一种风机的塔架净空监测系统及监测方法与流程

本发明涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种风机的塔架净空监测系统及监测方法。

背景技术：

风力发电机组是将风能转化为电能的装置，其原理是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。在风力发电机组中叶片的设计直接影响风能的转换效率，进而影响其年发电量，是风能利用的重要一环，尤其是，风力发电平价时代的到来，要求风机叶片越长越好，但风机叶片越长则刚度越小，导致风机运行时风机叶片变形增大，塔架净空值(所谓塔架净空值是指风机叶片扫过塔架所在垂直面时叶尖至塔架壁的直线距离)受风况的影响增大，导致叶片与塔架碰撞，致使叶片和/或塔架发生断裂。

现有技术中，可以通过录像分析方法检测风力发电机组的塔架净空值，但该方法受光照限制较大，且无法直接测量净空值，需要对图像进行识别和处理，分析比较复杂，精度难以保证，对分析设备性能要求较高。

此外，还有在塔架外壁或叶片叶尖部安装测距仪的方法，测距仪可直接测得叶尖与塔架的距离得到净空值，但在实际应用中，该方法还面临着测距仪的安装、维护和引线困难，同时在风叶转动时，测距仪也会对机组本身产生影响，导致最终得到的净空值不准确而无法为叶片运转的安全性提供依据。

技术实现要素：

本发明解决的问题是现有方法中存在的精度难以保证和安装维护困难等之中的至少一个技术问题。

为解决上述问题，本发明提供一种风机的塔架净空监测系统，包括测距装置和处理装置，所述测距装置与所述处理装置电连接，所述测距装置用于设置于风机的正前方，且所述测距装置用于投射测距信号至所述风机的叶片的运动外轮廓的底端，或经所述底端至所述风机的塔架上；所述处理装置用于根据所述测距信号确定所述风机的塔架净空信息。

由此，通过在风力发电机组的前方设置测距装置，避免了安装或维护等困难，通过测距装置在每次测量时发射的多个测距信号，并根据测距信号投射在叶片的运动外轮廓的底端以及经叶片的运动外轮廓的底端至所述风机的塔架上，便于获取测距装置与塔架以及叶片的运动外轮廓的底端之间的距离，由此，与测距装置电连接的处理装置能够根据所述测距信号最终计算得到该叶片的塔架净空值，确认叶片运转是否安全。

进一步地，所述测距装置至所述底端的连线与水平面间呈标定夹角，所述标定夹角的开口方向朝向所述风机；

所述处理装置用于根据所述测距信号和所述标定夹角确定所述风机的塔架净空信息。

由此，测距装置至风机的叶片的运动外轮廓的底端的连线与水平面呈一定的夹角，处理装置能够通过该夹角和测距信号准确的获取塔架净空信息。

进一步地，所述测距信号包括所述测距装置经所述底端至所述塔架的第一直线距离以及所述测距装置至所述底端的第二直线距离；

所述处理装置用于根据所述第一直线距离、所述第二直线距离和所述标定夹角确定所述风机的塔架净空信息。

由此，处理装置能够通过第一直线距离、第二直线距离和该夹角更加精准地提高塔架净空信息。

进一步地，所述处理装置用于根据第一公式确定所述风机的塔架净空信息，所述第一公式包括：

t＝s×cosα，

s＝s1-s2；

其中，t为标定时刻的塔架净空值，α为所述标定夹角，s1为所述第一直线距离，s2为所述第二直线距离。

由此，在叶片转动时，由于风力发电机组振动失稳，会导致叶片尖部与塔架的距离降低，通过上述公式计算出的净空值能够准确的测出多组叶片不同时刻的塔架净空值，为叶片运转提供安全性保障。

进一步地，所述处理装置还用于：

获取与所述标定时刻的塔架净空值对应的风速值；

根据多组对应的所述塔架净空值和所述风速值生成净空-风速曲线。

由此，处理装置能够根据塔架净空值以及获取该净空值对应的风速值，最终拟合成净空-风速曲线，为风机的安全运转提供准确依据。

进一步地，所述处理装置还用于：基于所述净空-风速曲线，分析所述风机的塔架净空是否合格。

由此，通过净空-风速曲线，可确认风机的塔架净空值是否合格，进而确认风机叶片运转是否安全。

进一步地，所述处理装置还用于：

根据所述净空-风速曲线分析多组对应的所述塔架净空值是否处于第一预设值内或分析多组对应的所述塔架净空值之间的差值是否处于第二预设值内；

基于分析结果，确定所述风机的塔架净空是否合格。

由此，由于风力发电机组各叶片的塔架净空值直接影响整个风力发电机组的转动，故需确认每个叶片的塔架净空值以及每个叶片之间的塔架净空值的差值是否合格。

进一步地，该系统还包括支撑装置，所述支撑装置用于支撑所述测距装置，所述支撑装置包括水平仪以确定所述标定夹角。

由此，支撑装置便于保持测距装置的稳定性。

进一步地，所述测距装置为激光测距装置。

由此，激光测距装置能够在较差环境下工作。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种风机的塔架净空监测方法，包括：

