风电机组叶轮防超速系统、及方法与流程

本发明涉及风电机组技术领域，尤其是涉及一种风电机组叶轮防超速系统、及方法。

背景技术：

在现有技术中，风力发电机组出现超速和倒塔的现象，大部分是由于滑环磨损，叶轮转测速测量不准确，叶片不能准确收桨。通过分析以往出现超速现象风电机组，很多是由于控制电路出现问题，例如：plc故障强制输出安全链信号、滑环滑道因磨损而短路、防雷模块短路等，导致变桨安全链信号反馈错误，安全链没有断开，同时变桨系统内部没有采集转速的设备，极易发生飞车倒塔事故。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风电机组叶轮防超速系统及方法，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种风电机组叶轮防超速系统，包括：变桨系统端和塔顶主控端，其中：

所述变桨系统端包括：惯性传感器模块、数字信号滤波电路模块、第一无线通讯收发模块、第一嵌入式处理器电路模块、继电器模块以及第一稳压电源模块；所述惯性传感器模块、数字信号滤波电路模块、第一无线通讯收发模块、第一嵌入式处理器电路模块、以及所述第一稳压电源模块集成于第一pcb电路板上，所述第一pcb电路板固定于保护壳中，3个固定有所述第一pcb电路板的保护壳安装于叶轮内三个变桨柜外侧；所述继电器模块串联于变桨安全链电路中，以获得电路供电；

所述塔顶主控端包括：第二无线通讯收发模块、第二嵌入式处理器电路模块，第二稳压电源模块、以及参数显示模块；所述无线通讯收发模块、第二嵌入式处理器电路模块，第二稳压电源模块、以及参数显示模块集成于第二pcb电路板上，所述第二pcb电路板的信号接口与塔顶柜内plc控制器相关ai接口连接，为plc主控提供实时数据读出，所述第二pcb电路板由塔顶柜内24vdc电源模块并联至电源管理模块接口以获得供电。

本发明提供一种风电机组叶轮防超速方法，用于上述风电机组叶轮防超速系统，所述方法具体包括：

通过变桨系统端的第一嵌入式处理器电路模块控制三组惯性传感器模块获得实时叶轮转速数据，并进行解析，得到有效叶轮转速；

通过所述第一嵌入式处理器电路模块根据有效叶轮转速，通过算法与相关业务逻辑代码对继电器的通断信号进行控制，当判断叶轮即将超速时，控制继电器模块断开；

在判断叶轮即将超速时，通过第一无线通讯收发模块将有效叶轮转速发送至塔顶主控端的第二无线通讯收发模块，通过塔顶主控端的第二嵌入式处理器电路模块进行解析处理，发送到塔顶plc控制器从站的ai点口。

采用本发明实施例，独立于现有测速设备，采用惯性传感器，检测风电机组运行过程中叶轮实时转速，避免了机械测速设备磨损带来的误差，为控制系统提供有效、准确的叶轮转速反馈，在超过最大超速转速前对风电机组相关变浆控制设备发出信号，实现紧急收浆停机，从而防止风电机组超速发生事故。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。

图1是本发明实施例的风电机组叶轮防超速系统的示意图；

图2是本发明实施例的风电机组叶轮防超速方法的详细流程图；

图3是本发明实施例的风电机组叶轮防超速方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

系统实施例

根据本发明实施例，提供了一种风电机组叶轮防超速系统，图1是本发明实施例的风电机组叶轮防超速系统的示意图，如图1所示，根据本发明实施例的风电机组叶轮防超速系统具体包括：变桨系统端和塔顶主控端，其中：

所述变桨系统端包括：惯性传感器模块、数字信号滤波电路模块、第一无线通讯收发模块、第一嵌入式处理器电路模块、继电器模块以及第一稳压电源模块；所述惯性传感器模块、数字信号滤波电路模块、第一无线通讯收发模块、第一嵌入式处理器电路模块、以及所述第一稳压电源模块集成于第一pcb电路板上，所述第一pcb电路板固定于保护壳中，3个固定有所述第一pcb电路板的保护壳安装于叶轮内三个变桨柜外侧；其中，所述3个固定有所述第一pcb电路板的保护壳需要保持其各自惯性传感器模块的陀螺仪芯片的x轴、y轴和z轴坐标系成120度相互对称放置。所述继电器模块串联于变桨安全链电路中，以获得电路供电；

所述塔顶主控端包括：第二无线通讯收发模块、第二嵌入式处理器电路模块，第二稳压电源模块、以及参数显示模块；所述无线通讯收发模块、第二嵌入式处理器电路模块，第二稳压电源模块、以及参数显示模块集成于第二pcb电路板上，所述第二pcb电路板的信号接口与塔顶柜内plc控制器相关ai接口连接，为plc主控提供实时数据读出，所述第二pcb电路板由塔顶柜内24vdc电源模块并联至电源管理模块接口以获得供电。

