一种塔筒监测系统、方法及风力发电机组与流程

本申请涉及风力发电机组监测领域，具体而言，涉及一种塔筒监测系统、方法及风力发电机组。

背景技术：

风力发电机组正在向更高、更大、更智能化的方向发展。在风力发电机机组中，塔筒是重要的承载部件。塔筒的工作环境恶劣，长期受到风载荷、自重、传动链周期性载荷的作用，并且随着塔筒高度的逐步增加，其受到的载荷成倍增长，成本也迅速增加，因此，塔筒失效所带来的损失也越来越大。

现有的塔筒监测技术主要有倾角传感器法、位移传感器法。倾角传感器法采用倾角结合有限元分析法计算塔筒的变形，该方法无法真实反映塔筒的变形情况。位移传感器法将位置传感器放置于机舱及塔筒的连接法兰处，该方法零位标定难，在运行过程中容易发生累积误差而无法准确获取塔筒的变形情况。因此，如何准确获取塔筒的实时状态，对塔筒进行有效的实时监控预警成为风电领域的一大技术问题。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种塔筒监测系统、方法及风力发电机组，其能够准确获取塔筒的实时状态，对塔筒进行有效的实时监控预警。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种塔筒监测系统，包括主控单元及多组测距单元，主控单元与多组测距单元均电连接。测距单元用于检测与塔筒上预设的多个监测区域之间的距离信息，并将距离信息发送至主控单元。主控单元用于根据距离信息确定塔筒的实时状态。

第二方面，本申请实施例提供一种塔筒监测方法，应用于塔筒监测系统，塔筒监测系统包括主控单元及多组测距单元，主控单元与多组测距单元均电连接，方法包括：测距单元检测与塔筒上预设的多个监测区域之间的距离信息，并将距离信息发送至主控单元。主控单元根据距离信息确定塔筒的实时状态。

第三方面，本申请实施例提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括塔筒以及上述的塔筒监测系统。

相对于现有技术，本申请实施例所提供的一种塔筒监测系统、方法及风力发电机组。塔筒监测系统包括主控单元及多组测距单元，主控单元与多组测距单元均电连接；测距单元用于检测与塔筒上预设的多个监测区域之间的距离信息，并将距离信息发送至主控单元；主控单元用于根据距离信息确定塔筒的实时状态。由于多组测距单元检测能够准确实时地获取与塔筒上预设的多个监测区域的距离信息，并根据距离信息确定塔筒的实时状态，从而本申请所提出的塔筒监测系统、方法及风力发电机组的有益效果包括：准确获取塔筒的实时状态，并对塔筒进行有效的实时监控预警，避免重大事故的发生。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种塔筒监测系统的结构框图。

图2为本申请实施例提供的一种塔筒监测系统的应用环境示意图。

图3为本申请实施例提供的受到右向作用力的塔筒的变形状态示意图。

图4为本申请实施例提供的受到左向作用力的塔筒的变形状态示意图。

图5为本申请实施例提供的设置有风机的塔筒以及测距单元1和测距单元2的俯视示意图。

图6为本申请实施例提供的另一种塔筒监测系统的应用环境示意图。

图7为本申请实施例提供的塔筒以及测距单元1和测距单元2的俯视示意图。

图8为本申请实施例所提供的与图6对应的左视示意图。

图9为本申请实施例所提供的一种塔筒监测方法的流程示意图。

图10为本申请实施例所提供的另一种塔筒监测方法的流程示意图。

图中：100-塔筒；110-风机；200-塔筒监测系统；210-主控单元；220-测距单元。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，为本申请实施例提供的一种塔筒监测系统200的结构框图。该塔筒监测系统200包括主控单元210以及多组测距单元220，主控单元210与多组测距单元220均电连接，每组测距单元220能够检测自身与多个目标位置之间的距离信息。测距单元220可以是非接触式距离传感器，优选的，测距单元220为激光测距仪。主控单元210可以是一种具有信号处理能力集成电路芯片，例如该主控单元210可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、网络处理器(networkprocessor，np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以理解，该主控单元210也可以是风电主控系统中的主控制器。

