一种风力发电机组塔架安全智能监测方法及系统与流程

本发明涉及风电技术领域，尤其是涉及一种实时监测塔架结构安全状态减少现场运维人员巡检工作量并提高工作效率的风力发电机组塔架安全智能监测方法及系统。

背景技术：

随着我国风力发电装机容量的不断增加及风电场项目大规模开发，国内可开发利用的优良风资源地区日益减少。当前陆上风电正不断向低风速区发展。为了更好的开发低风速区的风资源，风电整机厂商纷纷研发了超高塔架机组。随着高塔尤其是柔性塔架越来越成为行业的热点，尤其近两年，发生了多起高塔机组倒塔事故，高塔的安全性也随之成为业主以及风电整机厂商关注的焦点。当前塔架安全检查主要通过人工定检，这给现场运维人员增加了大量的工作量，这种人工定检的工作方式还存在着极大的作业风险，且定期检查一般是两天到三天才检查一次，当前定期巡检的方式给运维人员带来巨大的工作量导致运维人员无法及时反馈塔架安全情况，而使用无人机巡检又会带来续航能力差、不易操作的问题。

例如，一种在中国专利文献上公开的“无人机充电装置及风力发电机组”，其公告号cn207433831u，包括基座、夹持组件，包括可移动连接于基座且相对设置的第一夹持件及第二夹持件，第一夹持件及第二夹持件均至少部分凸出于基座，以夹持固定无人机；及充电组件，包括能够相互电气连接的第一端子及第二端子，第一端子设置于基座、且位于第一夹持件及第二夹持件之间，第一端子与所述输出电源电气连接，第二端子能够设置于无人机并与无人机的电池电气连接，以将风力发电机组的电能输送至无人机的电池。但是，尽管该方案使用无人机进行巡检工作，省去了人工作业的劳动力，但无人机作业不易操作，无人机也需要人工控制，在有危险状况时仍然无法及时反馈塔架的安全情况，仍需要运维人员现场查看进行判断，浪费人力且存在危险。

技术实现要素：

本发明是为了克服现有技术的巡检工作量大且塔架震动会导致巡检过程存在危险的问题，提供一种风力发电机组塔架安全智能监测方法及系统，本发明通过风力发电机组塔架安全智能监测系统和与之匹配的方法可以实时监测塔架的状态，且系统还可以对实时的数据进行分析，通过预设的安全阈值对塔架的安全状态进行判断，分析实时数据可以预测塔架震动的趋势能够减少现场运维人员的巡检工作量避免浪费人力，并极大的提高了巡检安全性对危险状态进行及时预判和预测。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种风力发电机组塔架安全智能监测系统，包括机塔，其特征在于，还包括：

塔顶倾角传感器，采集倾角，采集到的倾角数据接入塔基采集站；

塔中加速度传感器，采集加速度值，并将加速度数据接入塔基采集站；

塔基倾角传感器，采集倾角，采集到的倾角数据接入塔基采集站；

rs485模块，用于将塔顶倾角传感器、塔中加速度传感器和塔基倾角传感器与塔基采集站连接；

塔基采集站，用于采集部署在塔基和塔顶的倾角数据，将倾角数据进行低通滤波处理，将加速度数据进行带通滤波处理，将倾角数据和加速度数据存盘发送；

塔基交换机，作用于塔基采集站和服务器之间用于交换存盘数据；

服务器，接受塔基采集器发送的存盘数据，将数据整合后发送给上位机；

上位机，分析塔顶倾角数据计算塔顶位移特征值及对应方位并分析塔中加速度数据计算塔筒振动数据的特征值，判定特征值是否超出警戒；

其中，塔顶倾角传感器设置在机塔顶部，塔中加速度传感器设置在机塔中部，塔基倾角传感器设置在机塔底部，rs485模块、塔基采集站、塔基交换机、服务器和上位机依次连接，rs485模块还分别与塔顶倾角传感器、塔中加速度传感器和塔基倾角传感器相连接。

本发明主要包括塔塔顶双轴倾角传感器、塔中加速度传感器、塔基双轴倾角传感器、塔基采集站、塔基交换机、服务器、上位机等模块组成。在塔基和塔顶分别部署一个双轴倾角传感器，可采集x、y两个方向的倾角，在塔筒中段部署一个加速度传感器，可采集x、y两个方向的加速度值，这些信号均接入塔基采集站，塔基采集站将信号预处理后缓存至服务器，服务器可以通过塔基采集站向塔顶倾角传感器、塔中加速度传感器和塔基倾角传感器发送采集指令，服务器将采集的数据发给上位机进行计算与分析，将分析结果与预设的阈值进行比对，判断机组是否处于安全状态并将状态发送至机组工作人员。