根据来自测距装置的测距信号确定风机的塔架净空信息，其中，所述测距装置用于设置于所述风机的正前方，且所述测距装置用于投射所述测距信号至所述风机的叶片的运动外轮廓的底端，或经所述底端至所述风机的塔架上。

由此，通过在风力发电机组的前方设置测距装置，避免了安装或维护等困难，通过测距装置以不同角度发射的多个测距信号，并根据测距信号投射在叶片的运动外轮廓的底端以及叶片的运动外轮廓的底端底端至所述风机的塔架上，由此，能够根据所述测距信号最终计算得到该叶片的塔架净空值，确认叶片运转是否安全。

相比于现有技术，所述风机的塔架净空监测方法所具有的有益效果与所述风机的塔架净空监测系统相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例的风机的塔架净空监测系统的示意图；

图2为本发明实施例的测距装置的测距结果示意图；

图3为本发明实施例的不同风速下，各叶片的净空-风速测试数据结果图；

图4为本发明实施例验证测距装置下的三脚架水平仪准确性的测试结果图；

图5为本发明实施例的塔架净空监测方法的流程示意图；

图6为本发明实施例的塔架净空监测方法的具体流程图；

图7为本发明实施例的4-13.5m/s风速下，各叶片的净空-风速拟合曲线图；

图8为本发明实施例的8-10.5m/s风速下，各叶片的净空-风速拟合曲线图。

具体实施方式

风力发电机组的叶片通常安装在塔架前方，如果安装在塔架下风向(塔架后面)位置，叶片运动到塔架位置的话，由于塔架后面的湍流区域，单个叶片载荷变化会较大，致使三支叶片受力差距增大，导致风机的振动会更加明显。当然叶片安装在塔架下风向位置也存在，但目前只有叶片过大导致净空不能满足才会将叶片安装在塔架下风向，本发明主要以叶片安装在塔架前方进行阐述，但并不代表本发明的风机的塔架净空监测系统不适用于叶片安装在塔架的下风向的风机。

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详尽地描述。在本发明实施例的描述中，术语“一些具体实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，a/b可以表示a或b；文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以有三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独有a，同时有a和b，单独有b这三种情况。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

请结合参见图1和图2，本发明实施例的一种风机的塔架净空监测系统，包括测距装置3和处理装置，测距装置3与处理装置电连接，测距装置3用于设置于风机的正前方，且测距装置3用于投射测距信号至风机的叶片2的运动外轮廓的底端，或经该底端至风机的塔架1上；该处理装置用于根据测距信号确定风机的塔架净空信息。

目前，风力发电机组(简称风机)最常见的就是具有三支叶片，具有三支叶片的风机具有较好的动平衡，不易产生振荡，减少轴承的磨损，从而能够降低维修成本。本实施例中主要以具有三支叶片的风机进行详细阐述，当然，但本发明并不仅限于此，也可以适用于具有其他数量叶片的风力发电机组。

可选地，该测距装置3至该底端的连线与水平面间呈标定夹角，该标定夹角的开口方向朝向所述风机；

处理装置具体用于根据测距信号和标定夹角确定风机的塔架净空信息。

测距信号包括测距装置3经该底端至塔架的第一直线距离s1以及测距装置3至该底端的第二直线距离s2；

处理装置具体用于根据第一直线距离s1、第二直线距离s2和标定夹角α确定风机的塔架净空信息。

具体地，在风机的前方设置测距装置3，测距装置3单次测量时发射多个测距信号，测距装置3多次测量时，每次测量间可以以不同角度发射多个测距信号，部分测距信号至所述风机的叶片2的运动外轮廓的底端以及另一部分测距信号经所述底端至风机的塔架1上，通过测距信号以获取测距装置3至塔架1之间的第一直线距离s1以及测距装置3与至风机的叶片2的运动外轮廓的底端之间的第二直线距离s2。

