一种海上风电结构多源数据同步实时监测系统

1.本实用新型涉及一种海上风电结构监测系统。


背景技术：

2.近年来，我国海上风电产业蓬勃发展，2019年，中国海上风电装机容量达2.4gw，连续第二年新增装机容量世界第一。目前我国已建成各种结构形式的海上风电2000余台，但随着海上风电规模的快速增长，与海上风电相关的配套监测系统却并未得到同步有效的发展，其中，结构监测是一项重要的监测内容。海上风电结构作为风机结构的主体，是决定海上风电的运行使用寿命的关键组成部分，其设计寿命通常在15-25年。按照目前国内海上风电的建设和运维周期，近五年内，国内将有大量风机进入服役中后期，由于海上风电结构所处的海洋环境复杂、恶劣、多变，导致风电结构容易发生腐蚀、疲劳和损伤等情况，因此开展海上风电结构的监测尤为必要。
3.目前，国内海上风电结构监测起步较晚，仍处于发展和建设的初期，相关配套设备尚未形成统一的标准，各单位主要根据自身特殊需求进行有针对性性的监测，监测内容和监测点位方面均存在一定程度上的不完备。2019年，中科院声学研究所提出一种桩柱冲刷状态监测系统与方法，通过高频声呐装置线对海底桩柱连续若干点和若干角度的监测，其仅实现对结构冲刷的监测，并未涉及结构振动响应；2021年，大连理工大学在大量庄河某海上风电场布置了针对海冰对风机结构监测影响的监测系统，但无环境相关监测。
4.综上所述，目前海上风电结构监测主要存在以下问题：
①
监测内容部分缺失，包括结构响应和环境相关监测内容的缺失，特别是环境监测中波浪数据的缺失；
②
振动响应监测测点少，单台风机仅安装1-2个的加速度、倾角，且安装位置一般仅存在于基础顶部；
③
结构响应与工况变化息息相关，大部分监测数据缺少scada信息。


