一种基于Mesh自组网的海上风机寿命预测系统和方法与流程

本发明涉及通信和风电领域，尤其涉及一种基于mesh自组网的海上风机寿命预测系统和方法。

背景技术：

1、1954年1月10日，英国海外航空781班机由彗星dh-106执飞，从罗马飞往伦敦，在地中海上空发生解体并爆炸，导致机上的29名乘客和6名机组人员全部罹难。同年4月8日，南非航空201班机由彗星dh-106执飞（从英国海外航空租用客机），从罗马飞往约翰内斯堡的途中，再度于地中海上空发生解体，导致机上的14名乘客和7名机组人员全部罹难。接连两次空难使得“金属疲劳”一词频繁出现在新闻头条中，引起公众的持久关注。彗星dh-106是世界上首批民用喷气式飞机，也是首次使用增压舱的飞机，由于增压效应和飞行载荷的共同作用导致窗角出现裂纹，并且随着时间推移，这些裂纹逐渐生长，最终导致机舱解体。在此之后，科学家发现疲劳是许多机械部件失效的罪魁祸首，譬如在高强度周期循环载荷下运行的涡轮发动机、车辆轴承和底盘骨架、风力发电机等。

2、疲劳的定义为：“由单次作用不足以导致失效的载荷循环所引起的失效”。疲劳的征兆是局部区域塑性变形所导致的裂纹，此类变形通常发生在零部件的应力集中区域，或者表面业已存在但难以被观察到的缺陷部位。设计人员为了使设计满足总体强度要求，需要保证设计能够承受可能出现的极限载荷。但是，在实际运行过程中，设计不可能只承受静态载荷，在绝大多数情况下设计所承受的载荷是周期变化的，随着时间的推移，设计就会出现疲劳，最终导致零件失效并损坏。

3、考虑到海上风机地理环境的特殊性，通常部署在距离海岸线50公里左右的海面区域，部署位置较为分散。在这种大型、宽阔的海域中建立通信网络往往要面对海底布线的施工难题和成本问题。

技术实现思路

1、本发明公开了一种基于mesh自组网的海上风机寿命预测系统和方法，目的在于以相对较低的成本实现高精度的海上风机剩余预测和监控，为风机检修、零部件保养、电网优化提供理论指导数据，可以保障海上风场安全运营，降低风机故障检修成本，提升风场整体发电效率。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于mesh自组网的海上风机寿命预测系统，使用分布式光纤振动传感器采集风机各部件的振动物理量，包括塔底、主轴、叶根、固定轮毂、转动轮毂、塔顶的振动监测和采集；使用plc控制机械逻辑，并进行modbustcp、opc接口转换；海上风机mesh子节点实现了振动物理量到载荷分量的转换、数字信号调制和解调、射频信号收发、mesh互联和载荷数据传输；陆地大功率mesh中心基站实现了一种高精度风机寿命预测算法：基于疲劳损伤理论分析和有限元分析方法，借助雨流计数将变幅载荷转换为等幅载荷，同时考虑载荷的累积效应，借助马尔科夫矩阵对载荷统计和累加，并考虑不同风速、风向角度、湍流强度下的疲劳损伤，结合风况概率分布计算累积疲劳载荷均值，预测风机各部件的失效时间和风机剩余寿命；scada为mesh基站提供数据查询和存储服务；ue为用户提供控制和监控手段。

3、本发明还提供一种使用上述基于mesh自组网的海上风机寿命预测系统的预测方法，包括如下步骤：

4、步骤1：10分钟50hz载荷分量采集。以不低于50hz频率采集风机各部件振动物理量，根据标定校准表，将振动物理量转换为载荷分量，每隔10分钟生成一组载荷分量文件并上传到陆地大功率mesh中心基站；

5、步骤2：风况统计和载荷分组。对于各10分钟50hz载荷分量文件，统计各风机在相应10分钟时间段内的平均风速、风向角度和湍流强度，根据统计结果对所有10分钟50hz载荷分量文件树状缓存；

