CN106640546A - 一种对风力发电设备的塔筒进行监测的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对风力发电设备的塔筒进行监测的方法，塔筒底部塔基平面布置有第一双轴倾角传感器，顶部机舱平面布置有第二双轴倾角传感器和晃动传感器，方法包括步骤：经由第一双轴倾角传感器获取第一双轴倾角；至少根据第一双轴倾角计算静态双轴倾角；经由第二双轴倾角传感器计算第二双轴倾角；经由晃动传感器获取双轴晃动加速度；以及至少根据第一双轴倾角、静态双轴倾角、第二双轴倾角和双轴晃动加速度中的一个或多个计算塔筒的状态指标，状态指标指示塔筒的健康状态，并包括塔基指标、塔顶指标和塔筒指标中的至少一个。本发明还公开了一种对风力发电设备的塔筒进行监测的系统和相应的塔筒。

Description

一种对风力发电设备的塔筒进行监测的系统和方法

技术领域

本发明涉及塔筒状态监测领域，尤其涉及一种对风力发电设备的塔筒进行监测的系统和方法。

背景技术

风力发电作为一种重要的可再生新能源，受到广泛关注。而风力发电设备的塔筒作为风力发电机组的关键部位，其健康状态是风电运营和发展过程中重点关注的问题。

相比于一类风能资源地区，通常在二、三类风能资源开发风电需要更长的叶片和更高的塔架。因此随着二、三类风能资源逐渐成为风电开发的主要对象，塔筒高度不断增加，目前陆上风电机组的塔筒高度大多在50m-120m之间。塔筒承受着自重和叶片旋转产生的动荷载，而在自然风的作用下，风速、风向和风压的改变对塔筒产生的动荷载影响比较复杂。这诸多因素的共同作用会引起塔筒的变形和晃动，这种晃动不但引起塔筒本身的附加应力、影响结构强度和塔基稳定，而且还会影响塔筒顶端叶轮的变形和振动。并且塔筒的振动还有可能与叶轮旋转产生共振，从而影响风力机组性能。此外，过大的摆动还将导致塔体结构产生疲劳，甚至使得塔筒基础发生倾斜，产生安全隐患，造成巨大的经济损失。因此需要对塔筒的变形和晃动状态进行连续的在线监测。

目前，对于风力发电设备的塔筒常见的监测手段有：(1)利用GPS定位进行位移监测，此种方案精度目前不能满足风电机组塔筒毫米级的倾斜测量要求，并且采用多个GPS的方案不仅成本高，同时受工程施工的限制，必须安装在塔体外壁。(2)采用倾角传感器测量塔筒晃动的位移，此种方案虽然可行，但是由于现有技术未能考虑塔体的非线性变形特点以及目前静态倾角传感器测量动态倾角时的误差问题，导致基于刚体变形的假设和直接测量倾角结果所计算得到的位移量将远大于实际位移量。(3)采用加速度传感器进行两次积分计算塔筒位移，此种方法则存在初始位置无法准确获取，积分运算受积分参数干扰而精度较低等问题。

因此，需要一种新型的对塔筒进行监测的方案，实现对塔筒健康状况有效且可靠的在线监测。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种新的对风力发电设备的塔筒进行监测方案，以力图解决或至少缓解上面存在的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种对风力发电设备的塔筒进行监测的方法，塔筒底部的塔基平面布置有第一双轴倾角传感器，塔筒顶部的机舱平面布置有第二双轴倾角传感器和晃动传感器，该方法包括步骤：经由第一双轴倾角传感器获取塔基的第一双轴倾角；至少根据第一双轴倾角计算塔筒顶部的静态双轴倾角；经由第二双轴倾角传感器计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的第二双轴倾角；经由晃动传感器获取塔筒顶部的双轴晃动加速度；以及至少根据第一双轴倾角、静态双轴倾角、第二双轴倾角和双轴晃动加速度中的一个或多个计算塔筒的状态指标，状态指标指示塔筒的健康状态，并包括塔基指标、塔顶指标和塔筒指标中的至少一个。

可选地，在根据本发明的方法中，塔基指标包括塔基倾斜角指标和塔基最大沉降量指标，计算塔基指标的步骤包括：根据第一双轴倾角计算塔基倾斜角指标；以及根据所述塔基倾斜角指标和塔底半径计算塔基最大沉降量指标。