需要说明的是，主控单元210与多组测距单元220电连接的连接方式可以是有线通信连接或无线通信连接。

请参阅图2，为本申请实施例提供的一种塔筒监测系统200的应用环境示意图。主控单元210可以设置在塔筒100、风机以及多个测距单元中的任一个设备上，测距单元220可以设置在塔筒100的周围，测距单元220用于检测与塔筒100上预设的多个监测区域之间的距离信息，并将距离信息发送至主控单元210，主控单元210用于根据距离信息确定塔筒100的实时状态。

在本实施例中，多个监测区域可以为塔筒100上不同高度的外表面(塔筒100上不同高度的外圆周)，测距单元220在检测与多个监测区域中的一个监测区域之间的距离信息时，实际是检测自身与该监测区域对应的塔筒100外圆周上预设点之间的距离。其中，预设点可以为该塔筒100外圆周上距离对应测距单元220最近的点。可以理解，由于每组测距单元220的能够检测自身与多个目标之间的距离，在实际应用中可以根据需要设置不同个数的监测区域，并且，优选的，监测区域中高度最高的监测区域设置在塔筒100顶部，其他监测区域均匀分布在塔筒100的不同高度。

进一步的，本申请提供的塔筒监测系统200所获取的实时状态可以包括变形状态，主控单元210具体用于根据距离信息计算多个监测区域的实时位置，并根据多个监测区域的实时位置判断塔筒100的变形状态。从而，本申请所提供的塔筒监测系统无需依赖塔筒的线性或者非线性变形假设，能够直接准确测量塔筒不同高度的变形量。并且，主控单元210还用于根据距离信息计算监测区域的加速度，并在任一监测区域的实时位置超出预设范围，或任一监测区域的加速度超出预设加速度阈值时，发出塔筒变形预警信息，其中，每个监测区域的预设加速度阈值可以不同。

在本实施例中，塔筒100的变形状态为当前塔筒100的整体结构形态，例如，当塔筒100受到右向的作用力时，塔筒100的整体结构形态可能如图3所示；当塔筒100受到左向的作用力时，塔筒100的整体结构形态可能如图4所示。主控单元210在根据距离信息计算多个监测区域的实时位置时，可以预先根据设置在塔筒100顶部的风机110的朝向以及塔筒100自身的位置建立坐标系，并根据获取的距离信息计算出每个监测区域在坐标系中的实时位置，并且，预设范围可以是在该坐标系中预设的范围。其中，检测区域的实时位置可以用其对应高度的外圆周在上述坐标系中的坐标表示，或者可以用其对应高度的外圆周的圆心在上述坐标系中的坐标表示。

主控单元210在发出塔筒变形预警信息时，具体可以向监控端发送变形预警信息以提醒维保人员对该塔筒100进行维保，并且，主控单元210可以控制设置在塔筒100周围或塔筒100上的警报装置发出声光电警报，以提醒周围人员注意安全。

进一步的，本申请提供的塔筒监测系统200所获取的实时状态可以包括模态。主控单元210具体用于根据距离信息确定塔筒100的振型，并根据塔筒100的振型判断塔筒100的模态。并且，主控单元210还用于在塔筒100的振型符合预设的异常振型时，发出塔筒振型异常信息。

在本实施例中，主控单元210在根据距离信息确定塔筒100的振型时，根据距离信息计算出各个监测区域的实时位置，并根据各个监测区域的实时位置确定整个塔筒100的振型。可以理解的是，主控单元210在发出塔筒振型异常信息时，具体可以向监控端发送塔筒振型异常信息以提醒维保人员对该塔筒100进行维保，并且，主控单元210可以控制设置在塔筒100周围或塔筒100上的警报装置发出声光电警报，以提醒周围人员注意安全。

