一种测量风力发电机叶片到塔筒的距离传感装置的制作方法

本发明属于测量领域，尤其是风力发电机组故障监测技术领域，具体是一种测量风力发电机叶片到塔筒的距离传感装置。

背景技术：

结合图1，风力发电机组塔架净空为机组叶片的叶尖与叶尖高度处塔筒壁的最近距离，随着风力机技术的发展及能效要求的提高，风力机叶片越来越长、越来越柔，以及风力机在某些工况下存在扫塔的风险或已发生扫塔事故，发生扫塔后轻则更换叶片、重则导致整个机组报废，将带来巨大的经济财产损失。

净空监测雷达(以下简称净空雷达)为一种实时监测叶尖净空距离的雷达，当监测到叶片净空值接近规定的最小净空值时，风机机组主控可立即采取保护性措施，如减速、收桨等。净空雷达在存量机组上应用可起到预防扫塔、解除危险机组功率限制进而提高发电量的作用，在未来机组上应用可起到降低叶片成本、降低机组设计压力的作用。

另外由于风电机组多数应用环境恶劣，频繁经受雨雾干扰，因此对净空雷达的环境适应性也提出了要求，净空雷达需要同时解决准确性及数据有效性两大问题。

目前已有的净空雷达技术，可通过探测手段分为三大类，现按照此分类做一下简述：

1.第一大类：视频净空测量或图像净空测量(以下简称视频净空装置)作为净空雷达。

此类严格来讲不能称为雷达，因此称之为装置。视频净空装置采用视频摄像头从机舱向下拍摄叶片及塔筒，叶片运转时采用图像识别的方法识别叶尖及塔筒的图像距离，通过一定的几何关系计算，换算为净空值。

此类装置的缺点是：a.算法有效率问题：图像识别算法的有效性是决定其有效性的重要因素，在烈日大光比、地面较多杂草或石块干扰等情况下容易丢失真实叶尖边缘，造成误判；b.图像模糊问题：通过摄像头采集信息的技术原理限制是决定其有效性的根本因素，在大雾时叶片下半部分边缘模糊造成测距值偏高，在夜晚光线极弱时摄像头噪点增高而模糊、补光无法触及几十米远的叶尖也造成测距值偏高，造成误判；c.成本高：因需要图像处理算法，需要借助高性能计算设备实现，因此成本高。

2.第二大类：毫米波雷达作为净空雷达。此类根据安装形式分为两类：机舱安装、塔筒安装。其中塔筒安装需要考虑偏航需求，需要在叶尖高度处的塔筒上安装多个宽视场角雷达，实施难度极高、成本极高，不具参考意义，因此不再赘述。

机舱安装毫米波雷达，通过在机舱尾部或上面向斜下方发射毫米波波束，通过检测回波来测量叶片距离。机舱安装可解决偏航的问题，毫米波雷达可解决雨雾干扰问题。

其缺点是：其先天特性决定了波束主瓣宽度大，倾斜测量时能量更加不集中，同时叶片材料对其回波不强，导致检测概率低；同时其主瓣宽度大造成了距离测量精度差，无法精确得出净空值。

3.第三大类：激光测距雷达作为净空雷达。此类雷达也有两种安装方式：机舱安装、塔筒安装。如前文所述，塔筒上安装多个激光测距雷达的方法不可取，不再赘述。

机舱安装的激光测距雷达，依据净空预警形式又分为两大类：作为开关预警及测量净空值预警。

其中作为开关预警指仅通过一个激光光束测量距离，无叶片时为地面距离，当有叶片扫过激光束时检测到叶片距离，然后风机立即进入保护状态，其缺点为雨雾适应差，容易因雾气的回光导致检测到假的距离，导致虚警(错误地进行净空小于安全距离的报警)。

测量净空值预警是指通过激光束测量叶片距离，并利用已知的风机塔筒高度、叶片长度等具有特定几何关系及物理模型的参数通过一定计算反推出净空值，当净空值到达某个阈值后，风机进入保护状态。目前已有的为1个或2个光束的雷达，其缺点是，仍然具有雨雾适应差的问题，容易因雾气的回光导致检测到假的距离，导致虚警。

技术实现要素：

本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种测量风力发电机叶片到塔筒的距离传感装置，用以解决激光雷达受雨雾干扰导致虚警或误报的问题，以及视频净空设备算法有效率低、图像模糊导致识别出错、成本高等问题，也解决了毫米波雷达作为净空雷达时的检测概率低、测距精度差的问题。