可选地，在根据本发明的方法中，根据第一双轴倾角计算塔基倾斜角指标的公式如下：以及根据塔基倾斜角指标和塔底半径计算塔基最大沉降量指标的公式如下：Δr＝2R·sinα；其中，α为塔基倾斜角指标，Δr为塔基最大沉降量指标，α_x、α_y为第一双轴倾角，R为塔底半径。

可选地，在根据本发明的方法中，塔顶指标包括晃动平衡位移指标，晃动平衡位移指标为塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的位移，计算塔顶指标的步骤包括：根据静态双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部的静态倾斜位移；根据静态双轴倾角、第二双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的变形挠度；以及根据静态倾斜位移和变形挠度计算晃动平衡位移指标。

可选地，在根据本发明的方法中，塔顶指标还包括晃动瞬时位移指标，晃动瞬时位移指标为塔筒顶部晃动时塔筒顶部的瞬时位移，计算塔顶指标的步骤还包括：至少根据双轴晃动加速度计算塔筒顶部的双轴晃动位移；以及根据静态倾斜位移、变形挠度以及双轴晃动位移计算晃动瞬时位移指标。

可选地，在根据本发明的方法中，塔筒指标包括平均应力指标，平均应力指标为塔筒最大应力点处的平均应力，计算塔筒指标的步骤包括：至少根据变形挠度和塔筒的绝对高度计算平均应力指标。

可选地，在根据本发明的方法中，塔筒指标还包括瞬时应力指标，瞬时应力指标为塔筒最大应力点处的瞬时应力，计算塔筒指标的步骤还包括：至少根据变形挠度、双轴晃动位移和塔筒的绝对高度计算瞬时应力指标。

可选地，在根据本发明的方法中，至少根据第一双轴倾角计算静态双轴倾角的步骤包括：根据当前机舱的偏航角判断第一双轴倾角传感器是否与第二双轴倾角传感器轴向一致；若是，则静态双轴倾角等于第一双轴倾角；以及若否，则根据第一双轴倾角和偏航角计算静态双轴倾角。

可选地，在根据本发明的方法中，根据第一双轴倾角和偏航角计算静态双轴倾角的公式如下：

其中，β_x、β_y为静态双轴倾角，α_x、α_y为第一双轴倾角，γ为偏航角。

可选地，在根据本发明的方法中，第一双轴倾角传感器以其x轴方向为偏航角为0时的机舱主轴方向布置，第二双轴倾角传感器和晃动传感器以其x轴方向为当前机舱主轴方向布置。

可选地，在根据本发明的方法中，还包括步骤：判断状态指标中任一个是否超过阈值，若是，发出警报。根据本发明的另一个方面，提供了一种对风力发电设备的塔筒进行监测的系统，该系统包括：布置于塔筒底部塔基平面上的第一双轴倾角传感器；布置于塔筒顶部机舱平面上的第二双轴倾角传感器和晃动传感器；以及数据处理装置，适于经由第一双轴倾角传感器获取塔基的第一双轴倾角；还适于至少根据第一双轴倾角计算塔筒顶部的静态双轴倾角；还适于经由第二双轴倾角传感器计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的第二双轴倾角；还适于经由晃动传感器获取塔筒顶部的双轴晃动加速度；还适于至少根据第一双轴倾角、静态双轴倾角、第二双轴倾角和双轴晃动加速度中的一个或多个计算塔筒的状态指标，该状态指标指示塔筒的健康状态，并包括塔基指标、塔顶指标和塔筒指标中的至少一个。

可选地，在根据本发明的系统中，塔基指标包括塔基倾斜角指标和塔基最大沉降量指标，数据处理装置还适于根据第一双轴倾角计算塔基倾斜角指标；根据塔基倾斜角指标和塔底半径计算塔基最大沉降量指标。

可选地，在根据本发明的系统中，根据第一双轴倾角计算塔基倾斜角指标的公式如下：以及根据塔基倾斜角指标和塔底半径计算塔基最大沉降量指标的公式如下：Δr＝2R·sinα；其中，α为塔基倾斜角指标，Δr为塔基最大沉降量指标，α_x、α_y为第一双轴倾角，R为塔底半径。

