CN102997962A - 传输来自风能系统的电能的电缆及其监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风能系统，其包括地理位置感测模块，以及用于传输来自所述风能系统的能量的电缆。所述电缆包括位于所述电缆的第一位置处的第一感测装置。所述第一感测装置经设置用于感测所述第一感测装置的相对位置。此外，所述电缆包括位于所述电缆的第二位置处的第二感测装置。所述第二感测装置经设置用于感测所述第二感测装置的相对位置。所述第一感测装置和所述第二感测装置经设置用于彼此之间通信；并且所述第一感测装置和所述第二感测装置中的一者经设置用于与所述风能系统的地理位置感测模块进行通信。

Description

传输来自风能系统的电能的电缆及其监控方法

技术领域

本发明大体涉及用于包括电缆的风机的方法和系统，确切地说，涉及用于感测风机的电缆中条件的方法和系统。

背景技术

一般而言，风机包括具有转子的涡轮机，所述转子包括具有多片叶片的可旋转轮毂组件。所述叶片将风能转变成机械转动扭矩，使得通过转子驱动一个或多个发电机。发电机有时通过齿轮箱以可旋转的方式连接到转子，但并非总是如此。齿轮箱增大转子固有的较低旋转速度，以使发电机有效地将转动机械能转化成电能，电能通过至少一个电气连接件输送到公用设施电网中。也存在无齿轮直接驱动风机。转子、发电机、齿轮箱和其他部件通常安装在外壳或机舱内，外壳或机舱位于底座顶部上，底座可为桁架或管形塔筒。

一些风机配置包括双馈感应发电机（DFIG）。此类配置也可包括电力转换器，该电力转换器用于将生成电能的频率转换成大体类似于公用设施电网频率的频率。此外，结合DFIG的此类转换器也在公用设施电网和发电机之间传输电能，并且将发电机激磁功率从连接到公用设施电网连接的一个连接件传输到绕线发电机转子。或者，一些风机配置包括，但不限于，感应发电机、永磁（PM）同步发电机和电激同步发电机，以及开关磁阻发电机的替代类型。这些替代配置也可包括电力转换器，所述电力转换器用于如上所述转换频率，并且在公用设施电网和发电机之间传输电能。

已知风机具有多个机械和电气部件。当与其他部件比较时，每个电气和/或机械部件可具有独立或不同运行限制，例如电流、电压、功率和/或温度限制。此外，已知风机通常被设计成和/或组装成具有预定的额定功率限制。为在此类额定功率限制内运行，电气和/或机械部件可以运行限制的最大幅度运行。此运行可能导致风机运行效率低，并且风机的发电能力可能不被充分利用。

由发电机生成的电能被输送到电能用户。为此，风能系统具有将风场连接到电网的输出电缆。在风能系统位于海上，即，风能系统是近海风能系统的情况下，连接到电网的电缆至少部分是海底电缆。虽然电缆通过埋在海床下而受到保护，但是极端波浪、电流和海床运动可使电缆露出，并且使电缆易受海水的水动力的损害。此外，例如通过渔船的锚而造成的船舶事故或者地震可损坏近海风机的电缆，导致其无法修复。

对近海风场的约10%的投资用于海底电缆。受损的电缆会大大影响风场的有效性。此外，涉及海底电缆的修复活动的时间间隔为几个星期之内，尤其在难以找到电缆的入口时。

因此，需要一种便于维护和修复，同时节省因维护和修复而产生的时间和成本的用于近海风机的电缆。

发明内容

一方面，本发明提供一种风能系统，所述风能系统具有：地理位置感测模块，其用于确定所述地理位置感测模块的绝对位置；以及电缆，其经设置用于传输来自所述风能系统的能量。所述电缆包括位于所述电缆的第一位置处的第一感测装置。所述第一感测装置经设置用于感测所述第一感测装置的相对位置。此外，所述电缆包括位于所述电缆的第二位置处的第二感测装置。所述第二感测装置经设置用于感测所述第二感测装置的相对位置。所述第一感测装置和所述第二感测装置经设置用于彼此之间通信；并且所述第一感测装置或所述第二感测装置中的一者经设置用于与所述风能系统的所述地理位置感测模块进行通信。

其中所述第一感测装置和所述第二感测装置经设置用于确定自己相对于另一个感测装置的相对位置。

其中所述第一感测装置和所述第二感测装置经设置用于确定自己在第一时间点时与在所述第一时间点之前的第二时间点时的位置相比的相对位置。

其中所述风能系统是近海风能系统，其包括至少一个风机以及一个近海变电站。

其中由所述第一感测装置和所述第二感测装置组成的组中的至少一者经设置用于与第三方进行通信，所述第三方位于远离所述电缆的位置处。

其中所述第一感测装置的所述第一位置与所述第二感测装置的所述第二位置之间的距离为约100m至约2000m。

其中所述风能系统的所述地理位置感测模块为全球定位系统（GPS）模块。

其中由所述第一感测装置和所述第二感测装置中的至少一者经设置用于确定所述电缆在地下的位置。

另一方面，本发明提供一种用于传输来自风能系统的能量的电缆。所述电缆包括位于所述电缆的第一位置处的第一感测装置。所述第一感测装置经设置用于感测所述第一感测装置的相对位置。此外，所述电缆包括位于所述电缆的第二位置处的第二感测装置。所述第二感测装置经设置用于感测所述第二感测装置的相对位置。所述第一感测装置和所述第二感测装置经设置用于彼此之间通信；并且所述第一感测装置和所述第二感测装置中的一者经设置用于与风能系统的地理位置感测模块进行通信。