作为优选，所述rs485模块包括rs485总线，塔顶倾角传感器、塔中加速度传感器、塔基倾角传感器和塔基采集站均挂设在rs485总线上，塔顶倾角传感器、塔中加速度传感器和塔基倾角传感器作为rs485总线从站，塔基采集站作为rs485总线主站。各个传感器和塔基采集站均挂在rs485总线上，其中各个传感器作为总线从站，塔基采集站作为总线主站，另一侧采集站和服务器均与服务器相连，上位机又与服务器相连接。

作为优选，所述塔顶倾角传感器、塔中加速度传感器、塔基倾角传感器均为双轴倾角传感器。传感器可以分别获得相互垂直的x方向和y方向的倾角数据和加速度数据。

一种风力发电机组塔架安全智能监测方法，应用权利要求1所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

s1：塔顶倾角传感器和塔基倾角传感器采集倾角数据；

s2：塔中加速度传感器采集加速度数据；

s3：塔基采集站采集倾角数据和加速度数据并进行滤波、计算处理；

s4：上位机分析塔基倾角数据得到不均匀沉降特征值及对应方位、分析塔顶倾角数据计算塔顶位移特征值及对应方位、分析塔中加速度数据计算塔筒振动数据的特征值；

s5：上位机判断不均匀沉降特征值、塔顶位移特征值及塔筒振动数据的特征值是否超出警戒值，若有一个超出警戒值则进入s6，否则返回s1；

s6：系统告警控制风电机组停机；

其中，倾角数据包括x方向和y方向的倾角值，x方向为水平方向，y方向为竖直方向，加速度数据包括x方向和y方向的倾角值，x方向为水平方向，y方向为竖直方向，塔基采集站采集倾角数据的采样频率是10hz，塔基采集站采集加速度数据的采样频率为25.6hz；倾角数据的计算周期为100s，即倾角数据100s采集1000点为一组波形数据；加速度数据的计算周期为10s，即加速度数据10s采集256点为一组波形数据。

系统启动后，塔基采集站根据各个传感器的采样率，周期地向传感器发起读取指令，并获取传感器数据，同时服务器定期获取采集站数据，上位机分析服务器得到的数据。

作为优选，所述s3包括以下步骤：

s31：塔基采集站监测塔基倾角数据并计算其合成角和方向角，分析基础不均匀沉降及对应方位，并将数据存盘，采集塔顶倾角数据并计算其合成角和方向角，分析塔顶位移及对应方位，并将数据存盘；

s32：塔基采集站监测加速度数据并进行数据处理。

通过采集塔中加速度传感器，计算出合成加速度，并以采样率为频率滚动计算最新10s数据的最大值、最小值、峰峰值、有效值，分析塔筒振动情况，并将数据存盘。

作为优选，所述s31包括以下步骤：

s311：判断采样周期是否达到100s，若达到则进入s312，否则采集数据后进入s312；

s312：重置采样定时器；

s313：计算倾角数据的合成角度和方向角；

s314：计算本周期数据特征值；

s315：塔基采集站将波形数据和特征值数据存盘；

s316：将所有数据发入上位机。

作为优选，所述s313的合成角度计算方式如下：

塔基采集站向塔基倾角传感器和塔顶倾角传感器获取的是x方向和y方向倾角值合成角α与其关系是，tan²α＝tan²x+tan²y

可以得到合成角

方位角θ计算如下：

按每100s作为一个波形周期计算波形的有效值

其中n为一个波形周期的采样点数，αi是每一个合成角度，并将有效值和原始波形数据存盘；

x轴输出角度正值指向北，方位角为0°；x轴输出角度负值指向南，方位角为180°；y轴输出角度正值指向东，方位角为90°；y轴输出角度负值指向西，方位角为270°。通过采集塔基倾角，计算其合成角和方向角，分析基础不均匀沉降及对应方位，并将数据存盘；通过采集塔顶倾角，计算其合成角和方向角，分析塔顶位移及对应方位，并将数据存盘。

