CN105370506B - 一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电领域，尤其涉及一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置。其特征在于，由激光发射接收单元、信号处理运算单元、通信单元和上位机组成；激光发射接收单元由3个激光测距传感器和3个激光反射板组成，激光测距传感器用来测量传感器与反射板之间的距离；当塔架出现倾斜或沉降时，传感器与反射板之间的距离即3个激光测距传感器的检测数据发生改变，将检测数据通过信号处理运算单元中的算法处理，通信单元将运算得到结果送到上位计算机进行实时显示得到的塔架倾斜角度及沉降距离。本发明采用激光测距、多点定位技术，结合有效的计算方法实现了风电机组塔架倾斜与沉降的在线监测，且具有准确及精度高的特点。

Description

一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置

技术领域

本发明属于风力发电领域，尤其涉及一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置。

背景技术

风力发电是国家提倡大力发展的一种可再生绿色能源，能有效地节约水、煤资源，减轻大气污染，并对保护生态环境有着深远的意义。风力发电与火电、核电相比单机容量小，占地面积广，风力发电场通常地处边远地区，技术条件、运行条件一般较差，因此风力发电系统的可靠性和安全性至关重要。风电机组塔架是风力发电机组的主要承载部件，设计工作周期是20年。随着风力发电机组的容量、高度增加，在不同地质条件下极有可能发生倾斜与沉降，给机组安全带来隐患，目前，各个风电场需要定期人工对塔架基础进行测量，耗费了大量财力人力。

现在的方法主要有利用液体摆式倾斜传感器中电导的变化正比于倾斜角的变化来测量倾角；还有利用压阻式加速度传感器来测量倾角，该方法具有频响高、精度高、灵敏度高等特点，但是由于传感器需要同时测量X、Y、Z三个方向，尽管三路信号从敏感元件到滤波、放大电路的设计均采用相同的参数，但是要做到完全匹配还是十分困难的，故而三个方向上的满量程输出(A/D采集之前的模拟量输出)不可能完全一致,须用数字量进行修正，并且由于它是用半导体材料制作的，受温度影响较大，因此使用时必须进行温度补偿，以电路的形式补偿热零点漂移和热灵敏度漂移，用硬件补偿需经过大量的实验，而且在某些点可能会出现较大的偏差。上述的测量倾角的方法对于应用在环境复杂的风机塔架而言有着先天性的不足。随着风机工作时间的增加，解决风机塔架沉降倾斜的问题日益刻不容缓，现在风场中的人工测量的方法不能保证实时性和足够的精度，注定不可能长久的应用。国内许多研究机构与风机生产商也开展了针对风机塔架沉降倾斜诊断和状态监控的相关研究，例如风力发电机倾斜检测装置就用于实时检测风力发电机倾斜的最大值和最大位置，该装置虽然可进行无人在线检测并可获得用户需要的技术指标，但是在风机周围安装水准仪有一定的不可行性，照明系统工作具有不可靠性，并且整体结构较为复杂，成本较高。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置，其特征在于，由激光发射接收单元、信号处理运算单元、通信单元和上位机组成；

所述激光发射接收单元由3个激光测距传感器和3个激光反射板组成，激光反射板X、激光反射板Y、激光反射板Z分别等间距固定安装在离开塔架基础的地面上，激光反射板Z固定在正北方向，激光反射板X安装在东偏南30度角方向，激光反射板Y安装在西偏南30度角方向，相应的激光测距传感器A、激光测距传感器B、激光测距传感器C等间距环绕安装在塔架上，使得激光测距传感器的激光束能照射到各自的激光发射板上，激光测距传感器用来测量传感器与反射板之间的距离；当塔架出现倾斜或沉降时，3个激光测距传感器的检测数据将发生改变，将检测数据通过信号处理运算单元中的算法处理，通信单元将运算得到结果送到上位计算机进行实时显示得到的塔架倾斜角度及沉降距离。

所述激光测距传感器采用印刷电路板工艺，在一块电路板上集成了红外激光的发射接收及接收信号的校准、放大、运算和A/D转换、输出功能，测量精度为±1mm，测量距离达150m，激光波长905nm，控制方式为控制线控制，输出信号为TTL电平。