其中所述第一感测装置和所述第二感测装置经设置用于确定自己相对于另一个感测装置的相对位置。

其中所述电缆经设置用于传输来自近海风能系统的能量，所述近海风能系统包括至少一个风机以及一个近海变电站。

其中所述第一感测装置的所述第一位置和所述第二感测装置的所述第二位置之间的距离为约100m至约2000m。

其中由所述第一感测装置和所述第二感测装置中的至少一者包括磁性传感器。

其中由所述第一感测装置和所述第二感测装置中的至少一者是由加速度传感器、速度传感器和位移传感器组成的组中的至少一者。

其中所述第一感测装置和所述第二感测装置通过光纤连接到彼此。

又一方面，本发明提供一种用于感测传导电缆的参数的方法，所述电缆经设置用于传输来自风能系统的能量。所述方法包括，确定位于所述电缆的第一位置处的第一感测装置相对于位于所述电缆的第二位置处的第二感测装置的相对位置；将所述第一感测装置和所述第二感测装置中至少一者的位置传送给所述第一感测装置和所述第二感测装置中相应的另一者；以及，确定所述第一感测装置或所述第二感测装置相对于风能系统的地理位置感测模块的绝对位置的相对位置。

其中所述风能系统是近海风能系统，其包括至少一个风机以及一个近海变电站。

其中感测电缆的参数包括由以下项组成的组中的至少一项：感测所述电缆的温度、感测所述电缆的振动、感测所述电缆在地下的位置、感测所述电缆的位置、感测波浪、电缆应力和电缆变形。

所述的方法进一步包括，使用所述风能系统的所述地理感测模块的位置以及所述地理感测模块和所述感测装置之间的相对位置，来计算所述第一感测装置或所述第二感测装置中至少一者的绝对位置。

所述的方法进一步包括，以彼此相距约100m至约2000m的距离定位所述第一感测装置和所述第二感测装置。

本发明的其他方面、优点和特征在从属权利要求、具体说明和附图中显而易见。

附图说明

本说明书的其余部分参照附图，针对所属领域的一般技术人员，完整且可实现地详细揭示了本发明，包括其最佳模式，其中：

图1是示例性风机的一部分的透视图。

图2是适合用于图1所示风机的示例性电气和控制系统的示意图。

图3是具有电缆的近海风机的示意图；

图4是风能系统的示意图；

图5是根据本专利申请文件所述实施例的具有电缆的近海风机的示意图；

图6是根据本专利申请文件所述实施例的用于风能系统的电缆的一部分的示意图；

图7是根据本专利申请文件所述实施例的用于风能系统的具有位置发射机应答器的电缆的一部分的示意图；

图8是根据本专利申请文件所述实施例的用于风能系统的具有磁性传感器的电缆的一部分的示意图；

图9是根据本专利申请文件所述进一步实施例的用于风能系统的电缆的一部分的示意图；以及

图10是一个流程图，其图示了一种根据本专利申请文件所述实施例的用于感测电缆的参数的方法。

具体实施方式

现将详细参考各项实施例，这些实施例的一个或多个实例会在每幅附图中进行图示。各个实例用以解释本发明而非限制本发明。例如，图示或描述为一项实施例的一部分的特征可用于或结合其他实施例，从而得到另一项实施例。本发明意图包括此类修改和变化。

本专利申请文件所述的实施例包括具有电缆的风能系统，以及用于风能系统的可对电缆进行定位的电缆。具体而言，本专利申请文件所述的实施例提供一种能够追踪电缆性能的电缆，追踪方式例如，通过感测电缆的位置、温度和/或振动等参数。此外，电缆能够感测波浪条件，并且监测沿电缆路由的波浪条件。此外，根据本专利申请文件所述实施例的电缆经设置用于提供有关电缆的良好状态的指示，从而允许在对电缆的任何损坏发展到无法再修复的状态之前，采取预防性措施。在电缆受损的情况下，根据本专利申请文件所述实施例的风能系统、电缆和方法可快速识别电缆故障的位置，从而节省时间和成本。