作为优选，所述s32包括以下步骤：

s321：初次判断滑动窗口宽度是否到达10s，是则进入s322，否则采集数据存入缓存后重复s321；

s322：判断缓存是否套圈，若是则进入s323，否则直接截取缓存中最近10s的加速度数据后进入s324；

s323：分别从缓存尾部与头部截取最近10s的加速度数据，并对尾部和头部的加速度数据进行拼接；

s324：将截取/拼接的加速度数据存入滑动窗口缓存；

s325：计算滑动窗口中加速度数据的有效值、峰峰值和峰值；

s326：塔基采集站将加速度数据的有效值、峰峰值和峰值存入缓存；

s327：塔基采集站将所有数据发入下个模块并返回s322。

作为优选，所述s325中加速度数据分为x和y两个方向，塔基采集站直接采集到的信号是ax和ay，

合成加速度，计算方式为以采样周期为计算周期滚动计算最新的10s256点的合成加速度的最大值、最小值、峰峰值、有效值。

因此，本发明具有如下有益效果：

1.本发明主要包括塔塔顶双轴倾角传感器、塔中加速度传感器、塔基双轴倾角传感器、塔基采集站、塔基交换机、服务器、上位机等模块组成。在塔基和塔顶分别部署一个双轴倾角传感器，可采集x、y两个方向的倾角，在塔筒中段部署一个加速度传感器，可采集x、y两个方向的加速度值，这些信号均接入塔基采集站，塔基采集站将信号预处理后缓存至服务器，服务器可以通过塔基采集站向塔顶倾角传感器、塔中加速度传感器和塔基倾角传感器发送采集指令，服务器将采集的数据发给上位机进行计算与分析，将分析结果与预设的阈值进行比对，判断机组是否处于安全状态并将状态发送至机组工作人员；

2.系统启动后，塔基采集站根据各个传感器的采样率，周期地向传感器发起读取指令，并获取传感器数据，同时服务器定期获取采集站数据，上位机分析服务器得到的数据，通过风力发电机组塔架安全智能监测系统和与之匹配的方法可以实时监测塔架的状态，且系统还可以对实时的数据进行分析，通过预设的安全阈值对塔架的安全状态进行判断，分析实时数据可以预测塔架震动的趋势能够减少现场运维人员的巡检工作量避免浪费人力，并极大的提高了巡检安全性对危险状态进行及时预判和预测。

附图说明

图1是本实施例的系统结构框图。

图2是本发明的工作流程图。

图3是本发明塔基采集站采集的倾角数据示意图。

图4是本发明采集处理倾角数据流程图。

图5是本发明加速度传感器采集的加速度数据示意图。

图6是本发明采集处理加速度数据流程图。

图中：1、塔顶倾角传感器2、塔中加速度传感器3、塔基倾角传感器4、rs485模块5、塔基采集站6、塔基交换机7、服务器8、上位机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例：

本实施例一种风力发电机组塔架安全智能监测系统，如图1所示，包括机塔、塔顶倾角传感器1、双轴的塔中加速度传感器2、双轴的塔基倾角传感器3、rs485模块4、塔基采集站5、塔基交换机6、服务器7和上位机8，机塔上安装有基础环法兰，塔顶还安装有平台爬梯，塔基倾角传感器1安装在基础环法兰上，塔顶倾角传感器安装在塔顶平台爬梯对面，塔顶倾角传感器1用来采集倾角，采集到的倾角数据接入塔基采集站5；塔中加速度传感器2用来采集加速度值并将加速度数据接入塔基采集站5；塔基倾角传感器3用来采集倾角并将采集到的倾角数据接入塔基采集站5；rs485模块4由rs485总线组成，rs485总线采用半双工工作方式，支持多点数据通信，采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上rs485总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mv的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复，用于将塔顶倾角传感器1、塔中加速度传感器2和塔基倾角传感器3与塔基采集站5连接，塔顶倾角传感器1、塔中加速度传感器2、塔基倾角传感器3和塔基采集站4均挂设在rs485总线上，塔顶倾角传感器1、塔中加速度传感器2和塔基倾角传感器3作为rs485总线从站，塔基采集站5作为rs485总线主站；塔基采集站5，用于采集部署在塔基和塔顶的倾角数据，将倾角数据进行低通滤波处理，将加速度数据进行带通滤波处理，将倾角数据和加速度数据存盘发送；塔基交换机6，作用于塔基采集站5和服务器7之间用于交换存盘数据；服务器7，接受塔基采集器5发送的存盘数据，将数据整合后发送给上位机8；上位机8用来分析塔顶倾角数据计算塔顶位移特征值及对应方位并分析塔中加速度数据计算塔筒振动数据的特征值，判定特征值是否超出警戒。

本实施例还提供一种风力发电机组塔架安全智能监测方法，应用风力发电机组塔架安全智能监测系统进行工作，具体包括以下步骤：

s1：塔顶倾角传感器和塔基倾角传感器采集倾角数据；

s2：塔中加速度传感器采集加速度数据；

s3：塔基采集站采集倾角数据和加速度数据并进行滤波、计算处理；这一步骤通过采集塔基倾角，计算其合成角和方向角，分析基础不均匀沉降及对应方位，并将数据存盘；通过采集塔顶倾角，计算其合成角和方向角，分析塔顶位移及对应方位，并将数据存盘。