技术实现要素：

5.为解决目前海上风电结构监测的所述问题，本实用新型提出一种多源长期同步的海上风电结构多源数据同步实时监测系统，充分考虑风机在实际服役过程中环境和运行工况对结构的影响，建立全寿命周期下的“环境-工况-响应”同步、实时监测。本实用新型的技术方案为：
6.一种海上风电结构多源数据同步实时监测系统，包括机舱及塔筒，所述塔筒自下而上依次包括：基础法兰层、第一平台层、第二平台层、马鞍层及扭缆层，还包括：结构响应监测系统、环境监测系统、工况监测系统、分布式数据采集仪及现场主控设备，所述结构响应监测系统包括分别设置在各层上的加速度传感器以及分别设置于基础法兰层、第一平台层及扭缆层的倾角传感器，所述分布式数据采集仪用以对所述结构响应监测系统、环境监测系统及工况监测系统进行数据采集，并将数据传输至现场主控设备。
7.进一步地，所述环境监测系统包括位于基础法兰层上的水位波浪雷达、两台风速风向仪和视频监测装置。
8.进一步地，所述工况监测系统为scada系统。
9.进一步地，所述加速度传感器为mems三轴加速度传感器，所述倾角传感器为动态双轴倾角传感器。
10.进一步地，所述风速风向仪为超声波风速风向仪。
11.进一步地，所述现场主控设备位于第一平台层。
12.与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果如下：本实用新型充分考虑风机在实际服役过程中环境和运行工况对结构的影响，建立全寿命周期下的“环境-工况-响应”同步、实时监测，实现了海上风电结构“环境-工况-响应”的多源数据的同步数据采集与获取，可对海上风机机位处的波浪实时有效监测，同时实现了无人值守，长期自主采集与数据同步功能，可为海上风电结构监测框架提供建设性意见和经验。
附图说明
13.图1是本实用新型海上风电结构多源数据同步实时监测系统原理框图；
14.图2是本实用新型塔筒结构示意图；
15.图中：
○
代表加速度传感器，
☆
代表倾角传感器；
16.图3是外平台俯视示意图；
17.如上各图中，1、基础法兰层；2、第一平台层；3、第二平台层；4、马鞍层；5、扭缆层、6、外平台；7、风速风向仪。
具体实施方式
18.为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本技术中的实施例，都应当属于本技术的保护范围。
19.参考图1，本实施例提出一种海上风电结构多源数据同步实时监测系统，监测对象为海上风电塔筒和基础结构，塔筒自下而上依次包括：基础法兰层1、第一平台层2、第二平台层3、马鞍层4及扭缆层5，监测系统包括：结构响应监测系统、环境监测系统、工况监测系统、分布式数据采集仪及现场主控设备，分布式数据采集仪用以对所述结构响应监测系统、环境监测系统及工况监测系统进行数据采集，并将数据传输至现场主控设备。
20.参考图2，关于结构响应监测系统，海上风电结构体型较为庞大，塔筒高度在80米左右，为了更加有效的监测结构的振动响应状态，应在结构最为关键的位置安装布放传感器，同时，还要兼顾考虑现场安装的可操作性，因此，本实施例选择将结构响应监测的传感器安装于塔筒及基础结构连接法兰处，且法兰位置处均安装有可进行运维的操作平台，方便传感器安装。其中，本实施例的结构响应监测系统包括5个加速度测点，自底向上分别位于基础法兰层1、第一平台层2、第二平台层3、马鞍层4及扭缆层5，基础法兰层位于离地面高度20m处，第一平台位于离地面高度38m处，第二平台位于离地面高度57m处，马鞍层位于离地面高度75m处，扭缆层位于离地面高度93处。3个倾角测点，分别放置于基础法兰层1、第一平台层2和扭缆层5。4个应变测点位于基础法兰层1。法兰连接处是风机结构的薄弱和损伤易发点，并且与结构设计过程中的许多指标要求的位置相近，因此与结构响应相关的传感器都放置于各层塔筒法兰连接处。
21.其中，在加速度测点设置加速度传感器，本实施例加速度传感器为mems三轴加速度传感器，量程：
±
2g，频响范围：0-1000hz，测量精度：400mv/g。在倾角测点设置倾角传感器，倾角传感器为动态双轴倾角传感器，动态精度0.01度，最高采样频率200hz，通信方式为can总线。为了使得测量结果更加准确，同时有利于后续模态分析，5个加速度传感器在各层位于同一垂直方向。本实施例在应变测点设置应变计，4个应变计在圆周方向上均匀布设，具体可安装在风机基础顶部内壁法兰下部前后左右四个位置。风机基础顶部法兰位置作为风机结构最易受损伤位置，也是风机结构在荷载作用下受力最大的位置，是决定风机结构状态和运行寿命的关键指标。
22.参考图2及图3，关于环境监测系统，海上风电结构监测的重要组成部分。对海上风电结构影响占主要的环境因素主要有两部分，分别为风荷载和波浪荷载。海上风电结构的环境监测需要实时获取风机机位的风速风向及相关波浪参数数据。环境监测的内容和现场情况包括以下内容：1个水位波浪监测测点，位于基础法兰层1风机套笼外平台与海面悬空处，平台与海面之间无遮挡物，波浪雷达可直接照射到水面，直接测量作用到风机结构处的波浪参数(波高，周期和波向)；2个风速风向测点，分别位于基础法兰层1塔筒外平台两个爬梯上部的外栏杆上，由于风机塔筒体积较大，塔筒两侧风的遮挡效果明显，需要在两侧分别安装风速风向传感器；两个视频监测装置位于基础法兰层，本视频监测装置即摄像头具体可安装在图3中风速风向仪下，视频监测的主要为监测现场提供直观的环境条件视频素材，协助监测或用于验证部分特殊事件，如运维船停靠，人员操作，极端环境(如台风期间的波浪，水位的直观变化情况)，同时，视频素材的积累为后续开发基于图像识别的运维管理和环境参数识别算法提供素材。
23.其中，水位波浪监测测点设置水位波浪雷达，即在在风机外平台侧面安放一台可可远程监测水位高度、波向、波高、波周期的水位波浪雷达设备，该设备同时应具备不低于一下标准的测量指标：波向观测范围0-360度，波高观测范围0-60m，测量频率可达10hz。在风速风向测点设置超声波风速风向仪7，其内置电子指北针，风速分辨率为0.03m/s，风向分辨率为1度。
24.本实施例分布式数据采集仪可有效减少传统监测方案中施工复杂，线缆多等问题。该采集设备采用分布式can总线方式进行通讯，可连接40个通道的模拟量传感器信号，最高采样频率为1khz。现场主控设备为第一平台层2，主要对现场所有设备提供现场供电，信号采集，数据存储和远程操控等。
25.本实用新型涵盖了海上风电结构监测的全部关键技术指标内容，传感器数量和种类丰富，测点完善，可实现实时长期无人值守数据采集与同步，以及远程操控功能。首次将波浪雷达系统包含进风机结构监测中，为波浪雷达设备在海上风电结构监测的应用提供了有效经验和技术支撑。多源同步数据为构建海上风电大数据提供了有效保障，对今后实现海上风电结构监测向数字化、智慧化方向发展提供有效数据基础。
26.关于工况监测系统，本实施例采用scada系统监测工况机舱的偏航、转速、变桨等参数。需要特殊强调的是，scada系统往往与结构监测系统隶属于两个不同的系统，不同监测指标的采样频率和格式也存在较大的区别，在实现同步监测和耦合分析的过程中，需要两个系统进行数据格式和时间同步，可通过网络时钟同步机制与风机scada数据的时钟进行对接，并通过多源数据的相关性以及数据插值等方式进行时钟校准，从而实现实时工况
信息的获取。
27.以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。