需要补充的是，在不同的塔筒模态下，每个监测区域可以对应设置不同的加速度阈值。主控单元210还可以在当前塔筒模态下判断各个监测区域的加速度是否超过的其对应的加速度阈值，以便确定塔筒100的具体风险区域，提前进行预警。

进一步的，主控单元210还用于接收风速、风向及风机110的功率信息，并根据风速、风向、功率信息、塔筒100的变形状态以及塔筒100的振型生成塔筒100综合状态信息，并在塔筒100综合状态信息符合预设的异常状态信息时，发出联合预警信息。

在本实施例中，主控单元210可以预设包括多个异常状态信息的异常状态信息表，当塔筒100综合状态信息满足异常状态信息表中的任一异常状态信息时，发出联合预警信息，以更加全面地确保塔筒100的安全，提前进行塔筒100异常的预警。

下面，以包括两组测距单元220的塔筒监测系统200的实际应用为例，对本申请所提供的塔筒监测系统200做进一步解释。

如图5所示，塔筒100顶部设置有风机110，以塔筒100为原点，根据风机110偏航为零度的方向(风机110的主轴方向)确定x轴向，以及根据笛卡尔坐标系的右手定则确定y轴向。测距单元1可以设置在x轴向并距离塔筒100第一预设距离处，测距单元2可以设置在y轴向并距离塔筒100第二预设距离处，例如，测距单元1可以设置在x轴向上，与塔筒100相距5m，测距单元2可以设置在y轴向上，与塔筒100相距6m。

可以理解的是，测距单元220距离地面有一定的高度，以避免被地面的植被、动物等损坏或干涉测距仪。并且，本申请实施例所提供的测距单元220的设置方式并不仅限于上述测距单元1和测距单元2的设置方式，为确保测距单元220位于的最佳测量范围、测量角度内，测距单元220与塔筒100的距离可以在实际应用中有不同的设置方式。

如图6所示，假设塔筒100上预设有三个监测区域，分别为：a、b和c，其中，a、b和c为塔筒100上不同高度的外表面(塔筒100外圆周)。测距单元1与测距单元2均用于检测各自与a、b和c之间的距离信息。

以测距单元1和测距单元2检测与监测区域a之间的距离信息为例，如图7及图8所示，假设测距单元1和测距单元2发射向监测区域a的测距光束与水平面的夹角为β，测距单元1和测距单元2检测到的与监测区域a的距离信息分别为x1、y1。主控单元210用于获取风机110的偏航角度α，并根据风机110的偏航角度α、水平面的夹角为β以及x1和y1确定监测区域a的x方向位移以及y方向位移，进而根据监测区域a的x方向位移以及y方向位移实时位置。

在本实施例中，主控单元210在根据风机110的偏航角度α、水平面的夹角为β以及x1和y1确定监测区域a的x方向位移以及y方向位移时，主控单元210具体可以根据如下公式确定监测区域a的实时位置；

x位移＝x1×cosβ×cosα+y1×cosβ×sinα；

y位移＝x1×cosβ×sinα+y1×cosβ×cosα。

主控单元210在获取到监测区域的实时位置后，可以结合实时位置在单位时间的变化计算监测区域a的加速度。可以理解的是，其他监测区域的实时位置以及加速度的计算与上述监测区域a的获取方法相同，在此不再赘述。

可以理解的是，本申请提供的塔筒监测系统在获取到监测区域的实时位置以及加速度后，还可以根据各个监测区域的实时位置以及加速度获取到各个监测区域的实时频率，并根据各个监测区域的实时频率对塔筒进行故障识别、诊断，以更加全面地实现对塔筒的监测预警，确保塔筒的运行安全。

请参照图9，为本申请实施例所提供的一种塔筒监测方法的流程示意图。需要说明的是，本发明实施例提供的塔筒监测方法并不以图9以及以下的具体顺序为限制，应当理解，在其它实施例中，本发明实施例提供的塔筒监测方法其中部分步骤的顺序可以根据实际需要相互交换，或者其中的部分步骤也可以省略或删除。该塔筒监测方法可应用于上述的塔筒监测系统，其基本原理及产生的技术效果与前述塔筒监测系统实施例相同，为简要描述，本实施例中未提及部分，可参考前述塔筒监测系统实施例中的相应内容。下面将对图9所示的具体流程进行阐述。