本专利申请文件所用术语“感测装置”旨在表示感测模块，其能够感测装置的位置。通常，感测装置能够确定感测装置的相对位置。根据一些实施例，感测装置经设置用于确定自己相对于另一感测装置的位置，所述另一感测装置例如紧靠自己的感测装置。通常，感测装置经设置用于确定与在第一时间点之前的第二时间点时的位置相比而言，自己在第一时间点时的相对位置。例如，感测装置可在安装到电缆时具有初始位置，并且通过感测电缆运动来感测使用寿命期间相对于初始位置的位置变化。通常，感测装置经设置用于从其他感测装置接收位置数据，并且经设置用于向其他感测装置发送或发射位置数据。根据一些实施例，感测装置能够根据另一感测装置的接收数据的位置，来确定自己的位置。通常，感测装置可通过使用来自其他感测装置的接收数据以及运动数据，来计算出自己的位置。根据本专利申请文件所述实施例，感测装置能够与位于风机或近海变电站中的地理位置感测模块通信。

通常，风能系统包括至少一个风机。根据本专利申请文件所述的一些实施例，风能系统包括至少一个风机，以及一个变电站，如参考图4详细说明。一般而言，本专利申请文件所述的风能系统能够通过检查感测装置所感测的电缆参数，来确定电缆故障，如下文详细描述。

本专利申请文件所用术语“叶片”旨在表示在相对于周围流体运动时产生反作用力的任意装置。本专利申请文件所用术语“风机”旨在表示从风能生成转动能，具体而言，将风的动能转化成机械能的任意装置。本专利申请文件所用术语“风力发电机”旨在表示从由风能生成的转动能中生成电能，具体而言，将从风的动能中转换得到的机械能转换成电能的任意风机。

图1是示例性风机100的一部分的透视图。风机100包括安置发电机（图1中未图示）的机舱102。机舱102安装到塔筒104（图1中图示塔筒104的一部分）。塔筒104可具有有助于风机100运行的任何合适高度，如本专利申请文件所述。风机100还包括转子106，所述转子包括附接到旋转轮毂110的三片叶片108。或者，风机100包括有助于风机100运行的任意数目的叶片108，如本专利申请文件所述。在示例性实施例中，风机100包括以可操作方式连接到转子106的齿轮箱（图1中未图示），以及发电机（图1中未图示）。

图2是可用于风机100的示例性电气和控制系统200的示意图。转子106包括连接到轮毂110的叶片108。转子106也包括低速轴112，其以可旋转方式连接到轮毂110。低速轴112连接到加速齿轮箱114，其经配置以增加低速轴112的旋转速度，并将该速度传送至高速轴116。在示例性实施例中，齿轮箱114具有约为70:1的加速比率。例如，以约20转/分钟（rpm）旋转的连接到加速比率约为70:1的齿轮箱114的低速轴112生成用于高速轴116的约为1400rpm的速度。或者，齿轮箱114具有有助于风机100运行的任何合适加速比率，如本专利申请文件所述。作为进一步替代，风机100包括直接驱动发电机，其在没有任何干扰齿轮箱的情况下以可旋转方式连接到转子106。

高速轴116以可旋转方式连接到发电机118。在示例性实施例中，发电机118是三相绕线转子双馈感应（异步）发电机（DFIG），其包括以磁性方式连接到发电机转子122的发电机定子120。在替代实施例中，发电机转子122包括替代转子线圈的多个永磁体。

电气和控制系统200包括涡轮机控制器202。涡轮机控制器202包括至少一个处理器以及存储器、至少一个处理器输入信道、至少一个处理器输出信道，且可包括至少一个计算机（上述项均未在图2中图示）。本专利申请文件所用术语“计算机”不限于计算机领域所称的集成电路，而是泛指处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、专用集成电路和其他可编程电路（均未在图2中图示），且本专利申请文件中所使用的这些术语可互换。在示例性实施例中，存储器可包括，但不限于，计算机可读媒体，例如，随机存取存储器（RAM）（均未在图2中图示）。或者，也可使用一个或多个存储装置，例如，软盘、只读光盘（CD-ROM）、磁光盘（MOD）和/或数字多功能光盘（DVD）（均未在图2中图示）。同样，在示例性实施例中，额外输入信道（未在图2中图示）可为，但不限于，与操作员接口关联的计算机外部设备，例如，鼠标和键盘（均未在图2中图示）。此外，在示例性实施例中，额外输出信道可包括，但不限于，操作员接口监视器（未在图2中图示）。

涡轮机控制器202的处理器处理多个电气和电子装置发射的信息，所述多个电气和电子装置可包括，但不限于，电压和电流传感器。RAM和/或存储装置存储并传送待由处理器执行的信息和指令。也可在处理器执行指令期间使用RAM和/或存储装置来存储临时变量、静态（即，不变的）信息和指令，或其他中间信息，并将这些内容提供给处理器。所执行的指令包括，但不限于，驻存转换和/或比较仪算法。执行指令的序列并不限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。

发电机定子120通过定子总线208以电气方式连接到定子同步开关206。在一项示例性实施例中，为了有助于电能配置，发电机转子122通过转子总线212以电气方式连接到双向功率转换组件210。或者，发电机转子122通过有助于电气和控制系统200运行的任何其他装置，以电气方式连接到转子总线212，如本专利申请文件所述。作为进一步替代，电气和控制系统200配置成全功率转换系统（未图示），其包括全功率转换组件（未在图2中图示），该组件在设计和运行方面均类似于功率转换组件210，且以电气方式连接到发电机定子120。全功率转换组件有助于实现发电机定子120和电功率输配电网（未图示）之间的电能传输。

