基于多网络融合和分布式传感的垂直轴风力发电监测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风力发电系统集成监测领域，是一种基于多网络融合和分布式传感的 垂直轴风力发电监测装置。
【背景技术】
[0002] "装备要发展，测试须先行"。中小型风力发电设备从设计、试制直到生产和维护过 程中都离不开验证与测试。而由于风能利用的自然特殊性，设备无论是在研发初期的风洞 测试，还是样机或产品的现场运行监测，基于人工方式和有线传输方式的数据采集过程都 极为不便。
[0003] 基于有线传输方式的风力发电系统分布式多传感器连接过程异常繁琐复杂、测试 人员的劳动强度大。在风洞狭小的空间内测试，还会因导线走线方式的不同造成局部风场 的畸变，影响测试精度，甚至因导线脱落造成旋转轴的缠绕，导致严重事故。在风力发电运 行现场，由于机组现场安装的地理和气象条件较恶劣，如郊区或市区中的地势高处、屋顶 等，长期大量的人工数据采集极为不便，过长的导线也会造成严重的信号衰减和干扰。
[0004] 因此，依据风机发电设备的实际应用需求，应用基于无线通讯分布式传感器网络 的运行状态参数的智能测试系统平台，对风力发电产品的整个生命周期具有重要意义，并 具有良好的应用、实用前景。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种结构合理，安装方便、测试可靠、易维护的基于多网络 融合和分布式传感的垂直轴风力发电监测装置。
[0006] 本发明的技术解决方案是：
[0007] -种基于多网络融合和分布式传感的垂直轴风力发电监测装置，其特征是：包括 现场测量与处理设备，现场测量与处理设备与上位机智能显示设备通讯；所述现场测量与 处理设备包括空气动力测量模块、发电功率测量模块、垂直轴偏振测量模块、电磁与噪声测 量模块，上述各测量模块与数据监测处理模块通讯；所述垂直轴偏振测量模块包括3个双 轴磁阻传感器，分别安装于垂直轴风轮机主轴的顶端、底端和风力发电机转子出轴端；所述 各测量模块包括微处理器和Zigbee无线通讯接口；所述数据监测处理模块包括微处理器、 Zigbee无线通讯接口和WiFi无线通讯接口；上述各测量模块通过各自Zigbee无线通讯接 口与数据监测处理模块的Zigbee无线通讯接口通讯；所述上位机智能显示设备的WiFi无 线通讯接口与数据监测处理模块的WiFi无线通讯接口通讯；
[0008] 所述数据监测处理模块的微处理器采用数据异常判测算法；所述数据异常判测算 法包括如下步骤：
[0009] (1)获取发电机发电功率P，角速度ω的实时测量值；
[0010] (2)按下式计算出垂直轴风轮机的机械功率观测值急
[0011]
[0012] 式中，J为垂直轴风轮机的转动惯量；Zl，z2为状态变量；βρβ2, δ2,αι，α2 为正常系数，且〇〈α2〈α<1 ;
[0013] (3)获取垂直轴风轮机机械功率的实时测量值；
[0014] (4)将计算出的机械功率观测值息和机械功率P"的实时测量值进行比较，如果二 者偏差小于15 %，则可判定"测量数据正常"，否则判定"测量数据异常"。
[0015] 所述现场测量与处理设备中各测量模块与数据监测处理模块采用Zigbee无线通 讯协议双向通讯；所述数据监测处理模块与上位机智能显示设备采用WiFi无线通讯协议 双向通讯。
[0016] 所述现场测量与处理设备中各测量模块的Zigbee无线通讯接口配置为从设备模 式，数据监测处理模块的Zigbee无线通讯接口配置为主协调器模式；所述数据监测处理模 块的WiFi无线通讯接口配置为纯接入点模式。
[0017] 述空气动力测量模块还包括风速传感器、气温传感器、气压传感器和光伏电板组； 所述现场测量与处理设备采用风光储方式供电。
[0018] 数据监测处理模块根据双轴磁阻传感器的数据，实时计算出垂直轴风轮机在其主 轴顶端、底端和风力发电机转子出轴端，3个水平截面双轴方向上的偏斜均方差、峭度、偏斜 度值，并根据与预设阀值比较，形成垂直轴动态机械倾斜健康程度的判别。
[0019] 本发明结构合理，安装方便、测试可靠、易维护；其优点还在于：
[0020] (1)采用分布式多微处理器技术，使得系统各个功能部件物理分散，软硬件的模块 化程度和可靠性提高，利于维护升级和检修。
[0021] (2)被测信号现场数字化，提高了精度，避免了传统模拟信号长距离传输的衰减和 易受干扰等问题。