由此，通过在风机的前方设置测距装置3，避免了安装或维护等困难，这里，测距装置3与风机之间的距离范围为50-200m，便于测得的结果数据准确。如测距装置3与风机之间的距离小于50m，则测距装置3与风机过近，影响风机运行；如测距装置3与风机之间距离大于200，则测距装置3距离风机距离过远，易导致测量的结果出现误差。

较佳地，测距装置3为红外测距装置、激光测距装置、超声波测距装置的一种。优选地，测距装置3为激光测距装置，该激光测距装置通常在较差的环境下工作良好，因为聚焦的光会“穿过”灰尘。聚焦光束还可以实现较长的感应距离，并可以通过小开口检测小物体或目标，以下均使用该激光测距装置进行详细阐述；激光测距装置分为单线激光测距装置和多线测距装置，当激光测距装置为单线激光测距装置时，由于风机在不停的转动，且激光测距装置发射的光束仅为单线，故需要发射多个测距信号，才能获取到测距装置3至塔架1之间的第一直线距离s1以及测距装置3与至风机的叶片2的运动外轮廓的底端之间的第二直线距离s2；同理，当激光测距装置为多线激光测距装置时，由于风机在不停的转动，为了保证能够准确获取上述第一直线距离s1和第二直线距离s2，则多线激光测距装置也需要发射多个测距信号。

可选地，该激光测距装置下方设置有支撑装置，该支撑装置用于支撑测距装置3，支撑装置包括水平仪以确定所述标定夹角。带有水平仪三脚架可以确保激光测距装置稳定地锁定在一个位置，便于选择角度并可维持同一角度作长时间工作，大大减低激光测距装置的抖动幅度，令得到的数据更加准确，还需要说明的是，由于该激光测距装置经常处于不同风速的情况中，由此需要将该激光测距装置与三脚架进行紧密固定，以及需要将三脚架与地面进行牢牢固定，使其能够抗至少十级大风，防止其在大风中被刮飞，造成损失。具体地将该激光测距装置与三脚架固定以及三脚架与地面固定可参照高速公路中摄像头的固定方式也可，但凡是能够将该激光测距装置与三脚架固定以及三脚架与地面固定的方式均可，本发明不做具体限定。

需要说明的是，测距装置3可包括一个或多个激光测距装置，当测距装置3为一个激光测距装置，且激光测距装置单次测量时，激光测距装置需要以同一角度发射多个测距信号，部分测距信号至所述风机的叶片2的运动外轮廓的底端以及另一部分测距信号经所述底端至风机的塔架1上；当测距装置3为一个激光测距装置，且激光测距装置多次测量时，激光测距装置可以以同一角度发射多个测距信号或可以以部分或全部不同角度发射多个测距信号，所谓“单次测量”为一次完整的测量全过程。

当测距装置3为多个激光测距装置时，每个激光测距装置设置参数均相同，其中参数包括：仰角度、发射频率、测量距离、测量精度、工作温度等；每个激光测距装置可分别通过测距信号以获取通过测距信号以获取测距装置3至塔架1之间的第一直线距离s1以及测距装置3与至风机的叶片2的运动外轮廓的底端之间的第二直线距离s2；举例说明：当测距装置3为2个激光测距装置时，第一个激光测距装置通过测距信号以获取测距装置3至塔架1之间的第一直线距离s1，第二个激光测距装置通过测距信号以获取测距装置3与至风机的叶片2的运动外轮廓的底端之间的第二直线距离s2，最终通过处理装置确定塔架净空信息。

如图4所示，在该激光测距装置开始使用前，需验证三脚架水平仪准确性，将2个激光测距装置置于三脚架上，调整一个激光测距装置仰角为29.86°，另一个激光测距装置仰角为0°。测试界面如图4所示，仰角为29.86°的激光测距为179m，仰角为0°的激光测距为156m，179×cos29.86≈156，故设备三脚架水平仪可正常使用。

可选地，处理装置具体还用于根据第一公式确定风机的塔架净空信息，第一公式包括：

t＝s×cosα，

s＝s1-s2；

其中，t为标定时刻的塔架净空值，α为所述标定夹角，s1为所述第一直线距离，s2为所述第二直线距离。

由此，在叶片2转动时，由于风机振动失去稳定性，会导致叶片2的尖部与塔架1的距离降低，通过上述公式计算出的净空值能够准确的测出各叶片的塔架净空值，为各叶片的运转提供安全性保障，可参见表1为激光测距装置与风力发电机组之间的不同距离对应净空值的数据结果。

