CN105674956B - 一种风电机组塔体倾斜度测量系统 - Google Patents
一种风电机组塔体倾斜度测量系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种风电机组塔体倾斜度测量系统，信号采集模块采用加速度传感器，采集塔基和机舱的位移信息，将位移信息变为模拟电压信号发送给滤波模块，模拟电压信号经过滤波模块进行滤波，再经过差分放大器将模拟电压信号转换为差分电压，匹配模数转换器的电压要求，增大系统的动态范围，提供适当的电压增益，抑制共模噪声，提高信噪比；模数转换器采用模数转换器，将差分电压转换成微控制器可以识别的数字信号，微控制器对数字信号进行处理得到倾斜度数据，将倾斜度数据通过通讯模块传送给风机主控系统。本发明的有益效果是本发明系统对风电机组塔体倾斜度进行测量方法实时性较好、精度较高，成本低。
Description
技术领域
本发明属于风电技术领域，涉及一种风电机组塔体倾斜度测量系统。
背景技术
目前陆上风电机组的塔体高度大多在50m-120m之间，塔体本身承受自身的重力、风的推力、叶轮的扭力等复杂多变的负荷。同时受气象及地质因素的影响，塔体作为一个弹性刚体会产生一定幅度的摇摆。在长期运行过程中，塔基会因塔体摇摆等因素的作用而产生沉降等现象，进而使塔体发生偏斜。在相同风速下，随着塔体倾斜角度的不断变化，风电机组风轮的受力将发生变化，从而影响风力发电机的输出功率。目前存在一些关于塔体倾斜度测量的方法，如利用平面镜进行物理方法测量、采用图像技术及传感器技术进行测量，但这些方法都存在诸多问题。
目前存在的对风电机组塔体倾斜度进行测量的方法实时性较差、精度较低或者成本较高。本发明采用两轴加速度传感器对风电机组塔基和机舱两个部位的倾斜度进行测量，并在传感器的两个通道上加装滤波电路，对采集得到的信号进行硬件滤波处理。随后进一步对采集得到的数据进行分析处理，得到风电机组塔体实时的倾斜角度值、各个方位倾斜角度的最大值，同时还可以初步判定风电机组塔体发生倾斜的大致部位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风电机组塔体倾斜度测量系统，解决了目前存在的对风电机组塔体倾斜度进行测量的方法实时性较差、精度较低或者成本较高的问题。
本发明所采用的技术方案是包括信号采集模块，信号采集模块采用加速度传感器，采集塔基和机舱的位移信息，将位移信息变为模拟电压信号发送给滤波模块，模拟电压信号经过滤波模块进行滤波，滤波模块为贝塞尔低通滤波器，它为模拟电压信号提供硬件滤波，抗混叠，同时消除偏置电压；再经过差分放大器将模拟电压信号转换为差分电压，匹配模数转换器的电压要求，增大系统的动态范围，提供适当的电压增益，抑制共模噪声，提高信噪比；模数转换器采用模数转换器，将差分电压转换成微控制器可以识别的数字信号，微控制器对数字信号进行处理得到倾斜度数据，将倾斜度数据通过通讯模块传送给风机主控系统。
进一步，所述信号采集模块采用的加速度传感器型号为ADXL203；所述模数转换器采用Σ-Δ模数转换器；所述微控制器型号为STM32F103RBT6。
进一步，所述倾斜度数据包括倾角和最大倾斜角度，其计算方法为：对采集所得数据的预处理
加速度传感器每个通道每采集得到N个(初始样本数据量)模拟电压信号计算一次倾角值，计算一次倾角值所用的样本数据量n：
n＝2N/v
式中，v≥3m/s；
计算该样本数据的加权平均值：
ai代表样本中数据xi的数量，x1、x2…xm代表采集得到的m个不同的数据，f1、f2…fm代表其对应的权重，m≤n；
倾角计算：
将加权平均值带入公式得到其对应的模拟电压值：角度计算：angle＝asin(V/1000-2.5)*180/3.14159；
最大倾斜角度计算：
在一定风速下，计算得到多个样本数据的加权平均值，取其中加权平均值最大的一组样本数据，计算该风速下风机塔体倾斜的最大角度值，设该样本数据的加权平均值为对其中大于加权平均值的数据xl计算其对应的加权平均值，算式如下：
式中，fl为数据xl对应的权重，M为大于加权平均值的数据个数，al为数据xl的个数，将代入公式得一定风速下最大倾角值为：
anglemax＝asin(Vmax/1000-2.5)*180/3.14159。
本发明的有益效果是本发明系统对风电机组塔体倾斜度进行测量方法实时性较好、精度较高，成本低。
附图说明
图1是本发明风电机组塔体倾斜度测量系统电路模块结构示意图；
图2是加速度传感器ADXL203电路图；
图3是低通滤波器电路原理。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明风电机组塔体倾斜度测量系统如图1所示，包括信号采集模块1，信号采集模块1采用加速度传感器，采集塔基和机舱的位移信息，将位移信息变为模拟电压信号发送给滤波模块2，模拟电压信号经过滤波模块2进行滤波，滤波模块2为贝塞尔低通滤波器，它为模拟电压信号提供硬件滤波，抗混叠，同时消除偏置电压；再经过差分放大器3将模拟电压信号转换为差分电压，匹配模数转换器4的电压要求，增大系统的动态范围，提供适当的电压增益，抑制共模噪声，提高信噪比；模数转换器4采用Σ-Δ模数转换器，是基于Σ-Δ转换原理的模数转换器，将差分电压转换成MCU微控制器5可以识别的数字信号，MCU微控制器5对数字信号进行处理得到倾斜度数据。MCU型号采用STM32F103RBT6。将倾斜度数据通过485通讯模块6传送给风机主控系统。