[0022] (3)采用多无线网路通讯技术，避免了有线传输的高造价、高功耗、连线繁琐、安装 不便与机械强度可靠性等问题。
[0023] (4)采用观测器估计值与实测值进行比较的方法，来判定数据监测处理模块收到 的相关数据是否真实有效，使得测试系统的监测数据更加可靠。
【附图说明】
[0024] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0025] 图1为本发明一个实施例的总体结构图。
[0026] 图2为空气动力测量模块组成结构图。
[0027] 图3为双轴磁阻传感器的安装位置分布图。
[0028] 图4为垂直轴偏振曲线（t, 〇 ;，Kur;，Sc;)不例图。
[0029] 图5为风轮空气动力特性曲线（λ，Cp)示例图。
[0030] 图6为风轮机械出特性曲线（vw，n，PJ示例图。
[0031] 图7为电功率输出特性曲线（vw，PJ示例图。
[0032] 图8为调速特性曲线（vw，η)示例图。
[0033] 图9为机组效率曲线（vw，η)示例图。
[0034] 图10为电磁强度曲线（t，EJ示例图。
[0035] 图11为噪声曲线（t，ANL)示例图。
【具体实施方式】
[0036] 一种基于多网络融合和分布式传感的垂直轴风力发电监测装置，包括现场测量与 处理设备，现场测量与处理设备与上位机智能显示设备通讯；所述现场测量与处理设备包 括空气动力测量模块、发电功率测量模块、垂直轴偏振测量模块、电磁与噪声测量模块，上 述各测量模块与数据监测处理模块通讯；所述垂直轴偏振测量模块包括3个双轴磁阻传感 器，分别安装于垂直轴风轮机主轴的顶端、底端和风力发电机转子出轴端；所述各测量模块 包括微处理器和Zigbee无线通讯接口；所述数据监测处理模块包括微处理器、Zigbee无线 通讯接口和WiFi无线通讯接口；上述各测量模块通过各自Zigbee无线通讯接口与数据监 测处理模块的Zigbee无线通讯接口通讯；所述上位机智能显示设备的WiFi无线通讯接口 与数据监测处理模块的WiFi无线通讯接口通讯。
[0037] 现场测量与处理设备采用风光储方式供电。以一方面减少垂直轴风力发电系统现 场测量与处理设备的外部供电线路的长距离传输，另一方面可以增加现场测量与处理设备 供电的可靠性。
[0038] 进一步地，参见图2,空气动力测量模块还包括风速传感器、气温传感器、气压传感 器和光伏电板组，其微处理器将上述传感器变送来的风速、气温T和气压P信号转换成数 字信息，然后通过其Zigbee无线通讯接口传递给数据监测处理模块。光伏电板组为空气动 力测量模块供电，以减少外部供电线路的长距离传输。
[0039] 发电功率测量模块还包括电压传感器、电流传感器和电压频率监测电路，其微处 理器将上述传感器及监测电路变送来的电压V、电流I和电压频率f信号转换成数字信息， 然后通过其Zigbee无线通讯接口传递给数据监测处理模块。
[0040] 垂直轴偏振测量模块还包括3个双轴磁阻传感器，其微处理器将每个传感器检测 到的垂直轴水平方向双轴的偏角信号转换成数字信息，然后通过Zigbee无线通讯接口传 递给数据监测处理模块。参见图3,为3个双轴磁阻传感器的安装位置分布图。图3中，101 为垂直轴风轮机，102为垂直轴风轮机的垂直轴主轴，在其下部同轴安装风力发电机103， 104、105和106为3个双轴磁阻传感器，他们分别安装于垂直轴风轮机的顶端、底端和风力 发电机转子出轴端。
[0041] 电磁与噪声测量模块还包括电磁强度传感器和噪声传感器，其微处理器将上述传 感器变送来的电磁强度和噪声信号转换成数字信息，然后通过其Zigbee无线通讯接口传 递给数据监测处理模块。
[0042] 现场测量与处理设备中各测量模块与数据监测处理模块采用Zigbee无线通讯协 议双向通讯，其中，各测量模块的Zigbee无线通讯接口配置为从设备模式，数据监测处理 模块的Zigbee无线通讯接口配置为主协调器模式。
[0043] 数据监测处理模块收到并存储双轴磁阻传感器的数据。再由其微处理器实时计算 出垂直轴风轮机在其主轴顶端、底端和风力发电机转子出轴端，3个水平截面双轴方向上各 自的偏斜均方差σi、峭度Kun、偏斜度&值，其中i= 1，2,3,代表3个双轴磁阻传感器的 编号。
[0044] 以一组运行数据集合内具有N个采样点数据（xlk，k= 1，…，N)为例，其偏斜均方 差ση峭度KUri、偏斜度Sel的计算式如下：
[0045]