其中，步骤s3具体的包括以下几个步骤：

s31：塔基采集站监测塔基倾角数据并计算其合成角和方向角，分析基础不均匀沉降及对应方位，并将数据存盘，采集塔顶倾角数据并计算其合成角和方向角，分析塔顶位移及对应方位，并将数据存盘；

其中，步骤s31具体的包括以下步骤：

s311：判断采样周期是否达到100s，若达到则进入s312，否则采集数据后进入s312；

s312：重置采样定时器；

s313：计算倾角数据的合成角度和方向角；

s314：计算本周期数据特征值；

s315：塔基采集站将波形数据和特征值数据存盘；

s316：将所有数据发入上位机。

另外，步骤s313需要计算合成角和方位角，合成角度和方位角的具体计算方式如下：塔基采集站向塔基倾角传感器和塔顶倾角传感器获取的是x方向和y方向倾角值合成角α与其关系是，tan²α＝tan²x+tan²y

可以得到合成角

方位角θ计算如下：

按每100s作为一个波形周期计算波形的有效值

其中n为一个波形周期的采样点数，αi是每一个合成角度，并将有效值和原始波形数据存盘；

x轴输出角度正值指向北，方位角为0°；x轴输出角度负值指向南，方位角为180°；y轴输出角度正值指向东，方位角为90°；y轴输出角度负值指向西，方位角为270°。

s32：塔基采集站监测加速度数据并进行数据处理。

其中，步骤s32包括以下步骤：

s321：初次判断滑动窗口宽度是否到达10s，是则进入s322，否则采集数据存入缓存后重复s321；

s322：判断缓存是否套圈，若是则进入s323，否则直接截取缓存中最近10s的加速度数据后进入s324；

s323：分别从缓存尾部与头部截取最近10s的加速度数据，并对尾部和头部的加速度数据进行拼接；

s324：将截取/拼接的加速度数据存入滑动窗口缓存；

s325：计算滑动窗口中加速度数据的有效值、峰峰值和峰值；

s326：塔基采集站将加速度数据的有效值、峰峰值和峰值存入缓存；

s327：塔基采集站将所有数据发入下个模块并返回s322。

其中，s325中加速度数据分为x和y两个方向，塔基采集站直接采集到的信号是ax和ay，

合成加速度，计算方式为以采样周期为计算周期滚动计算最新的10s256点的合成加速度的最大值、最小值、峰峰值、有效值。计算合成加速度的最大值、最小值、峰峰值、有效值用来分析塔筒振动情况，并将数据存盘。

s4：上位机分析塔基倾角数据得到不均匀沉降特征值及对应方位、分析塔顶倾角数据计算塔顶位移特征值及对应方位、分析塔中加速度数据计算塔筒振动数据的特征值；

s5：上位机判断不均匀沉降特征值、塔顶位移特征值及塔筒振动数据的特征值是否超出警戒值，若有一个超出警戒值则进入s6，否则返回s1；

s6：系统告警控制风电机组停机。

其中，倾角数据包括x方向和y方向的倾角值，x方向与y方向互相垂直；塔基采集站采集倾角数据的采样频率是10hz，塔基采集站采集加速度数据的采样频率为25.6hz；倾角数据的计算周期为100s，即倾角数据100s采集1000点为一组波形数据；加速度数据的计算周期为10s，即加速度数据10s采集256点为一组波形数据。

本发明的系统主要包括塔塔顶双轴倾角传感器、塔中加速度传感器、塔基双轴倾角传感器、塔基采集站、塔基交换机、服务器、上位机等模块组成。在塔基和塔顶分别部署一个双轴倾角传感器，可采集x、y两个方向的倾角，在塔筒中段部署一个加速度传感器，可采集x、y两个方向的加速度值，这些信号均接入塔基采集站，塔基采集站将信号预处理后缓存至服务器，服务器可以通过塔基采集站向塔顶倾角传感器、塔中加速度传感器和塔基倾角传感器发送采集指令，服务器将采集的数据发给上位机进行计算与分析，将分析结果与预设的阈值进行比对，判断机组是否处于安全状态并将状态发送至机组工作人员；系统启动后，塔基采集站根据各个传感器的采样率，周期地向传感器发起读取指令，并获取传感器数据，同时服务器定期获取采集站数据，上位机分析服务器得到的数据，通过风力发电机组塔架安全智能监测系统和与之匹配的方法可以实时监测塔架的状态，且系统还可以对实时的数据进行分析，通过预设的安全阈值对塔架的安全状态进行判断，分析实时数据可以预测塔架震动的趋势能够减少现场运维人员的巡检工作量避免浪费人力，并极大的提高了巡检安全性对危险状态进行及时预判和预测。

上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围之内。