需要说明的是，在本发明实施例中：

所述惯性传感器模块采用mpu6050加速度计陀螺仪芯片；

所述第一嵌入式处理器电路模块和所述第二嵌入式处理器电路模块采用stm32f10嵌入式控制器芯片。

所述第一无线通讯收发模块和所述第二无线通讯收发模块采用nrf24l01无线通讯模块；

数字信号滤波电路模块为采用贴片电容、贴片电阻、贴片电感组成的模拟电路。

所述第一稳压电源模块和所述第二稳压电源模块采用ad584电源管理芯片。

以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

本发明实施例的系统包括变桨系统端和塔顶主控端两部分，其硬件架构如图1所示：

变桨系统端主要包括：惯性传感器模块、数字信号滤波电路模块、无线通讯收发模块、控制器模块、继电器模块、稳压电源模块。

塔顶主控端主要包括：无线通讯收发模块、核心嵌入式处理器电路模块，电源管理电路模块，参数显示模块。

本发明实施例中，惯导传感器采用mpu6050加速度计陀螺仪芯片，数字信号滤波电路采用贴片电容、贴片电阻、贴片电感组成模拟电路用以实现模拟电路滤波。

本发明实施例的机组叶轮部分中，mpu6050芯片与其相关电路集中于测量模块中，mpu6050芯片、stm32f10嵌入式控制器芯片、nrf24l01无线通讯模块、继电器模块与ad584电源管理芯片集成于pcb电路板上，该pcb电路板同时集成其他辅助电路所需原件与接口。该pcb电路板将固定于防水材料制成的保护壳中，且该保护壳可按空间需要而进一步设计。3个如上所述的保护壳整体安装于叶轮内三个变桨柜外侧，用螺丝固定，且尽量保持其各自mpu6050陀螺仪芯片的x,y和z轴坐标系成120度相互对称放置。继电器模块将串联于变桨安全链电路中，其整个电路板的电源将从变桨柜内24v电源模块中并联至电路板电源管理芯片接口，从而为获得电路供电。

本发明实施例的机组塔顶机舱部分采用相同的stm32f10嵌入式控制器芯片，且同样与ad584电源管理芯片、nrf24l01无线通讯模块和相关辅助电路与接口集成于一块pcb电路板上。同时该电路板的信号接口将与塔顶柜内plc控制器相关ai接口连接，为plc主控提供实时数据读出。该电路板将由塔顶柜内24vdc电源模块并联至电源管理模块接口，从而获得供电。

首先，变桨系统(柜)处的stm32f10嵌入式控制器芯片将控制三组mu6050芯片获得实时叶轮转速数据，并于该芯片内进行解析和处理，通过算法与相关业务逻辑代码对继电器的通断信号进行控制，当控制器判断即将超速时，将控制继电器模块断开，从而触发变桨安全链系统，使机组在超速前停机；同时该转速数据将由此处的nrf24l01(主)无线通信模块，不间断得，通过2.4ghz通讯协议发送至塔顶主控系统处的nrf24l01(从)无线通讯模块，由主控系统的stm32f10控制器模块解析处理后，发送给塔顶plc控制器从站的ai点口，风电机组plc控制器便可实时读去该安全系统的转速及其相关数据，作为控制参考数据和任务日志数据。

本发明实施例系统的数据处理流程如图2所示：

mpu6050陀螺仪加速度芯片采集三个变桨系统所在方向上的角速度、加速度、地磁方向、温度等数据。角速度值将经过卡尔曼数字滤波器算法、低通滤波器算法以及模拟滤波电路后，与加速度值，温度值补偿结合，修正误差。其结果将再次与加速度值结合，经过姿态解算四元数、欧拉角等，读出有效叶轮转速。该转速值将被发送至风电机组塔顶plc控制器20号站(或22)ai数据接口，主控也将读到该角速度数值。同时，该角速度值将被用以判断叶轮的角速度加速度值。当角速度值超过设定转速，且角速度加速度值为正，持续2秒-3秒后，控制逻辑测盘底为叶轮即将超速，此时控制器将触发继电器，从而断开安全链，从而使叶轮于超速之前开始停机。

综上所述，本发明通过mpu6050传感器芯片，测量风电机组叶轮实时转速，同时通过嵌入式控制器对叶轮速度检测，判断是否有超速趋势，可使叶轮在超速之前实现停机，精确、安全、可靠；避免了机械测速装置的磨损带来的误差风险，且安装简易。通过无线模块实现无线传输，避免了有线电路带来的安全隐患。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种风电机组叶轮防超速方法，用于权利上述系统实施例中的风电机组叶轮防超速系统，图3是本发明实施例的风电机组叶轮防超速方法的流程图，如图3所示，根据本发明实施例的风电机组叶轮防超速方法具体包括：