涡轮机控制器202经配置以从第一组电压和电流传感器252接收多个电压和电流测量信号。此外，涡轮机控制器202经配置以监测和控制与风机100关联的至少一些运行变量。在示例性实施例中，三个电压和电流传感器252中的每个传感器以电气方式连接到电网总线242的三相中的每个相。或者，电压和电流传感器252以电气方式连接到系统总线216。作为进一步替代，电压和电流传感器252以电气方式连接到有助于电气和控制系统200运行的电气和控制系统200的任何部分，如本专利申请文件中所述。作为更进一步的替代，涡轮机控制器202经配置以从任何数量的电压和电流传感器252接收任何数量的电压和电流测量信号，包括，但不限于，来自一个传感器的一个电压和电流测量信号。

运行过程中，风击打叶片108，叶片108将风能转变成机械旋转扭矩，该机械旋转扭矩通过轮毂110以可旋转方式驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，所述齿轮箱随后增大低速轴112的较低旋转速度，从而以增大的旋转速度驱动高速轴116。高速轴116以可旋转方式驱动发电机转子122。旋转磁场由发电机转子122引发，电压在发电机定子120内引发，所述发电机定子以磁性方式连接到发电机转子122。发电机118在发电机定子120中将旋转机械能转换成正弦三相交流（AC）电能信号。关联电能通过定子总线208、定子同步开关206、系统总线216、主变压器断路器214和发电机侧总线236传输到主变压器234。主变压器234增大电能的电压幅度，已转变的电能进一步通过断路器侧总线240、电网断路器238和电网总线242传输到电网。

图3所示为包括电缆312的风机300，其中由风机300生成的电能输送到变电站（未图示）或电网（未图示）。风机包括机舱302、具有转子叶片308的转子306，以及塔筒304。此类或类似部件的详情参考图1和图2进行描述。

通常，如本专利申请文件所述的风能系统是近海（offshore）风能系统。这意味着，风能系统位于海上，使用外海上的风条件。

风能系统300的塔筒304的一部分位于图3所示海310上。塔筒304通过底座330安装到海床311。底座330能够在风机的使用寿命期间，将风机300的塔筒304固定在所需位置。

图4所示为风能系统350的布置。通常，图4所示风能系统可描述为风电场。风电场350包括若干风机351至358。图4中示意性地图示了八个风机；但是，风能系统中风机的数量可少于八个，例如六个或五个。根据本专利申请文件所述实施例，风电场中风机的数量可大于八个，例如十个、十六个、二十个或更多。

通常，风能系统包括收集各个风机的能量的近海变电站。参考标号360表示图4中的一个此类近海变电站。通常，近海变电站360收集来自风场350的风机阵列的电力，并且升高用于高压传输的电压。

根据一些实施例，本专利申请文件中所述的地理位置感测模块可能位于变电站处。

为传输能量，风机彼此连接，同时风机连接到变电站。例如，阵列电缆361至369和371从风机351至358引向变电站360。根据本专利申请文件中所述的实施例，变电站360通过输出电缆370连接到能量传输电网372，该电网可为近岸传输电网。

通常，参考本专利申请文件的电缆可为风电场的阵列电缆和/或输出电缆。以下附图以示例性方式图示了风机的阵列电缆，但这不应理解成一种限制。风能系统的输出电缆也可配备有参考风机的阵列电缆以示例性方式进行描述的特征。

随着近海风能行业的发展，对电力基础设施的需要也增加了。近海风机之间，尤其是电缆之间的布线，构成了近海项目成本的重要部分。例如，对于例如288MW的近海风场而言，电缆花费约1.9亿欧元（约2.7亿美元）。因此，在计划包括若干风机的近海风场时，电缆的维护和修复是重要因素。

图5所示为根据本专利申请文件所述实施例的风机。所示风机400具有类似机舱402、转子406、转子叶片408和塔筒404的部件，其可为上述部件。风机400的塔筒404可安装到底座430，从而允许将风能系统400固定到海410的海床411。

根据本专利申请文件所述的实施例，风机400包括电缆412。图5中仅图示了风机的电缆的一部分。通常，电缆412的一端可经设置用于连接到风机400，并且另一端（未图示）可经设置用于连接到图4所示的近海变电站。通常，电缆412以深度450埋在海床411中，如图5中所示。

根据一些实施例，电缆经设置用于将由风能系统的发电机生成的电能传输到电网（未图示）。

如图5中以示例性方式所图示，电缆412包括至少两个感测装置413和414。根据本专利申请文件所述的一些实施例，感测装置可连接到电缆（例如，以机械方式、电气方式或者两者）。根据可结合本专利申请文件所述的其他实施例的实施例，感测装置可与电缆或电缆的外壳形成一体。通常，感测装置可在制造期间或在电缆安装期间附接到电缆。