可选地，在根据本发明的系统中，塔顶指标包括晃动平衡位移指标，晃动平衡位移指标为塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的位移，数据处理装置还适于根据静态双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部的静态倾斜位移；根据静态双轴倾角、第二双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的变形挠度；根据静态倾斜位移和变形挠度计算晃动平衡位移指标。

可选地，在根据本发明的系统中，塔顶指标还包括晃动瞬时位移指标，晃动瞬时位移指标为塔筒顶部晃动时塔筒顶部的瞬时位移，数据处理装置还适于至少根据双轴晃动加速度计算塔筒顶部的双轴晃动位移；根据静态倾斜位移、变形挠度以及双轴晃动位移计算晃动瞬时位移指标。

可选地，在根据本发明的系统中，塔筒指标包括平均应力指标，平均应力指标为塔筒最大应力点处的平均应力，数据处理装置还适于至少根据变形挠度和塔筒的绝对高度计算平均应力指标。

可选地，在根据本发明的系统中，塔筒指标还包括瞬时应力指标，瞬时应力指标为塔筒最大应力点处的瞬时应力，数据处理装置还适于至少根据变形挠度、双轴晃动位移和塔筒的绝对高度计算瞬时应力指标。

可选地，在根据本发明的系统中，数据处理装置还适于根据当前机舱的偏航角判断第一双轴倾角传感器是否与第二双轴倾角传感器轴向一致；若是，则静态双轴倾角等于第一双轴倾角；以及若否，则根据第一双轴倾角和偏航角计算静态双轴倾角。

可选地，在根据本发明的系统中，根据第一双轴倾角和偏航角计算静态双轴倾角的公式如下：

其中，β_x、β_y为静态双轴倾角，α_x、α_y为第一双轴倾角，γ为偏航角。

可选地，在根据本发明的系统中，第一双轴倾角传感器以其x轴方向为偏航角为0时的机舱主轴方向布置，第二双轴倾角传感器和晃动传感器以其x轴方向为当前机舱主轴方向布置。

可选地，在根据本发明的系统中，数据处理装置还适于判断状态指标中任一个是否超过阈值，若是，发出警报。

根据本发明的还有一个方面，提供了一种风力发电设备的塔筒，包括根据本发明的对风力发电设备的塔筒进行监测的系统。

根据本发明的对风力发电设备的塔筒进行监测的方案，通过在塔筒底部塔基平面布置第一双轴倾角传感器、在塔筒顶部机舱平面布置第二双轴倾角传感器和晃动传感器获得第一双轴倾角、静态双轴倾角、第二双轴倾角和晃动双轴加速度，进而计算塔筒的状态指标，最后利用状态指标实现对塔筒健康状态的在线实时的监测，监测结果有效性高、成本较低、易于布置。其中，本发明充分考虑到塔筒的晃动、弯曲以及塔基的沉降对计算的干扰，通过构建可靠的几何模型进行指标计算，保证了计算的精度。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的风力发电设备100的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个示例性实施例的对风力发电设备的塔筒110进行监测的系统200的结构示意图；

图3示出了根据本发明一个示例性实施例的塔基倾斜的几何模型的示意图；

图4示出了根据本发明一个示例性实施例的塔筒晃动弯曲的几何模型的示意图；以及

图5示出了根据本发明一个示例性实施例的对风力发电设备的塔筒进行监测的方法500的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的风力发电设备100的结构示意图。如图1所示，风力发电设备100包括从支撑水平面160延伸的塔筒110、安装于塔筒110顶部的机舱130、机舱主轴140和叶片150，其中塔筒110底部为塔基120。塔筒110具有合适的绝对高度，并一般使用钢管制造，以界定在支撑水平面160和机舱130之间延伸的腔。

显然地，塔筒110作为风力发电设备100中支撑的重要部位，在风力发电设备100运行过程中，承受着其自重和叶片150旋转产生的动荷载。而随着塔筒110高度的不断增加，塔筒承受的自重和叶片150旋转产生的动荷载也越来越大。风力发电设备100运行过程中塔筒110由于受到风力动载荷的影响产生变形和晃动，这种晃动会引起塔筒110本身的附加应力，影响结构强度和塔基稳定，从而直接影响风力发电设备100性能。并且，过大的摆动将导致塔体结构产生疲劳，甚至使得塔基120发生倾斜(即发生沉降)，产生安全隐患。若不能及时发现上述隐患，则很有可能造成更为严重的后果，带来巨大的经济损失。因此，监测塔筒110在风力发电设备100运行时的健康状况十分必要。