表1

需要说明的是，上述表1仅举例说明，凡是在50-200m之间的距离均可，通过表1可知，激光测距装置与风力发电机组之间的设置距离不同情况下，通过上述公式，计算同一支叶片，在风机机组运行时的最终净空值，通过结果能够看出激光测距装置与风机之间的距离设置在50-200m范围内，由此表明上述公式均能够有效测得净空值。

处理装置具体还用于：

获取与标定时刻的塔架净空值对应的风速值；

根据多组对应的塔架净空值和风速值生成净空-风速曲线。

通过净空-风速测试曲线提前评估出叶片2“扫塔”的风险并作出合理的控制动作，所谓“扫塔”，叶片与塔架相碰，造成叶片和塔架断裂。

基于所述净空-风速曲线，分析风机的塔架净空是否合格，从而确认风机叶片运转是否安全。

根据所述净空-风速曲线分析多组对应的塔架净空值是否处于第一预设值内或分析多组对应的塔架净空值之间的差值是否处于第二预设值内；

基于分析结果，确定塔架净空是否合格。

由于风力发电机组各叶片的塔架净空值直接影响整个风机的转动，故需确认每个叶片的塔架净空值是否合格，如其中一个风叶的塔架净空值不合格，则需要停机排查，防止风力发电机组运转时发生“扫塔”，造成极大损失各叶片之间的塔架净空值的偏差也需要在第二预设值内，超过此预设范围，则影响整个风机的运行，需要重新校准叶片零位。

现对于现有技术而言，本发明只需要在风力发电机组的外围进行操作，且测距装置3安装简单，调试方便，可操作性高，而且本发明的干扰因素少，测试精度较高。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的塔架净空监测系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明另一实施例提供了一种风机的塔架净空监测方法，包括根据来自测距装置3的测距信号确定风机的塔架净空信息，其中，测距装置3用于设置于风机的正前方，且所述测距装置3用于投射测距信号至风机的叶片2的运动外轮廓的底端，或经底端至风机的塔架1上。

下面请参照图5介绍基于图1所示的测距装置3来确认风机的塔架净空监测方法的步骤流程。

一些具体地实施例，本实施例基于上述处理装置实现，如图5所示，步骤s1，获取实时风速；

作为示例，本发明使用solutioncenter软件对风机时间、风速、功率、频率等数据进行录波，录波是一种基于故障录波信息的调度端电网故障诊断系统，故障录波器主要用于电力系统，可在系统发生故障时，自动地、准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较、对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。当然，由于故障录波器或故障录波器中存储的录波文件因风机的机型和风机厂家的不同而不同，具体地可根据风机的型号和风机厂家进行录波并获取相关数据即可。

这里需要说明的是，为方便数据处理，录波的频率与激光测距装置发射的频率需保持一致，具体地，激光测距装置发射的频率大于或等于500hz,由于叶片2的叶尖弦长小，在风力发电机组工作时，叶片2的转动较快，故需对激光测距装置发射的频率有严格的规定，激光测距装置发射的频率越高，说明激光测距装置工作越快，举例说明：激光测距装置的频率是500hz，说明一秒钟可以得到500个测量数值；相对于快速移动的被测物体，激光测距装置发射的频率越高，数据丢失的概率越小。

步骤s2，根据第二直线距离s2、第一直线距离s1和标定夹角α以得到实时风速下的叶片2的塔架净空值；

具体地，由于激光测距装置能够在每次测量间可以以不同角度发射多个测距信号，在风力发电机组的叶片2运转到相对塔架1位置时，部分测距信号映射到叶片运动外轮廓的底端以及另一部分测距信号映射到叶片运动外轮廓的底端至风机的塔架1的中心位置，以此来激光测距装置3至叶片2运动外轮廓的底端的第二直线距离s2和测距装置3经叶片2运动外轮廓的底端至塔架1的第一直线距离s1，而标定夹角α为激光测距装置至所述底端的连线与水平面间的夹角，激光测距装置可随风机叶片的转动跟随叶片底端以此获取标定夹角α；当然，很多地区在风机正常使用时，风机叶片底端发送形变的可能性较小，也可忽略叶片底端的形变，即标定夹角α可以直接为激光测距装置的仰角，由于激光测距装置放置在水平仪上，以此来保证激光测距装置水平放置，故可通过水平仪以此确认当前的标定夹角α的角度(即水平仪与激光测距装置之间的夹角)，通过上述公式以此确认出该叶片的塔架净空值。

