基倾斜系数及塔筒晃动位移；***对采集到的风塔的进行大数据分析，提取特征值报警门限，具有实时报警功能，并且通过报警预测模型实现提前报警功能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种风电塔筒中传感器的具体实施安装图的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种风电塔筒倾斜和晃动在线监测***的传感器安装的俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种风电塔筒倾斜和晃动在线监测***的塔筒简化示意图；

图4为本发明实施例提供的一种风电塔筒倾斜和晃动在线监测***框架图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1-4，本发明实施例提供一种风电塔筒倾斜和晃动在线监测***，包括数据采集单元和数据处理单元。

输入采集单元包括采集器30、倾角传感器组10和加速度传感器组20，具体包括1个采集器、位于塔基的1个倾角传感器、位于塔筒的至少1个倾角传感器、位于塔舱的1个倾角度传感器和位于塔舱的至少1个加速度传感器。其中，采集器可以位于塔内任何位置。

倾角传感器和加速度传感器通过线缆连接到采集器上，一方面，倾角传感器和加速度传感器采集的数据需要通过采集器发送给处理器40进行计算，另一方面，采集器30对于各个传感器采集数据的时间误差进行控制，保证时间误差在一个合理的范围内。

无论是倾角传感器还是加速度传感器，由于型号的不同，采集数据后的输出量有可能会是数字信号，有可能会是模拟信号，当如果是数字信号，可以直接发送给采集器，但是如果输出是模拟信号，需要增加一个模数转换器将传感器输出的模拟信号转化为数字信号，再发给采集器。

在一个示例中，采集器可以选用智嵌物联公司的ZQWL-EthRS-H4。

在一个示例中，倾角传感器可以选用北微传感科技的BWM826。

在一个示例中，倾角传感器可以选用北微传感科技的BWH520。

在一个示例中，倾角传感器可以选用无锡慧联信息科技有限公司的AIS2000。

在一个示例中，加速度传感器可以选用CTC公司的WT135-1D。

在一个示例中，加速度传感器可以选用Niell公司的CAYD149V-500G。

在一个示例中，采集器具有多路RS-485或RS-232接口转网口功能。

在一个示例中，倾角传感器的输出接口为RS-485或RS-232，精度高于0.02°。

在一个示例中，加速度传感器的频率测量范围的最低频率为0.1Hz。

本发明实施例中倾角传感器的型号，主要是由监测的精度决定，这些倾角传感器用于监测塔筒的倾斜及塔筒本身的变形导致的塔筒顶端的位移以及用于受外力作用引起的晃动，根据设计需求，倾角传感器的数量和型号是可以改变的。倾角传感器的数量越多，测量的结果越准确。

加速度传感器的型号，由塔筒的测量精度决定，这些加速度传感器用于监测塔筒当前的晃动周期，根据设计需求，加速度传感器的数量和型号是可以改变的。

在一个示例中，传感器为双轴倾角传感器，双轴方向为X方向和Y方向，此两个方向一个平面上，且相互垂直。

上述的传感器的安装位置如图2所示，安装于塔筒垂直的平面上，且其x方向传感器中心线或者y方向的传感器中心线对准塔筒轴中心的任何位置。

数据处理单元至少包括处理器40和存储器50。

下面介绍工作原理

实时塔基倾斜系数只和位于塔基的倾角传感器相关。

实时塔基倾斜系数由以下公式计算得到：

其中，α_x和α_y分别为位于塔基上倾角传感器在x方向和y方向的与水平面的夹角。该倾斜系数作为一个特征值存储于数据库中。

应当理解，任何和γ正相关的函数，都可以作为代替去γ计算，不会影响最终结果。

实时位移和所有倾角传感器的都相关，假设一共有N个倾角传感器，从下到上依次为第1个倾角传感器、第2个倾角传感器，...，第N个倾角传感器，安装第n个倾角传感器的水平面与塔筒的中轴线相交于p点，塔筒的中轴线在p点与垂直方向的夹角为θ_n，其中，n＝1，2，...，N。