技术方案：

本发明公开了一种测量风力发电机叶片到塔筒的距离传感装置，它包括：

-单线测距模块：单线测距模块为m个，各单线测距模块设置在机舱固定位置，且各单线测距模块的激光发射窗口朝向斜下，分别发送激光光束，记为光束s1、光束s2、……、光束sm，m≥3；光束s1与地面垂线的夹角最小，各光束与地面垂线的夹角顺次增大，所述光束s1与地面垂线的夹角由风机要求的最小净空值决定，即光束s1的方向为：单线测距模块与最小净空值时叶片叶尖的连线方向；

-主控模块：主控模块连接各单线测距模块，获取其采集的距离信息；主控模块根据距离信息筛选出有效距离信息并进行数据处理，输出净空距离；

-数据接口和供电接口：主控模块通过数据接口向风机主控发送净空距离信息，主控模块通过供电接口自风机配电中得电。

优选的，各单线测距模块均安装在机舱的前侧下部，或均安装在机舱的上部，或均安装在机舱的尾部。

优选的，每个单线测距模块只进行一个激光光束的收发，单线测距模块采用数十千赫兹重复频率的高频激光脉冲。

优选的，所述光束sm与地面垂线的夹角最大，在风机扇叶运行时持续监测扇叶。

优选的，所述主控模块包含数据筛选模块、叶片运行周期检测模块、净空距离计算模块、多光束数据相关检测模块：

-数据筛选模块筛选出单线测距模块获得的有效数据，将有效数据分发至叶片运行周期检测模块、净空距离计算模块；

-叶片运行周期检测模块根据有效数据计算获得叶片运行周期，并送入叶片预测及叶片数据甄别模块；

-净空距离计算模块根据有效数据以计算不同单线测距模块对应的净空距离cln，多个单线测距模块的净空距离cln送入多光束数据相关检测模块，1≤n≤m；

-多光束数据相关检测模块剔除无效数据，将有效数据送入叶片预测及叶片数据甄别模块。

优选的，数据筛选模块针对特定风机机型设定的叶片测量距离范围、地面测量距离范围，采集数据属于测量距离范围内的数据视为有效数据。

优选的，多光束数据相关检测模块工作过程为：

①光束s1检测到叶片运行至接近；

②判断s2-sn获得的对应净空距离cl2-cln在误差范围内是否相等：

若cl2-cln在误差范围内相等，且光束s1检测到叶片，则判定满足了停机条件；

若cl2-cln在误差范围内不相等，即使光束s1检测到叶片，也不能判定满足停机条件，将光束s1获取的cl1视为无效数据；有效数据转入叶片预测及叶片数据甄别模块进一步判断。

优选的，主控模块还包括叶片预测及叶片数据甄别模块，叶片预测及叶片数据甄别模块结合叶片运行周期数据及多光束数据的相关性，进一步筛选叶片数据。

作为角度测量净空距离算法，净空距离cln的计算公式为：

cln＝dn×sinθn+a

式中，cln表示第n个单线测距模块计算获得的净空距离，θn表示第n个单线测距模块光束与地面垂线的夹角，a为常数，表示单线测距模块至塔筒中心的距离与叶尖水平位置处塔筒半径之差。

作为坐标系测量净空距离算法，净空距离cln的获取方式为：

建立风机纵切面的平面坐标系，各单线测距模块的坐标，激光光束s1、s2、……、sn的直线方程，叶片转轴的坐标，叶片受风力影响的运动轨迹，叶片的长度，塔筒的形状均为已知量，根据第n个单线测距模块获得的距离数据计算得到净空距离cln。

本发明的有益效果

1.相比于其他的净空雷达或净空监测装置，本发明具有多个测距光束，每个光束具有一定的角度关系，可进行独立测量，利用多光束的优势，采用相关性检测等方法，可高效地探测风机叶片距离并且减轻雨雾干扰、提取有效叶片数据、降低虚警率。

2.本发明安装方式简单，对于存量风机的安装进行简单的打孔、固定即可，且因安装在塔筒上，可与风机偏航保持同步，即可与叶片扫过的叶轮面保持恒定的位置关系。

3.采用激光作为测量手段，激光测量效率高、光束集中、测量有效性高、系统成本低。

4.提出了角度测量和坐标系测量两种算法，可基于有效数据直接计算获得净空距离，独立测量且准确率高。

附图说明

图1为背景技术中净空距离示意图

图2为本发明的装置结构示意图

图3为实施例中三个单线测距模块发射光束示意图

图4为叶片数据有效性检测算法流程图

图5为叶片被雾气干扰状态下的检测示意图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

结合图2，本设备主要由2个主要部分构成：主控以及单线(指单个光束)测距模块，主控进行单线测距模块的控制以及专用算法的实现，单线测距模块进行激光测距，每个模块只进行一个光束的收发，单线测距模块数量不小于3个。另外供电接口为整机提供供电，数据接口为净空测量结果的数据输出接口。