步骤s3，设定第一预设时长tm，并在第一预设时长tm内得到不同风速下的多组对应的塔架净空值并最终拟合成净空-风速测试曲线；

具体地，第一预设时长tm的范围为：20-40min；此第一预设时长tm内能够全面、完整地获得一台风机的塔架-净空测试曲线；较佳地，第一预设时长tm为30min，若风速条件满足，30min即可得到一台风机完整的塔架净空-风速测试曲线。

还需要说明的是，由于风力发电厂一般选择年平均风速较大的地区，具有较稳定的盛行风向，且风速的日变化与季变化小，因此，本发明中的激光测距装置也可同时用于多台风机或全风场风机的工作。

当然，本实施例中的净空-风速测试曲线可采用多种方法得到，优选地是采用bin区间法计算净空-风速曲线，即根据精度要求选择风速步进，每一个风速段取足够多的数据计算风速、净空均值作为一个散点，然后可通过散点拟合完整的净空-风速测试曲线。如图3所示，图3为测点为距叶片尖部3米处，以0.5m/s的风速为步进，最终计算得到三支叶片的净空-风速拟合曲线图。

步骤s4，基于净空-风速测试曲线分析风机的所述塔架净空值是否合格；

这里，通过设定第一预设时长tm，在第一预设时长tm内，将不同风速下各叶片的塔架净空值进行拟合形成净空-风速曲线，为叶片安全性提供准确依据，通过净空-风速测试曲线确认各叶片的塔架净空值是否合格，确认叶片运转是否安全。

请参照图6，基于所述净空-风速测试曲线分析风机的所述塔架净空值是否合格具体包括步骤s41，分析各叶片的所述塔架净空值是否均处于第一预设值t1内；

是，则各叶片的所述塔架净空值均合格，风力电机组正常运转即可。

否，则需对不合格的叶片进行排查，停机排查主要原因可通过叶片的外观、内部腹板、合模缝等部位。

由此，由于风力发电机组各叶片的塔架净空值直接影响整个风力发电机组的转动，故需确认每个叶片的塔架净空值是否合格，如其中一个风叶的塔架净空值不合格，则需要停机排查，防止风力发电机组运转时发生“扫塔”，造成极大损失。

可选地，第一预设值t1的范围为6-18m，处于该第一预设值内的叶片转动时较为安全，如某一叶片的塔架净空值小于6m，则易发生“扫塔”；如某一叶片的塔架净空值大于18m，则风力发电机组多个叶片转动不平衡，长时间运转处造成“扫塔”外，还易造成机组的疲劳载荷；故需要立即停机排查。

例如：如图7所示，在4-13.5m/s的风速下，各叶片(轴1、轴2、轴3分别代表三支叶片)的净空值均在为8-14m，在风速为9.5m/s左右(即风机满发风速)时，净空值达到最小值，故符合要求，测试结果合格。

需要说明的是，满发即风力发电机组满功率并网运行。

基于所述净空-风速测试曲线分析风机的所述塔架净空值是否合格还包括步骤s42，分析各叶片之间的所述塔架净空值的差值是否处于第二预设值t2内；

是，则各叶片的所述塔架净空值合格；

否，则各叶片均需重新校准叶片零位。

由此，各叶片之间的塔架净空值的偏差也需要在第二预设值t2的范围内，超过此预设范围，则影响整个风力发电机组的运行，需要重新校准叶片零位。

可选地，第二预设值t2的范围为0-0.5m，处于该第二预设值t2内的叶片转动时较为安全，如某两支叶片的塔架净空值的差值大于此范围，故造成多个叶片在转动时转动不平衡，长期转动易造成“扫塔”。

例如：如图8所示，第一支叶片(轴1)与第二支叶片(轴2)之间的偏差约为0.5m，但第一支叶片(轴1)与第三支叶片(轴三)之间的偏差约为1m，表示叶轮旋转过程中叶片叶尖至塔架1表面的距离有偏差，不符合要求，故需进行零位校准。

需要说明的是，在步骤s41确认各叶片的塔架净空值合格后，由于各叶片之间的塔架净空值存在偏差值过大的可能性，故在步骤s41执行完毕后，有可能会继续执行步骤s42，当然本实施例仅为可能性，但并不代表其一定发生上述情况。如发生各叶片之间的塔架净空值存在偏差值过大的可能性，则继续执行步骤s42即可，未发生上述情况则各叶片继续正常运转。

相比于现有技术，所述塔架净空监测方法所具有的有益效果与所述风机的塔架净空监测系统相同，在此不再赘述。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。