通常，电缆412连接到风机400或近海变电站的地理位置感测模块420。例如，地理位置感测模块420可为风能系统的控制系统的一部分，如上文参考图2详细说明。通常，地理位置感测模块能够与控制系统、感测装置或二者进行通信。

根据一些实施例，地理位置感测模块能够确定自己的绝对位置。本专利申请文件中所使用的“绝对位置”应理解成某个位置，其与空间中的特定点明确相关。例如，绝对位置可包括有关经度和纬度的信息。如果电缆的一端与地理位置感测模块连接，则地理感测装置能够确定电缆端的地理位置。

通常，地理位置感测模块可为全球定位系统（GPS）模块，其能够确定自己的准确地理位置。根据本专利申请文件所述的一些实施例，地理位置感测模块能够将准确位置传送到控制器，或者传送到另一个感测装置。通常，地理位置感测模块可为GPS发射机应答器。

根据可与本专利申请文件所述其他实施例结合的实施例，地理感测装置能够将信息传输给控制系统。例如，从感测装置接收的信息可通过地理位置感测模块传输到风能系统的控制系统。

通常，风机的地理位置感测模块可为风能系统的监控系统的一部分，所述地理位置感测模块经设置用于从电缆的至少一个感测装置接收数据。根据一些实施例，风机的地理位置感测模块可连接到风能系统的监控系统。如果从地理位置感测模块接收的值不在阈值的预定范围内，则监控系统可经设置用于触发警报。

图5所示的电缆的相关部分中以示例性方式图示了两个感测装置413和414。根据一些实施例，感测装置的数量可根据以下项变化：电缆要求、风能系统的大小、电缆长度、海和海床的条件、感测装置的通信范围等。因此，可调整感测装置的数量，以在电缆的预定长度之后，提供感测装置。例如，可每隔500m安装一个感测装置到电缆。典型地，感测装置之间的距离可介于约50m至约5000m之间，更典型地，介于约100m和约2000m之间，甚至更典型地，介于约200m和约1000m之间。

例如，在长度为10km的电缆上，可布置大约十到二十个感测装置。

图6所示为根据本专利申请文件所述实施例的电缆的一部分。通常，电缆512经设置用于将来自风机的电能传输到风能系统的变电站。根据一些实施例，电缆512可经设置用于将来自风能系统的变电站的能量传输到电网。例如，图6所示的电缆512的相关部分包括三个感测装置513、514和515。如上文参考图5所述，感测装置的数量可根据若干参数变化。因此，三个感测装置应理解成仅为一项实施例的一个实例。

典型地，第一感测装置513和电缆的一端之间的距离550介于约50m至约1000m之间，更典型地，介于约70m和约700m之间，甚至更典型地，介于约100m和约500m之间。典型地，第二感测装置515和电缆的一端之间的距离介于约50m至约1000m之间，更典型地，介于约70m和约700m之间，甚至更典型地，介于约100m和约500m之间。根据一些实施例，第一感测装置或第二感测装置与连接到地理位置感测装置的电缆的一端之间的距离大于风能系统的转子直径，以便将电缆的感测装置与剩余风能系统的感测装置区分开。

因此，不仅可允许在电缆末端处的风机侧上监测电缆性能，而且可允许将监测转移到电缆侧。

根据一些实施例，感测装置能够确定自己的相对位置。例如，感测装置可包括加速度传感器，其感测所述感测装置的相应位置处电缆的运动。通过感测运动，感测装置能够分别确定实际位置，以及感测装置的位置校正。通常，感测装置可为具有校准积分常数的加速度传感器。根据一些实施例，感测装置也可为速度或位移传感器。通常，感测装置可使用不同物理原理，具体取决于感测装置的结构和功能。例如，感测装置可使用压电效应、光纤和/或激光效应。

根据一些实施例，感测装置可通过彼此通信，来确定它们的相对位置。通常，感测装置可通过在网络中进行通信来确定它们的相对位置。网络可提供若干节点，这样有助于识别感测装置到一个或多个节点的距离。例如，感测装置可通过识别到一个或多个节点的距离，来收集有关相对位置的信息。根据一些实施例，网络的节点可为其他感测装置。

至少一个感测装置能够与风能系统的地理位置感测模块通信，并与另一个感测装置通信。

根据一些实施例，感测装置通过交换信息来与彼此通信。例如，根据本专利申请文件所述实施例的感测装置能够接收和发射其他感测装置的相对位置。例如，感测装置514能够接收感测装置515的位置，并向感测装置513发射自己的位置，或者感测装置514的位置，以及感测装置515的位置。

根据本专利申请文件所述的一些实施例，电缆512的一端连接到风能系统（图6中未图示）的地理位置感测模块520。

通常，地理位置感测模块可为例如参考图5的上述地理位置感测模块。根据各实施例，地理位置感测模块可为GPS模块。

如图6中以示例性方式所图示，感测装置513、514和515通过连接件540连接。根据一些实施例，连接件540可为光纤，以将所需信息从一个感测装置传输到另一个感测装置，或者从一个感测装置传输到地理位置感测模块520。