所述信号处理运算单元中的下位机采用TI公司的TMS320F2812型DSP进行信号处理，所有信号处理和算法均在该DSP中进行运算，每一台风机塔架对应一个下位机，每一个下位机负责处理一台风机塔架上的三个激光发射接收单元的检测数据。

所述通信单元采用光纤以太网实现上位计算机与多个下位机的通信，将下位机处理器运算得到结果送到上位机进行实时显示和报警处理。

所述上位机对各信号处理运算单元的处理结果进行综合处理，图形化显示实时状态信息、历史趋势、报警信息。

所述检测数据通过信号处理运算单元中的处理结果如下：

倾斜方向：风机塔架与激光反射板Z之间的夹角与激光反射板X的夹角通过这两个夹角精确的定义风机塔架倾斜方向，沉降高度：Δh＝h-h′；

其中O′O为测量点H在地面的投影点O′到塔架的距离，h为测量点H的原垂直高度，传感器安装垂直高度为h，h′为塔架倾斜后测量点H到地面的垂直高度，m为相邻激光反射板之间的距离，e为O′到激光反射板X的距离，d为O′到激光反射板Y的距离，f为O′到激光反射板Z的距离。

有益效果

本发明采用一个风机塔架三个传感器运用一个下位机处理器模式，保证了设备简单安装和良好的可延展性，能够快速实时的检测出风机塔架沉降倾斜的角度和倾斜方向以及沉降的高度，硬件结构简单，便于安装，不会对风机主要工作造成影响，同时传感器测量的控制方式为本系统带来了很好的可控性，对检测数据的算法处理，提高了设备的利用率，能够对多个风机塔架同时进行监测，在主控室内的计算机上安装软件进行显示，方便查看，良好的模块化特点使得本发明能够很好地嵌入其他故障诊断中，具有很好的可兼容性。

附图说明

图1a～1b为本发明的传感器安装位置图；

图2为风机塔架发生倾斜沉降时的示意图；

图3是本发明的系统结构框图；

图4a～4b为信号处理运算单元采用的算法说明图；

图5为算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。

附图1a为本发明的传感器安装位置的主视图，1b为本发明的传感器安装位置俯视图，风电机组塔架高度在60～100米，底部直径4～5米，地下基础直径在14±0.5米，本实施例所使用的激光测距传感器模块安装高度在10米。运行时，风对塔架下部作用产生的晃动忽略不计。3个激光测距传感器A、B、C环绕塔架布置，激光反射板X、Y、Z固定安装在离开塔架基础的地面上，激光测距传感器用来测量传感器与反射板之间的距离。当塔架出现倾斜或沉降时，激光测距传感器随塔架移动，反射板位置是固定不变的，此时，3个测距传感器的检测数据将发生改变，通过本发明专利中给出的计算方法，即可得到塔架倾斜角度及沉降距离。

图2所示为风机塔架发生倾斜沉降时的示意图。

图3是本发明的系统结构框图，处理器发出控制信号给激光发射器，实现激光发射的可控性，激光传感器模块接收到控制信号后，发出测量激光信号同时启动脉冲计数器对信号脉冲个数进行计数，脉冲信号经过反射板(地面)反射后，反射回接收端，同时停止计数，经过校准检验后，结合已知的激光信号的波长得到所测量距离，对信号进行放大和A/D转换之后的输出到处理器。下位机处理器进行计算后得到倾斜角度和沉降高度，通过光纤以太网送到主控室内的上位机进行显示与报警操作。

图4为说明在下位机处理器中采用的本发明的独创的计算方法时需要的辅助绘图，图4a为侧视图，图4b为俯视图，其中风电机组塔架位于地面O点处，H为测量点，h为测量点H的原垂直高度，传感器安装垂直高度为h，h′为塔架倾斜后测量点H到地面的垂直高度，O′为H在地面上的垂直投影，a为Z到激光测距传感器C的距离，b为Y到激光测距传感器B的距离，c为X到激光测距传感器A的距离，m为相邻激光反射板之间的距离，e为O′到激光反射板X的距离，d为O′到激光反射板Y的距离，f为O′到激光反射板Z的距离，O′O为测量点H在地面的投影点O′到塔架的距离。