塔筒晃动发生弯曲的几何简化模型如图3所示，该模型可以简化为空心圆悬梁臂，根据材料力学，其在传感器Sn为中心的水平方向的位移为，第n个倾角传感器的位移为

其中，n＝1

其中,n＝2,3,...,N-1

其中，n＝N

其中，H_n-1为第(n-1)个倾角传感器与第n个倾角传感器之间的高度差。

L_n其在x方向的水平位移为：

L_nx＝L_ncos(θ_n)tan(a_nx)

L_n在y方向的水平位移为：

L_ny＝L_ncos(θ_n)tan(a_ny)

其中，a_nx为第n个倾角传感器在x轴方向与水平面的倾角，a_ny为第n个倾角传感器在y轴方向与水平面的倾角

最后，塔舱的实时位移为：

其中n＝1,2,3,...,N-1,N。

H_n-1都是提前输入到存储器中的，θ_n既可以测得，也可以通过a_nx和a_ny计算得到，θ_n和、a_nx、a_ny的关系如下

这个公式适用于每个倾角传感器。

示例性的，图1中，塔基有1个倾角传感器101，塔筒有2个倾角传感器，分别为倾角传感器102和倾角传感器103，塔舱有1个倾角传感器104和1个加速度传感器105，并且按照图2定义在水平面上的正东方向为x方向，正北方向为y方向。由于实时塔基倾斜系数只和位于塔基的倾角传感器相关，所以在图1中，实时塔基倾斜系数为：

其中，α_1x和α_1y分别为位于塔基上的倾角传感器101在x方向和y方向的与水平面的夹角。

传感器101的位移为：

传感器102的位移为：

传感器103的位移为：

传感器104的位移为：

塔舱的实时位移为

应当理解，根据设计需求，上述倾角传感器的个数和加速度传感器的个数都是可以改变的。

对加速度传感器的加速度进行处理，计算得到当前的塔筒晃动的周期T，

其中，g_n为加速度传感器的输出值，FFT为快速傅里叶变换。

周期T内的L的最大值L_max为塔筒晃动值。

该塔筒晃动值L_max作为一个特征值存储于数据库中。

工作过程：

采集器30接收所有倾角传感器组10的角度数据和所有加速度传感器组20的加速度数据，并发送给处理器40，这里的角度数据至少包括a_nx和a_ny，这里的加速度数据包括测得的加速度。

依据前面提到的公式，根据角度数据和加速度数据，处理器40计算出实时特征值，并将实时特征值存储在存储器50中，实时特征值包括实时塔基倾斜系数和塔筒晃动值。

处理器40计算塔筒晃动值的报警门限。处理器40从存储器中的数据库中提取塔筒晃动值的历史数据，并根据一段时间内的塔筒晃动值的历史数据和风速的历史数据，计算在不同的风速区间内塔筒的塔筒晃动值的平均值，然后以此平均值的1.5-3倍作为塔筒晃动值的报警门限。而实时塔基倾斜系数的报警门限是提前输入到存储器50中的。

处理器40比较报警门限和实时特征值，当实时特征值大于或者等于报警门限时，发出报警信号。这里的实时特征值包括实时塔基倾斜系数和塔筒晃动值，这两个实时特征值有任何一个大于或者等于报警门限都会进行报警。

在一个示例中，上述处理器40还具备预测报警功能：处理器40从存储器50中提取塔基沉降系数以及这段时间内的风速的历史数据，利用加权平均模型，确定模型系数，其模型如下：

VT’A＝R

其中:

V＝[v₁,v₂,...,v_n]，为这段时间内的风速；

T＝[t₁,t₂,...,t_n]，为这段时间内的时间间隔；

T’为T的转置；

A＝[a₁,a₂,...,a_n]，为模型系数；

R＝[γ₁,γ₂,...,γ_n]，为这段时间内的塔基沉降系数，γ₁、γ₂、...、γ_n为不同时刻的塔基倾斜系数；

计算得到该模型的系数，根据此模型，当在预测时间内某一时刻的塔基沉降系数大于或者等于报警门限时，处理器40自动发出警报，通知工作人员及时采取补救措施，从而实现预测报警目的，这里的报警门限和前面提前输入到存储器中的实时塔基倾斜系数的报警门限是同一个值。

在一个示例中，实时塔基倾斜系数的报警门限为0.01-0.05。

在一个示例中，上述风电塔筒倾斜和晃动在线监测***还包括显示器60，将实时特征值通过堆积散点图、实时罗盘图显示出来，可以直观的观察到当前塔筒的倾斜状况，从而做出很好的判断，达到实时监测塔筒状态的目的。

在一个示例中，上述显示器60还可以显示特征值的历史趋势、特征值数据在不同时间段的对比显示，以及提供历史数据查询功能。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风电塔筒倾斜和晃动在线监测***，其特征在于，包括数据采集单元和数据处理单元；

所述数据采集单元包括采集器、位于塔基的一个倾角传感器、位于塔筒的至少一个倾角传感器，位于塔舱的一个倾角传感器和位于塔舱的至少一个加速度传感器，其中，所述采集器位于塔内任何位置，所述倾角传感器和所述加速度传感器通过线缆连接所述采集器；

所述数据处理单元至少包括处理器和存储器；

所述采集器用于采集所有倾角传感器的角度数据和所有加速度传感器的加速度数据，并发送给所述处理器；

所述处理器用于根据所述角度数据和所述加速度数据计算出实时特征值，并将实时特征值存储在所述存储器，所述实时特征值包括实时塔基倾斜系数和塔筒晃动值；

所述处理器从存储器中提取历史数据，并根据实时历史数据计算在不同的风速区间内塔筒的塔筒晃动值的平均值，将所述平均值的1.5-3倍作为所述塔筒晃动值的报警门限，并存储在所述存储器中，所述历史数据至少包括一段时间内的塔筒晃动值和在所述时间段内所述塔筒晃动值所对应的风速；

在第一条件或者第二条件中任一条件成立时，处理器进行报警，其中，所述第一条件为塔筒晃动值大于或者等于所述塔筒晃动值的报警门限，第二条件为所述实时塔基倾斜系数大于或者等于预先存储在所述存储器中的实时塔基倾斜系数的报警门限。

2.根据权利要求1所述的风电塔筒倾斜和晃动在线监测***，其特征在于，所述处理器还用于通过从存储器中取出塔基沉降系数，利用加权平均模型，确定模型系数、塔基沉降系数与时间的关系，依据所述加权平均模型，当在预测时间内某一时刻的塔基沉降系数大于或者等于该时刻的报警门限时，所述处理器自动发出警报。

3.根据权利要求1所述的风电塔筒倾斜和晃动在线监测***，其特征在于，还包括显示器，所述显示器用于显示所述实时特征值。

4.根据权利要求3所述的风电塔筒倾斜和晃动在线监测***，其特征在于，所述显示器还用于显示历史特征值，以及提供历史数据查询功能。

5.根据权利要求1所述的风电塔筒倾斜和晃动在线监测***，其特征在于，当所述倾角传感器或者加速度传感器的输出信号为模拟信号，所述采集单元还包括模数转换器，所述模数转换器将所述模拟信号转换为数字信号。

6.根据权利要求1所述的风电塔筒倾斜和晃动在线监测***，其特征在于，所述采集器具有多路RS-485或RS-232接口转网口功能。

7.根据权利要求1所述的风电塔筒倾斜和晃动在线监测***，其特征在于，所述倾角传感器的输出接口为RS-485或RS-232，精度高于0.02°。

8.根据权利要求1所述的风电塔筒倾斜和晃动在线监测***，其特征在于，所述加速度传感器的频率测量范围的最低频率为0.1Hz。