图7所示为一项实施例，其包括具有附接到电缆612的位置发射机应答器633、634和645的感测装置613、614和615。通常，电缆612连接到地理位置感测模块620，其可为上述地理位置感测模块。根据一些实施例，感测装置613、614和615通过光纤640互连。

根据本专利申请文件所述实施例的位置发射机应答器能够向远离电缆的第三方发射信号643、644和645（如图7中虚线所示）。通常，第三方可为正在接近的对象上的接收器。术语“远离电缆的第三方”应理解成不连接、附接或安装到电缆，而与电缆保持一定距离的第三方。

通常，发射机应答器633、634和635的信号643、644和645可包括作为预防性警报，用于正在接近的对象的有关电缆612的位置，或者感测装置613、614和615的位置的信息。例如，发射机应答器可将位置传输到进入电缆周围预定区域的船舶。在决定锚定位置时，该船舶可考虑所传输的位置。根据可与本专利申请文件所述其他实施例结合的实施例，感测装置可从船舶等第三方接收数据，并且向风能系统的SCADA（监控和数据采集系统）等监控系统提供信息。

根据可与本专利申请文件所述其他实施例结合的一些实施例，感测装置经设置用于感测所述感测装置在地下的位置。通常，感测装置经设置用于感测电缆在海床中的深度。图5中以示例性方式图示了电缆在海床中的深度，参考标号为450。

根据一些实施例，感测装置可提供有关电缆是否仍被掩埋的信息。图8所示为电缆712，其包括具有磁性传感器743、744和745的感测装置713、714和715。通常，电缆712连接到地理位置感测模块720，其可为上述地理位置感测模块。此外，例如，感测装置713、714和715通过光纤740互连。

在图8所示实施例中，感测装置713、714和715包括磁性传感器743、744和745，以确定电缆是否埋在海床中。

根据一些实施例，磁场由感测装置中的磁性传感器生成和感测。如果感测装置位于水中或者埋在海床中，则磁场的强度不同。通常，感测装置可将有关磁场强度的信息，因此将电缆在海床中的位置的信息传输到另一个感测装置或地理位置感测模块，其可连接到风机的控制系统。

根据可与本专利申请文件所述其他实施例结合的一些实施例，感测装置可经设置用于感测电缆的其他条件。例如，感测装置能够测量电缆的温度。感测装置中也可包括其他功能，例如电缆的振动测量等。振动测量也可用于监测电缆的运动。根据一些实施例，感测装置可经设置用于感测影响电缆的其他参数，例如电缆应力、电缆变形和波浪条件。通常，接收和发射所收集的有关电缆的若干条件的信息可与接收和发射位置数据的方式相同。也就是说，有关电缆的温度或振动的信息可例如从一个感测装置传送到另一个感测装置。至少一个感测装置可经设置用于将信息传输到风能系统的地理位置感测模块。

地理位置感测模块可经设置用于接收和发射感测装置所感测的有关电缆的若干条件的数据和信息，例如温度和振动等。

根据可与本专利申请文件所述其他实施例结合的一些实施例，风能系统能够根据（例如，通过地理位置感测模块）从感测装置接收的数据来确定电缆故障。风能系统的控制系统可通过检查所感测的感测装置的参数，来确定电缆故障，该操作的执行方法可为，将所感测的参数与阈值等比较。通常，电缆故障可理解成所需电缆功能的反常、所需电缆功能的中断、偏离所需电缆位置的电缆的位置、偏离所需状态的状态等。

例如，如果控制系统获得来自第一感测装置的信号，但不获得来自第二感测装置的信号，则控制系统可确定控制系统和第二感测装置之间的信号传输出现中断。通常，风能系统的SCADA等控制系统可触发警报，以将线路故障通知给操作员。

在另一个实例中，电缆的感测装置确定电缆在感测装置的相应位置处的海床中的深度。感测装置的值传输到风能系统的控制系统，这些值可确定（例如，通过与阈值比较、通过计算或其他方法）电缆埋入海床中的深度是否足够，或者甚至是电缆是否仍未被掩埋。控制系统可触发警报，以通知异常状态。

图9所示为可与本专利申请文件所述其他实施例结合的电缆的一项实施例。电缆812配备有感测装置813、814和815。通常，感测装置813、814和815以机械方式连接到电缆812。在图9所示实施例中，感测装置813、814和815具有其自己的供电装置823、824和825。供电装置823、824和825为感测装置813、814和815提供能量。例如，供电装置823、824和825允许感测装置813、814和815确定相关位置，例如，所述相关位置可为在不以电气方式连接到电缆的情况下，感测装置相对于彼此的位置。通常，供电装置也允许向另一个感测装置或地理位置感测模块发送信息。根据一些实施例，供电装置823、824和825允许感测装置813、814和815确定电缆812的其他条件，例如温度、压力、振动、感测装置在地下的位置等。