步骤s110，测距单元检测与塔筒上预设的多个监测区域之间的距离信息，并将距离信息发送至主控单元。

步骤s120，主控单元根据距离信息确定塔筒的实时状态。

在本实施例中，实时状态包括变形状态，主控单元具体根据距离信息计算多个监测区域的实时位置，并根据多个监测区域的实时位置判断塔筒的变形状态。并且，主控单元还根据距离信息计算监测区域的加速度，并在任一监测区域的实时位置超出预设范围，或任一监测区域的加速度超出预设加速度阈值时，发出塔筒变形预警信息。

在本实施例中，实时状态还包括模态，主控单元具体用于根据距离信息确定塔筒的振型，并根据塔筒的振型判断塔筒的模态。并且，主控单元还在塔筒的振型符合预设的异常振型时，发出塔筒振型异常信息。

步骤s130，主控单元还接收风速、风向及风机的功率信息，并根据风速、风向、功率信息、塔筒的变形状态以及塔筒的振型生成塔筒综合状态信息。

步骤s140，主控单元还在塔筒综合状态信息符合预设的异常状态信息时，发出联合预警信息。

进一步的，请参照图10，为本申请实施例所提供的另一种塔筒监测方法的流程示意图。首先，主控单元在获取到多个监测区域的距离信息后，根据多个监测区域的距离信息获取获取各个监测区域的实时位置以及加速度，并根据多个监测区域的距离信息计算塔筒的振型，确定塔筒的模态。

然后，主控单元进行塔筒变形预警判断。主控单元具体根据多个监测区域的实时位置判断塔筒是否变形，即判断是否存在任一监测区域的实时位置超出预设范围，当存在任一监测区域的实时位置超出预设范围时；主控单元执行维保处理；当不存在任一监测区域的实时位置超出预设范围，主控单元执行变形加速度预警判断。

以及，主控单元还进行塔筒变形预警判断，即主控单元具体判断塔筒的振型是否符合预设的异常振型，当塔筒的振型符合预设的异常振型时，主控单元执行维保处理；当塔筒的振型不符合预设的异常振型，主控单元执行塔筒联合预警判断。

主控单元进行变形加速度预警判断。主控单元具体根据所有监测区域的加速度判断塔筒是否异常，即判断是否存在任一监测区域的加速度超出预设加速度阈值，当存在任一监测区域的加速度超出预设加速度阈值时，主控单元执行维保处理；当存在任一监测区域的加速度超出预设加速度阈值，主控单元执行塔筒联合预警判断。

主控单元执行塔筒联合预警判断。在塔筒综合状态信息符合预设的异常状态信息时，主控单元执行维保处理；在塔筒综合状态信息不符合预设的异常状态信息时，主控单元返回执行获取多个监测区域的距离信息。

最后，主控单元进行维保处理，即当任一监测区域的实时位置超出预设范围，或任一监测区域的加速度超出预设加速度阈值时，发出塔筒变形预警信息；当塔筒的振型符合预设的异常振型时，发出塔筒振型异常信息；当塔筒综合状态信息符合预设的异常状态信息时，发出联合预警信息。

综上所述，本申请实施例提供的一种塔筒监测系统、方法及风力发电机组。塔筒监测系统包括主控单元及多组测距单元，主控单元与多组测距单元均电连接；测距单元用于检测与塔筒上预设的多个监测区域之间的距离信息，并将距离信息发送至主控单元；主控单元用于根据距离信息确定塔筒的实时状态。由于多组测距单元检测能够准确实时地获取与塔筒上预设的多个监测区域的距离信息，并根据距离信息确定塔筒的实时状态，从而本申请的有益效果包括：准确获取塔筒的实时状态，并对塔筒进行有效的实时监控预警，避免重大事故的发生。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。