如图2所示，信号采集模块1采用的加速度传感器型号为ADXL203，ADXL203是ADI公司推出的一种高精度、低功耗及单一的iMEMS型IC芯片双轴加速计，其具有信号可调的电压输出，既可测量静态的也可测量动态的加速度。输出量为一个与加速度成比例的模拟电压信号，比例系数达到1000mV/g，可承受3500g极限加速度。在小于60Hz的带宽下具有解决小于1mg的解决方案。CH1、CH2为加速度传感器X、Y轴通道。其供电电压可在3V到6V之间选择，不同的供电电压，灵敏度会发生相应改变，影响测量精度，一般在5V典型电压供电时其各方面性能指标较好，所以本发明采用5V直流电压供电。电源下的电阻和电容主要用于进行电源滤波，削弱电源的噪声信号。
滤波模块2中的低通滤波器电路如图3所示，加速度传感器的X、Y通道得到的信号经过该低通滤波器，滤除包括电源噪声在内的高频信号，使得到的信号噪声更小，最终计算结果更加精确。其中的运算放大器选用OPA2727，电路为直流5V供电的双极点节50Hz有源低通滤波器。
倾角最大值计算方法：
对采集所得数据的预处理
一般情况下，当风速v<3m/s时风机摆动频率较低，此时设加速度传感器每个通道每采集得到N个(初始样本数据量)模拟电压信号计算一次倾角值。当风速v≥3m/s，考虑到风机塔体的摆动频率会随风速的增大而增大，因此为了使得计算得到的倾角值能准确地反映塔体的实时倾斜角度，随风速的增大，逐步减小计算一次倾角值所用的样本数据量，设该样本数据量为n，则其计算算式如下：
n＝2N/v
式中，v≥3m/s。
对采集得到的样本数据，统计各个数据所占样本的比重，进而计算该样本数据的加权平均值：
ai代表样本中数据xi的数量，x1、x2…xm代表采集得到的m个不同的数据，f1、f2…fm代表其对应的权重，m≤n。
倾角计算
(1)将加权平均值带入公式计算得到其对应的模拟电压值：此处乘以1000是为了增加后面计算所得结果的小数位数，使得结果更准确；
(2)角度计算：angle＝asin(V/1000-2.5)*180/3.14159，反正弦结果为弧度值，最终转化为角度值。
最大倾斜角度计算
在一定风速下，会计算得到多个样本数据的加权平均值，取其中加权平均值最大的一组样本数据，计算该风速下风机塔体倾斜的最大角度值。设该样本数据的加权平均值为对其中大于加权平均值的数据xl计算其对应的加权平均值，算式如下：
式中，fl为数据xl对应的权重，M为大于加权平均值的数据个数，al为数据xl的个数。
将X代入上述倾角计算公式可得，一定风速下最大倾角值为：
anglemax＝asin(Vmax/1000-2.5)*180/3.14159
本发明求取四个角度值，即：塔基实时的倾斜角度、机舱(塔体)实时的倾斜角度、塔基最大的倾斜角度(各方位测得的最大值)、机舱(塔体)最大的倾斜角度(各方位测得的最大值)。
当出现以下情况时，产生警报：
1)塔基和机舱的最大角度值超过5度；
2)塔基和机舱测得的角度值之差的绝对值超过6度。
如果机舱处传感器测得的倾角值比塔基处测得的值过大，说明极有可能是塔筒某部位发生断裂或者机舱出现故障；如果塔基和机舱处测得的倾角值都很大，则说明可能是由于塔基不牢固导致塔体发生倾斜。
本发明的优点还在于：在传感器两个通道处加装滤波电路，对采集得到的信号进行硬件滤波，提高了最终计算结果的准确度；倾角测量仪安装在塔基和机舱两个部位，不仅能实时监测塔体倾斜情况，而且能大致确定导致塔体倾斜的部位；根据风速确定采用频率，所得数据能更准确地反映实时情况。不仅求取了塔体倾斜的实时情况，而且单独显示其最大值，能提前对可能出现的情况进行预警处理，保证风电机组的安全，减少经济损失；对所采集的信号不仅进行硬件滤波，而且在数据处理时还进行了软件滤波，计算结果更准确；本发明计算了风机各个方位倾斜角度的最大值，对防止倒塔事故的发生更有帮助。本发明用以研制风电机组塔体倾斜度测量仪，其既可以测量风机塔基的倾斜度，也可以测量风机机舱的倾斜度，最小可以测出0.06度的倾斜度，满足测量风机塔体倾斜度的要求。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种风电机组塔体倾斜度测量系统，其特征在于：包括信号采集模块(1)，信号采集模块(1)采用加速度传感器，采集塔基和机舱的位移信息，将位移信息变为模拟电压信号发送给滤波模块(2)，模拟电压信号经过滤波模块(2)进行滤波，滤波模块(2)为贝塞尔低通滤波器，它为模拟电压信号提供硬件滤波，抗混叠，同时消除偏置电压；再经过差分放大器(3)将模拟电压信号转换为差分电压，匹配模数转换器(4)的电压要求，增大系统的动态范围，提供适当的电压增益，抑制共模噪声，提高信噪比；模数转换器(4)采用模数转换器，将差分电压转换成微控制器(5)可以识别的数字信号，微控制器(5)对数字信号进行处理得到倾斜度数据，将倾斜度数据通过通讯模块(6)传送给风机主控系统；
所述倾斜度数据包括倾角和最大倾斜角度，其计算方法为：
对采集所得数据的预处理；
加速度传感器每个通道每采集得到N个(初始样本数据量)模拟电压信号计算一次倾角值，计算一次倾角值所用的样本数据量n：
n＝2N/v
式中，风速v≥3m/s；
计算该样本数据的加权平均值：
<mrow>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
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<mo>=</mo>
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<mo>,</mo>
<mo>...</mo>
<mo>,</mo>
<mi>m</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
ai代表样本中数据xi的数量，x1、x2…xm代表采集得到的m个不同的数据，f1、f2…fm代表其对应的权重，m≤n；
倾角计算：
将加权平均值带入公式得到其对应的模拟电压值：角度计算：