图5为计算流程大体示意图，具体如下：

三棱锥的体积

其中α、β、γ是三个侧面的顶角， 利用式(1)、(2)求出h′。

cos∠2＝cos∠OZO′＝cos(30°-∠1)＝cos30°cos∠1+sin30°sin∠1 (4)

倾斜方向通过两个夹角进行判断判断：

其中激光反射板Z固定在正北方向，激光反射板X安装在东偏南30度角方向，通过两个夹角就可以准确的确定出风机塔架的倾斜方向。沉降高度Δh＝h-h′。

本发明公开的一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置，采用激光测距、多点定位技术，结合有效的计算方法实现了风电机组塔架倾斜与沉降的在线监测，且具有准确及精度高的特点。

Claims (6)

1.一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置，其特征在于，由激光发射接收单元、信号处理运算单元、通信单元和上位机组成；

所述激光发射接收单元由3个激光测距传感器和3个激光反射板组成，激光反射板X、激光反射板Y、激光反射板Z分别等间距固定安装在离开塔架基础的地面上，激光反射板Z固定在正北方向，激光反射板X安装在东偏南30度角方向，激光反射板Y安装在西偏南30度角方向,相应的激光测距传感器A、激光测距传感器B、激光测距传感器C等间距环绕安装在塔架上，使得激光测距传感器的激光束能照射到各自的激光发射板上，激光测距传感器用来测量传感器与反射板之间的距离；当塔架出现倾斜或沉降时，3个激光测距传感器的检测数据将发生改变，将检测数据通过信号处理运算单元中的算法处理，通信单元将运算得到结果送到上位计算机进行实时显示得到的塔架倾斜角度及沉降距离。

2.根据权利要求1所述一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置，其特征在于，所述激光测距传感器采用印刷电路板工艺，在一块电路板上集成了红外激光的发射接收及接收信号的校准、放大、运算和A/D转换、输出功能，测量精度为±1mm，测量距离达150m，激光波长905nm，控制方式为控制线控制，输出信号为TTL电平。

3.根据权利要求1所述一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置，其特征在于，所述信号处理运算单元中的下位机采用TI公司的TMS320F2812型DSP进行信号处理，所有信号处理和算法均在该DSP中进行运算，每一台风机塔架对应一个下位机，每一个下位机负责处理一台风机塔架上的三个激光发射接收单元的检测数据。

4.根据权利要求1所述一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置，其特征在于，所述通信单元采用光纤以太网实现上位计算机与多个下位机的通信，将下位机处理器运算得到结果送到上位机进行实时显示和报警处理。

5.根据权利要求1所述一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置，其特征在于，所述上位机对各信号处理运算单元的处理结果进行综合处理，图形化显示实时状态信息、历史趋势、报警信息。

6.根据权利要求1所述一种风电机组塔架倾斜与沉降监测装置，其特征在于，所述检测数据通过信号处理运算单元中的处理结果如下：

倾斜角度：风机塔架与激光反射板Z之间的夹角与激光反射板X的夹角通过这两个夹角精确的定义风机塔架倾斜方向，沉降距离：Δh＝h-h′；

其中O′O为测量点H在地面的投影点O′到塔架的距离，h为测量点H的原垂直高度，传感器安装垂直高度为h，h′为塔架倾斜后测量点H到地面的垂直高度，m为相邻激光反射板之间的距离，e为O′到激光反射板X的距离，d为O′到激光反射板Y的距离，f为O′到激光反射板Z的距离；

塔架倾斜后测量点H到地面的垂直高度h′的计算方法为：

三棱锥的体积：

<mrow> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>6</mn> </mfrac> <mi>a</mi> <mi>b</mi> <mi>c</mi> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>-</mo> <msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>-</mo> <msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>-</mo> <msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&amp;gamma;</mi> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中α、β、γ是三个侧面的顶角， a为O到激光反射板Z的距离，b为O到激光反射板Y的距离，c为O到激光反射板X的距离，利用式(1)、(2)求出h′。