6、步骤3：雨流计数算法。对于分组后的各10分钟50hz载荷分量文件，使用雨流计数法，将变幅载荷历程转换为循环载荷历程，雨流计数结果包括：循环次数序列、幅值序列、均值序列、最小和最大幅值、最小和最大均值；

7、步骤4：马尔科夫矩阵。依据疲劳损伤理论分析方法和有限元理论分析方法，对于上述雨流计数结果，使用马尔科夫模型计算马尔科夫矩阵（也称之为疲劳载荷谱或雨流损伤矩阵），并对马尔科夫矩阵进行累加，得到中间结果：累积循环次数序列、累积循环幅值序列。将中间结果存储到scada数据库作为后续寿命估计依据；

8、步骤5：疲劳损伤概率分布。按风速区间、风向角度、湍流强度对累积循环次数序列、累积循环幅值序列进行加权平均，得到不同风况概率分布下的累积疲劳损伤均值；

9、步骤6：风机寿命估计。根据风机设计寿命、风况概率分布、累积疲劳损伤均值、等效疲劳载荷，预测基于载荷分量的全周期寿命，进而推算出基于载荷分量的剩余寿命，得到风机各部件和风机的剩余寿命估计值。

10、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

11、1、基于mesh自组网技术，实现各风机之间的无线通信和数据传输，无需海底布线，不受海洋环境影响，降低了施工作业的人力成本，又能建立简单、快捷、高效的通信网络。并且，mesh自组网具有卓越的网络自愈能力、网络全向高带宽覆盖和高度适应网络拓扑等优势，极大丰富了海上风场的监控和管理；

12、2、基于疲劳损伤理论分析和有限元分析方法，借助雨流计数将变幅载荷转换为等幅载荷，同时考虑载荷的累积效应，借助马尔科夫矩阵对载荷统计和累加，并考虑不同风速、风向角度、湍流强度下的疲劳损伤，结合风况概率分布计算累积疲劳载荷均值，能够准确的预测风机各部件的失效时间和风机剩余寿命；

13、3、以相对较低的成本实现高精度的海上风机剩余预测和监控，为风机检修、零部件保养、电网优化提供理论指导数据，可以保障海上风场安全运营，降低风机故障检修成本，提升风场整体发电效率。

技术特征：

1.一种基于mesh自组网的海上风机寿命预测系统，其特征在于，包括分布式光纤振动传感器采集模块、plc、海上风机mesh子节点、陆地大功率mesh中心基站、scada和终端；

2.根据权利要求1所述的一种基于mesh自组网的海上风机寿命预测系统，其特征在于：

3.一种基于mesh自组网的海上风机寿命预测方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的基于mesh自组网的海上风机寿命预测系统，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的基于mesh自组网的海上风机寿命预测方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

5.根据权利要求3所述的基于mesh自组网的海上风机寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

6.根据权利要求5所述的基于mesh自组网的海上风机寿命预测方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

7.根据权利要求6所述的基于mesh自组网的海上风机寿命预测方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

8.根据权利要求7所述的基于mesh自组网的海上风机寿命预测方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

9.根据权利要求8所述的基于mesh自组网的海上风机寿命预测方法，其特征在于，所述步骤6具体为：

技术总结
本发明公开了一种基于Mesh自组网的海上风机寿命预测系统和方法，涉及通信技术领域和风电领域，其中DVS用于采集风机各部件的振动物理量；PLC用于机械逻辑控制；海上风机Mesh子节点实现了振动物理量到载荷分量的转换、数字信号调制和解调、射频信号收发；陆地大功率Mesh中心基站实现了一种高精度风机寿命预测算法：预测风机各部件的失效时间和风机剩余寿命；SCADA为Mesh基站提供数据查询和存储服务；UE为用户提供控制和监控手段；本发明基于Mesh自组网技术，实现各风机之间的无线通信和数据传输，无需海底布线，不受海洋环境影响，降低了施工作业的人力成本，又能建立简单、快捷、高效的通信网络。

技术研发人员：武波
受保护的技术使用者：南京典格信息技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31