angle＝asin(V/1000-2.5)*180/3.14159；
最大倾斜角度计算：
在一定风速下，计算得到多个样本数据的加权平均值，取其中加权平均值最大的一组样本数据，计算该风速下风机塔体倾斜的最大角度值，设该样本数据的加权平均值为对其中大于加权平均值的数据xl计算其对应的加权平均值，算式如下：
<mrow>
<mover>
<mi>X</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<msub>
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<msub>
<mi>x</mi>
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<mrow>
<mo>(</mo>
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<mi>l</mi>
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<msub>
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</mfrac>
</mrow>
式中，fl为数据xl对应的权重，M为大于加权平均值的数据个数，al为数据xl的个数，将代入公式得一定风速下最大倾角值为：
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
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<mn>4096</mn>
</mrow>
anglemax＝asin(Vmax/1000-2.5)*180/3.14159。
2.按照权利要求1所述一种风电机组塔体倾斜度测量系统，其特征在于：所述信号采集模块(1)采用的加速度传感器型号为ADXL203；所述模数转换器(4)采用Σ-Δ模数转换器；所述微控制器(5)型号为STM32F103RBT6。
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Families Citing this family (4)
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| CN107091635A (zh) * | 2017-06-16 | 2017-08-25 | 上海工程技术大学 | 一种用于隧道沉降监测系统的倾角数据采集模块 |
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| CN111578919B (zh) * | 2020-05-26 | 2022-02-22 | 西安热工研究院有限公司 | 用于提高高耸塔筒结构垂直度检测精度的方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201413140Y (zh) * | 2009-05-31 | 2010-02-24 | 西安康柏自动化工程有限责任公司 | 二自由度矢量型数字式倾角测试仪 |
| WO2011134473A1 (en) * | 2010-04-29 | 2011-11-03 | Vestas Wind Systems A/S | A method and system for detecting angular deflection in a wind turbine blade or component |
| CN102589512A (zh) * | 2011-12-31 | 2012-07-18 | 赤峰百润科技有限公司 | 风电机组塔筒倾斜变形测量方法、装置和系统 |
| CN103743563A (zh) * | 2013-08-13 | 2014-04-23 | 华北电力大学（保定） | 一种基于温度数据的风机齿轮箱子空间故障预测方法 |
| CN203704914U (zh) * | 2013-05-21 | 2014-07-09 | 上海航鼎电子科技发展有限公司 | 一种塔式起重机塔身垂直度实时检测装置 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201413140Y (zh) * | 2009-05-31 | 2010-02-24 | 西安康柏自动化工程有限责任公司 | 二自由度矢量型数字式倾角测试仪 |
| WO2011134473A1 (en) * | 2010-04-29 | 2011-11-03 | Vestas Wind Systems A/S | A method and system for detecting angular deflection in a wind turbine blade or component |
| CN102589512A (zh) * | 2011-12-31 | 2012-07-18 | 赤峰百润科技有限公司 | 风电机组塔筒倾斜变形测量方法、装置和系统 |
| CN203704914U (zh) * | 2013-05-21 | 2014-07-09 | 上海航鼎电子科技发展有限公司 | 一种塔式起重机塔身垂直度实时检测装置 |
| CN103743563A (zh) * | 2013-08-13 | 2014-04-23 | 华北电力大学（保定） | 一种基于温度数据的风机齿轮箱子空间故障预测方法 |
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