根据一些实施例，感测装置的供电装置可包括由电磁波、无线电波、例如电池的传统电源等充电的供电装置。

通常，感测装置包括用于与彼此以及地理位置感测模块进行通信的网络能力。例如，感测装置能够通过IP或局部网络进行通信。根据一些实施例，感测装置可经设置用于在水下或者在掩埋状态下与彼此通信。通常，感测装置经设置用于能够通过跨过某个距离的网络来与彼此通信，该距离典型地为约10m至约25000m，更典型地，为约20m至约2000m，甚至更典型地，为约100m至约1500m。在感测装置是无线网络的一部分的情况下，可省略感测装置之间的连接件，例如光纤连接件。

图9所示感测装置813、814和815通过无线网络来与彼此通信。通常，感测装置可使用射频或其他无线通信协议来进行通信。在图9所示实施例中可省略感测装置的连接件，如图6所示的光纤540。

通常，根据本专利申请文件所述实施例的用于风能系统的电缆的感测装置的通信不限于对电缆的终端装置进行监控，而是提供能够沿电缆长度提供信息的系统。

根据各实施例的感测装置可包括与消费装置一起使用并且在汽车应用中使用的传感器。这样，感测装置的成本可保持较低。

典型地，参考图6至图9所述的电缆可用于风能系统中，更典型地，用于近海风能系统中。图6至图9中的地理位置感测模块可为近海风能系统的一部分。

图10所示为一种根据本专利申请文件所述实施例感测导电电缆的参数的方法的流程图。电缆可为用于传输来自风能系统的能量的电缆，如上文所述。例如，风能系统可为近海风能系统。

在方法900中，参考标号901表示，通过检查第一感测装置和第二感测装置的参数来识别电缆故障。根据一些实施例，感测装置可为上文参考图6至图9所述的感测装置。通常，检查参数可通过监视感测装置收集的参数来进行。根据一些实施例，监视可由风能系统的控制系统执行。通常，检查参数可包括，将所感测的参数与阈值或阈值范围比较。根据一些实施例，如果应该触发警报，则检查参数可包括计算。如上文参考图2所述的风能系统的控制系统可用于此。

框902表示，确定第一感测装置相对于第二感测装置的相对位置。通常，第一感测装置位于电缆的第一位置处，且第二感测装置位于电缆的第二位置处。根据一些实施例，所布置的第一感测装置和第二感测装置彼此之间的距离可为约50m至5000m，更典型地，为约100m至约2000m，甚至更典型地，为约200m至约1000m。

感测装置可经设置用于发射和接收来自彼此或者来自在区域中运行的移动船只等第三方的信息和数据。根据一些实施例，接收和发射可使用光纤或者使用网络来执行。

框903表示，在第一感测装置和第二感测装置之间进行通信，以交换信息，尤其是相对于彼此的位置，而且还有温度、振动等其他电缆参数，这些在上文中进行了详细描述。

根据本专利申请文件所述的实施例，第一感测装置和第二感测装置中至少一者相对于风能系统的地理位置感测模块的位置在904中确定。第一感测装置和/或第二感测装置与风能系统的地理位置感测模块通信的方式和感测装置与其他感测装置通信的方式可相同。

通常，随后可使用风能系统的地理位置感测模块的位置以及由感测装置发射的相对位置数据来确定感测装置的绝对位置，并因此确定电缆的绝对位置。根据一些实施例，地理位置感测模块的位置可由风能系统中的设置得知。根据其他实施例，可通过合适的方法来确定地理位置感测模块的位置，所述方法例如，使用风能系统的地理位置感测模块中的GPS模块。

根据一些实施例，地理位置感测模块可布置在风机上，或者风能系统的变电站上，如上所述。通常，地理位置感测模块能够发射不同于位置数据的数据。例如，地理位置感测模块能够接收和发射由感测模块感测的参数。根据一些实施例，地理位置感测模块可将从感测装置接收的数据传输到风能系统的控制系统。

上述系统和方法，即用于风机的配备有类似上述感测装置的智能传感器的电缆，其有助于提供有关电缆位置的信息，并且有助于预测对电缆或最终电缆故障进行维护的需要。具体而言，例如添加到上述电缆的感测装置等智能模块的成本与近海电缆维修以及用来搜索受损电缆位置的风能系统的停机时间的成本相比较小。

此外，包括具有感测装置的电缆的风能系统、具有感测装置的电缆以及用于感测上述电缆参数的方法实现了对海底电缆的监测，以检测电缆运动。此外，上述实施例的特征实现对电缆进行快速定位。快速识别故障点可降低电缆修复成本。

此外，凭借本专利申请文件所述的实施例，可通过预防性维护来降低高修复成本所带来的风险，尤其是风能系统的停机时间所带来的风险。在本专利申请文件所述电缆（也称为“智能电缆”）用于监测电缆状态和潜在威胁的情况下，可以适合风能系统的运行的方式来计划修复和维护活动。例如，修复和/或交换测量可安排在夏天，这时电缆容易接近，并且风很弱。