单线测距模块利用红外激光，采用飞行时间测距法(tof)进行测距，即发射激光脉冲，激光脉冲照射在物体上产生回波，通过比较发射的脉冲及回波脉冲时间来计算距离，本设备采用数十千赫兹重复频率的高频激光脉冲以获得足够数据。每个模块的测距值汇入主控，由主控算法进行处理后生成净空值及对应的实际测距值，通过数据接口传输给风机主控，风机主控依据雷达数据选择相应的风机运行及保护策略。

下面描述主控算法。

净空值(cln值)计算：

结合图3，雷达放置于机舱前侧下部(本实施例中以单线测距模块设置在机舱前侧下部为例进行描述，在其他实施例中，亦可以将其设置于机舱上部或机舱尾部，算法思路一致，本领域技术人员可参照本说明书实现)，可通过在机舱内部打孔后固定在开孔处的方式安装，激光发射窗口朝向斜下方。在此以3个光束的配置进行描述。发射出的测距激光束分别为光束1(s1)、光束2(s2)、光束3(s3)，3个激光束呈一定夹角，且s1与地面垂线呈一定夹角，此夹角由风机要求的最小净空值决定。定义叶片高度hbld处的光束s1、s2、s3与塔筒距离分别为dcl1、dcl2、dcl3，则dcl1即为风机要求的最小净空值。叶片运转时受风力弯折后分别触及光束s1、s2、s3，经雷达测得的距离为d1、d2、d3。

其中dbl1、dbl2、dbl3为hbld处s1、s2、s3与雷达的水平距离，dcln与dbln之差均等于xlidar与hbld处塔筒半径之差，此为已知量，设为常数a。

由于叶片倾角本身较小，叶片弯折后hbld的变化较小，为简化计算，在此忽略hbld的变化，并将叶片简化为一条直线，叶片运转时若触及s1、s2、s3，则可以由每根光束计算出一个净空值：

由sn(n＝1,2,…)描述的净空值为

cln＝dn×sinθn+a

在其他实施例中，净空距离cln的获取方式为：

建立风机纵切面的平面坐标系，各单线测距模块的坐标，激光光束s1、s2、……、sn的直线方程，叶片转轴的坐标，叶片受风力影响的运动轨迹，叶片的长度，塔筒的形状均为已知量，根据第n个单线测距模块获得的距离数据计算得到净空距离cln。

叶片数据有效性检测算法：

结合图4，算法由几个关键模块构成：数据初筛模块、叶片运行周期检测模块、多光束数据相关检测模块、叶片预测及叶片数据甄别模块。算法的输入为雷达测距值d1、d2、d3，输出为经过数据筛选后的净空值及其对应的测距值d1、d2、d3。

a)其中数据初筛为针对特定风机机型设定的可能叶片测量距离范围、地面测量距离范围，在此范围之外的为现实中不可能发生的测距值。同时针对是否有地面数据决定此时雷达测距值是否可信，若雷达可测得地面数据，说明雷达光束在地面至雷达间无遮挡(如浓雾等)，可有效测量。初筛后的数据进行叶片运行周期检测及cln值计算。

b)其中叶片运行周期检测为通过若干个测量周期内的叶片数据检测出的叶片略过激光束的周期，为之后的模块提供输入。

c)cln值计算为上文所述的计算，计算结果送入多光束数据相关检测模块。

d)多光束数据相关检测模块的工作原理为，假设叶片运行至接近dcl1的状态，s2、s3将必然被叶片遮挡，则将测得相应测距值d2、d3并得到计算的净空值cl2、cl3，而cl2、cl3在误差范围内是基本相等的，或者认为两者是相关的，此时若测得d1有叶片，即cl1≤dcl1，则认为满足了停机条件。结合图5，而若有雾气干扰的存在下测得的测距值dn值将基本相等，而其cl2、cl3将不具相关性，因此同一时刻的数据可认为是因异物遮挡而无效的，亦即即便测得d1有叶片、cl1≤dcl1，也认为是无效数据。此方法避免了最关键的cl1产生假数据，导致风机错误判断而停机或限功率，进而损失发电量。

e)叶片预测及叶片数据甄别模块通过叶片运行周期数据及多光束数据的相关性，来进一步判断数据是叶片数据还是各类环境干扰带来的假数据，第一可避免抛弃掉噪声中的有效数据，第二可以避免噪声产生假的叶片测距数据。

f)经过以上算法模块，最终输出有效的净空数据及其对应的叶片距离数据。

基于本发明提供的距离传感装置，无论单线测距模块数量为3个或更多，单线测距模块集中安装于机舱其他位置(如机舱上部、机舱尾部等)，本装置使用时利用多光束的相关性检测优势，均可减轻雨雾干扰、提取有效叶片数据、降低虚警率。

各单线测距模块均可独立进行测量，采取独立的净空距离计算算法，获取准确的净空值。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。