步骤301，通过变桨系统端的第一嵌入式处理器电路模块控制三组惯性传感器模块获得实时叶轮转速数据，并进行解析，得到有效叶轮转速；具体地，步骤301包括：

通过变桨系统端的第一嵌入式处理器电路模块控制三组惯性传感器模块获得三个变桨系统所在方向上的角速度、加速度、地磁方向、以及温度数据；

对所述角速度经过卡尔曼数字滤波器算法、低通滤波器算法以及数字信号滤波电路模块的模拟滤波后，与加速度和温度补偿结合，进行误差修正，将误差修正结果再次与加速度结合，经过姿态解算四元数和欧拉角处理，得到有效叶轮转速。

步骤302，通过所述第一嵌入式处理器电路模块根据有效叶轮转速，通过算法与相关业务逻辑代码对继电器的通断信号进行控制，当判断叶轮即将超速时，控制继电器模块断开；步骤302具体包括：

根据所述有效叶轮转速判断叶轮的角速度加速度值，当角速度值超过设定转速，且角速度加速度值为正，持续预定时间后，确定叶轮即将超速，控制触发继电器模块，断开安全链，使叶轮于超速之前开始停机。

步骤303，在判断叶轮即将超速时，通过第一无线通讯收发模块将有效叶轮转速发送至塔顶主控端的第二无线通讯收发模块，通过塔顶主控端的第二嵌入式处理器电路模块进行解析处理，发送到塔顶plc控制器从站的ai点口。其中，在判断叶轮即将超速时，通过第一无线通讯收发模块将有效叶轮转速不间断的通过2.4ghz通讯协议发送至塔顶主控端的第二无线通讯收发模块。

在本发明实施例中，通过风电机组plc控制器实时读取所述有效叶轮转速，作为控制参考数据和任务日志数据。

以下进行详细说明。

首先，变桨系统(柜)处的stm32f10嵌入式控制器芯片将控制三组mu6050芯片获得实时叶轮转速数据，并于该芯片内进行解析和处理，通过算法与相关业务逻辑代码对继电器的通断信号进行控制，当控制器判断即将超速时，将控制继电器模块断开，从而触发变桨安全链系统，使机组在超速前停机；同时该转速数据将由此处的nrf24l01(主)无线通信模块，不间断得，通过2.4ghz通讯协议发送至塔顶主控系统处的nrf24l01(从)无线通讯模块，由主控系统的stm32f10控制器模块解析处理后，发送给塔顶plc控制器从站的ai点口，风电机组plc控制器便可实时读去该安全系统的转速及其相关数据，作为控制参考数据和任务日志数据。

本发明实施例系统的数据处理流程如图2所示：

mpu6050陀螺仪加速度芯片采集三个变桨系统所在方向上的角速度、加速度、地磁方向、温度等数据。角速度值将经过卡尔曼数字滤波器算法、低通滤波器算法以及模拟滤波电路后，与加速度值，温度值补偿结合，修正误差。其结果将再次与加速度值结合，经过姿态解算四元数、欧拉角等，读出有效叶轮转速。该转速值将被发送至风电机组塔顶plc控制器20号站(或22)ai数据接口，主控也将读到该角速度数值。同时，该角速度值将被用以判断叶轮的角速度加速度值。当角速度值超过设定转速，且角速度加速度值为正，持续2秒-3秒后，控制逻辑测盘底为叶轮即将超速，此时控制器将触发继电器，从而断开安全链，从而使叶轮于超速之前开始停机。

需要说明的是，本说明书中关于存储介质的实施例与本说明书中关于基于区块链的服务提供方法的实施例基于同一发明构思，因此该实施例的具体实施可以参见前述对应的基于区块链的服务提供方法的实施，重复之处不再赘述。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

在20世纪30年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(programmablelogicdevice，pld)(例如现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片pld上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logiccompiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(hardwaredescriptionlanguage，hdl)，而hdl也并非仅有一种，而是有许多种，如abel(advancedbooleanexpressionlanguage)、ahdl(alterahardwaredescriptionlanguage)、confluence、cupl(cornelluniversityprogramminglanguage)、hdcal、jhdl(javahardwaredescriptionlanguage)、lava、lola、myhdl、palasm、rhdl(rubyhardwaredescriptionlanguage)等，目前最普遍使用的是vhdl(very-high-speedintegratedcircuithardwaredescriptionlanguage)与verilog。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。

控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：arc625d、atmelat91sam、microchippic18f26k20以及siliconelabsc8051f320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本说明书一个或多个实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书一个或多个实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flashram)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，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、商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、商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、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书一个或多个实施例可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书的一个或多个实施例，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本文件的实施例而已，并不用于限制本文件。对于本领域技术人员来说，本文件可以有各种更改和变化。凡在本文件的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本文件的权利要求范围之内。