本专利申请文件所述系统和方法也可实现对海底电缆等受损电缆的位置的方便检测。这样，可将修复活动减少到最少。可减少用于检测损坏位置和受损电缆的末端位置的时间。例如，如果船舶损坏了电缆，则可容易地确定两端的位置，并且可基本上立即开始进行修复，因为感测装置沿整个电缆长度附接到电缆。

用于一种包括地理位置感测模块和电缆的风能系统的系统和方法、一种用于传输来自风能系统的电能的电缆以及一种用于感测电缆（所述电缆经设置用于传输来自风能系统的能量）的参数的方法的示例性实施例在上文进行了详细描述。所述系统和方法并不限于本专利申请文件所述的具体实施例，而系统的部件和/或方法的步骤可独立于本专利申请文件所述的其他部件和/或步骤单独使用。例如，任何种类的海底电缆均可配备有上述感测装置，并且不限于仅使用本专利申请文件所述的风机系统进行实践。事实上，示例性实施例可与许多其他转子叶片应用结合实施和使用。

尽管本发明各实施例的具体特征可能在某些附图中图示，但并未在其他附图中图示，这仅仅是出于方便的考量。根据本发明的原则，附图中的任何特征可结合其他任何附图中的任何特征进行参考和/或提出权利主张。

本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。虽然上文已揭示了各项具体实施例，但所属领域的技术人员应认识到，权利要求书的精神和范围允许对本发明进行同等有效的修改。特别是，上述实施例的并不相互排斥的特征可以彼此组合。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应属于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种传输来自风能系统的电能的电缆，其包括：

位于所述电缆的第一位置处的第一感测装置，其中所述第一感测装置经设置用于确定所述第一感测装置的相对位置；以及

位于所述电缆的第二位置处的第二感测装置，其中所述第二感测装置经设置用于确定所述第二感测装置的相对位置；

其中所述第一感测装置和所述第二感测装置经设置用于彼此之间通信；并且

其中所述第一感测装置和所述第二感测装置中的一者经设置用于与风能系统的地理位置感测模块进行通信。

2.根据权利要求1所述的电缆，其中所述第一感测装置和所述第二感测装置经设置用于确定自己相对于另一个感测装置的相对位置。

3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电缆，其中所述电缆经设置用于传输来自近海风能系统的能量，所述近海风能系统包括至少一个风机以及一个近海变电站。

4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电缆，其中所述第一感测装置的所述第一位置和所述第二感测装置的所述第二位置之间的距离为约100m至约2000m。

5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电缆，其中所述第一感测装置和所述第二感测装置经改造用于确定彼此之间的相对位置，并且/或者由所述第一感测装置和所述第二感测装置组成的组中的至少一者经改造用于与第三方进行通信，所述第三方位于远离所述电缆的位置处。

6.一种风能系统，其包括：

地理位置感测模块，其用于确定所述地理位置感测模块的绝对位置；以及

电缆，其经设置用于传输来自所述风能系统的能量，所述电缆包括：

位于所述电缆的第一位置处的第一感测装置，其中所述第一感测装置经设置用于确定所述第一感测装置的相对位置；

位于所述电缆的第二位置处的第二感测装置，其中所述第二感测装置经设置用于确定所述第二感测装置的相对位置；

其中所述第一感测装置和所述第二感测装置经设置用于彼此之间通信；

其中所述第一感测装置和所述第二感测装置中的一者经设置用于与所述风能系统的所述地理位置感测模块进行通信；并且

其中所述风能系统经设置用于根据从所述第一感测装置和所述第二感测装置接收的数据来确定电缆故障。

7.根据权利要求6所述的风能系统，其中所述电缆为根据权利要求1至5中任一权利要求所述的电缆。

8.一种监视用于传输来自风能系统的能量的电缆的方法，其包括：

通过检查由位于所述电缆的第一位置处的第一感测装置以及位于所述电缆的第二位置处的第二感测装置所感测的参数，来识别电缆故障；

确定所述第一感测装置相对于所述第二感测装置的相对位置；

将所述第一感测装置和所述第二感测装置中至少一者的位置传送给所述第一感测装置和所述第二感测装置中相应的另一者；以及

确定所述第一感测装置和所述第二感测装置中的至少一者相对于风能系统的地理位置感测模块的绝对位置的位置。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述风能系统是包括近海变电站的近海风能系统，并且/或者，其中感测电缆的参数包括由以下项组成的组中的至少一项：感测所述电缆的温度、感测所述电缆的振动、感测所述电缆在地下的位置、感测所述电缆的位置、感测波浪、电缆应力和电缆变形。

10.根据权利要求8至9中任一权利要求所述的方法，其进一步包括，使用所述风能系统的所述地理感测模块的位置以及所述地理感测模块与所述第一感测装置和所述第二感测装置中至少一者之间的相对位置，来计算所述第一感测装置和所述第二感测装置中至少一者的绝对位置。

Images