[0046] 数据监测处理模块根据上式计算结果与其内部存储的预设阀值比较，形成垂直轴 动态机械倾斜健康程度的判别，如"运行正常"、"偏角较小"和"偏角较大"等指示。
[0047] 同时，数据监测处理模块将当前时间t和垂直轴风轮机的3组均方差〇i、峭度 Kuri、偏斜度&分别作为一对横、纵轴数据进行有格式存储（t，〇uKuhSq)，即可获得垂 直轴主轴偏振曲线的绘图数据，如图4。
[0048] 数据监测处理模块收到并存储空气动力测量模块传递来的风速vw、气温T、气压信 号P，以及发电功率测量模块传递来的电压V、电流I和电压频率f信号。其微处理器根据 与其内部存储的气温-气压-空气密度函数，计算出空气密度P。再由其内部存储的风力 发电机基本机电参数，包括发电功率系数&、发电机极对数np、垂直轴风轮半径R、风轮扫风 截面积A等，由计算式
[0049]
[0050] 分别计算出垂直轴风轮机转速η、角速度ω、叶尖速比λ、相对力矩系数(；和发电 机发电功率匕。再根据以下计算式
[0051]
[0052] 分别计算出垂直轴风轮机的风能利用系数Cp、机械功率P"和机组效率II。
[0053] 进一步地，数据监测处理模块：
[0054]将叶尖速比λ和风能利用系数Cp作为一对横、纵轴数据进行有格式存储（λ，Cp)， 即可获得风轮空气动力特性曲线的绘图数据，如图5。
[0055] 将各种相同风速vw区间下的垂直轴风轮机转速η和机械功率P"作为一对横、纵轴 数据进行有格式存储（vw，n，PJ，即可获得风轮机械出特性曲线的绘图数据，如图6。
[0056]将风速vw和发电机发电功率h作为一对横、纵轴数据进行有格式存储（νw，PJ，即 可获得电功率输出特性曲线的绘图数据，如图7。
[0057] 将风速vw和垂直轴风轮机转速η作为一对横、纵轴数据进行有格式存储（vw，η)， 即可获得调速特性曲线的绘图数据，如图8。
[0058] 将风速vw和机组效率η作为一对横、纵轴数据进行有格式存储（νw，η)，即可获 得机组效率曲线的绘图数据，如图9。
[0059]数据监测处理模块收到并存储电磁与噪声测量模块传递来的电磁强度和噪声值， 将接收时间t和电磁强度E"作为一对横、纵轴数据进行有格式存储（t，EJ，即可获得电磁 强度曲线的绘图数据，如图10 ;将接收时间t和噪声ANL作为一对横、纵轴数据进行有格式 存储（t，ANL)，即可获得噪声曲线的绘图数据，如图11。
[0060] 为了判测数据监测处理模块收到的相关数据是否真实有效，可采用观测器估计值 与实测值进行比较的方法来判定。其原理包括：
[0061] 垂直轴风力发电系统的机电耦合运动学方程可表达为
[0062]
[0063] 式中，J为垂直轴风轮机的转动惯量，B为垂直轴风力发电主轴系统的摩擦系数。
[0064] 上式表明，发电机发电功率Pe、角速度ω和垂直轴风轮机机械功率Pn是相关联的。 因此，若假设垂直轴风轮机机械功率P"为未知量，则可通过已知的发电机发电功率PJ口角 速度ω，利用下式计算出垂直轴风轮机的机械功率观测值教
[0065] ?
[0066] 式中，J为垂直轴风轮机的转动惯量；Zl，ζ2为状态变量；βρβ2,δρδ2,αρα2 为正常系数，且〇〈α2〈α'1;fal()为非线性组合幂次函数，其表达式为
[0067]
[0068] 式中，δ和α为正常系数，且〇〈α〈1。
[0069] 将计算出的机械功率观测值和机械功率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"。
[0070] 上述数据异常判测算法可以由数据监测处理模块内的微处理器，软件编程实现。
[0071] 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，其 中，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（AP)。上位机智能显示 设备可以为PC机、平板电脑或是手机等智能可便携设备，他们作为WiFi无线通讯的站点 (STA)，可以接入数据监测处理模块，进行数据交换和访问，以更大地增加本监测装置的智 能化、便携化和友好化。
[0072] 上位机智能显示设备内部运行相应程序，将接收来自数据监测处理模块的各类绘 图数据，包括风轮空气动力特性曲线数据（A，CP)、风轮机械出特性曲线数据（Vw，n，Pj、电 功率输出特性曲线数据（vw，Pj、调速特性曲线数据（vw，η)、机组效率曲线数据（vw,η)、电 磁强度曲线数据（t，Ej、噪声曲线数据（t，ANL)、垂直轴偏振曲线数据（t，〇1，KUri，SCl)，利 用描点法做图，在显示设备上显示出来。同时，显示出数据异常判测算法给出的"测量数据 正常"或"测量数据异常"，以及垂直轴动态机械倾斜健康程度的判定结果，供用户和监测人 员观察判断。
[0073] 本发明还可以有其他合适实施例，例如：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。
【主权项】
1. 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，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； 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： (1) 获取发电机发电功率匕和角速度《的实时测量值； (2) 按下式计算出垂直轴风轮机的机械功率观测值兔式中，J为垂直轴风轮机的转动惯量；Zl，Z2为状态变量；0i，02,S1,S2,Ct1,Ct2为正 常系数，且〇〈a2〈a<1 ; (3) 获取垂直轴风轮机机械功率Pni的实时测量值； (4) 将计算出的机械功率观测值和机械功率Pni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"。2. 根据权利要求1所述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， 其特征是：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。3. 根据权利要求1所述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， 其特征是：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。4. 根据权利要求1所述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， 其特征是：所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。5. 根据权利要求1所述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， 其特征是：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。
【专利摘要】本发明公开了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，主要由现场测量与处理设备和上位机智能显示设备组成。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、数据监测处理模块。数据监测处理模块的微处理器内具有数据异常判测算法，能够判别测量数据是否异常。现场测量与处理设备内部采用Zigbee无线通讯，并采用风光储方式供电。现场测量与处理设备与上位机智能显示设备采用WiFi无线通讯。本发明通过多传感器检测、无线网路通讯、多微处理器运算等技术，使之具有安装方便、测试可靠、功能模块化、组网灵活、界面友好、易维护等特点。
【IPC分类】F03D7/06
【公开号】CN105221337
【申请号】CN201510705075
【发明人】茅靖峰, 吴爱华, 吴国庆, 张旭东, 吴树谦, 成义, 申海群, 杨蛟, 李学祥, 李源
【申请人】南通大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年10月27日