根据本发明的对风力发电设备的塔筒进行监测的系统可以包括第一倾角传感器、第二倾角传感器、晃动传感器和数据处理装置。

第一倾角传感器、第二倾角传感器通常为双轴倾角传感器，双轴倾角传感器可以测出水平面绕其两个轴向(x轴、y轴)的倾角。晃动传感器230可以测出其两个轴向(x轴、y轴)的晃动加速度。

第一倾角传感器通常布置于塔筒底部的刚性水平面(例如塔基平面或其他类似平面)上，第二倾角传感器和晃动传感器通常布置于塔筒顶部的刚性水平面(例如机舱平面、机场主轴下部平面、大梁上平面或其他类似平面)上。各传感器与平面的固定方式可以是磁座或其他固定方式，本发明对此不做限制。

第一倾角传感器的x轴方向通常设置为偏航角(即机舱主轴与风向之间的角度)为0时的机舱主轴方向，y轴则相应地为平面上与x轴垂直的方向。第二倾角传感器和晃动传感器的x轴方向通常设置为当前机舱主轴方向，y轴则相应地为平面上与x轴垂直的方向。其中，第二倾角传感器和晃动传感器的x轴方向也可以不一致，二者之间夹角为固定值即可。

需要注意的是，当当前偏航角为0时，第一倾角传感器的x轴与第二倾角传感器的x轴方向一致，当当前偏航角不为0时，第一倾角传感器的x轴与第二倾角传感器的x轴方向不一致，相差角度等于偏航角。

在一个实施例中，第一倾角传感器还可以是静态倾角传感器，第二倾角传感器和晃动传感器还可以用能够同时输出倾角数据和晃动加速度数据的三轴倾角传感器替代。在另一个实施例中，第二倾角传感器还可以是动态倾角传感器，动态倾角传感器可以通过加速度信息来对倾角数据进行校正，消除由于加速度的存在给倾角测量所带来的影响，这样直接得到塔顶的瞬时倾角变化数据。

图2示出了根据本发明一个示例性实施例的对风力发电设备的塔筒110进行监测的系统200的结构示意图。该系统200包括第一双轴倾角传感器210、第二双轴倾角传感器220、晃动传感器239和数据处理装置240(未示出)。如图2所示，第一双轴倾角传感器210布置于塔筒底部塔基平面上，第二双轴倾角传感器220和晃动传感器230均布置于塔筒顶部机舱平面上。其中，第一双轴倾角传感器210的x轴方向为偏航角为0时的机舱主轴方向，第二倾角传感器220和晃动传感器230的x轴方向一致，均为当前机舱主轴方向。

一般来说，塔筒顶部会随塔筒的晃动发生晃动和弯曲，还会随塔基的沉降发生位移，布置于塔筒顶部和底部的各传感器会相应地测出数据。

数据处理装置240分别与第一双轴倾角传感器210、第二双轴倾角传感器220和晃动传感器230连接，可以接收第一双轴倾角传感器210、第二双轴倾角传感器220和晃动传感器230传输的测量数据并进行计算处理得到塔筒的状态指标。这里，状态指标指示塔筒的健康状态，并可以包括塔基指标、塔顶指标和塔筒指标中的至少一个。其中，塔基指标可以进一步包括塔基倾斜角指标和塔基最大沉降量指标中的至少一个。塔顶指标可以进一步包括晃动平衡位移指标和晃动瞬时位移指标中的至少一个，晃动平衡位移指标为塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的位移，晃动瞬时位移指标为塔筒顶部晃动时塔筒顶部的瞬时位移。塔筒指标可以进一步包括平均应力指标和瞬时应力指标中的至少一个，平均应力指标为塔筒最大应力点处的平均应力，瞬时应力指标为塔筒最大应力点处的瞬时应力。

下面具体描述各指标的计算原理。

数据处理装置240可以经由第一双轴倾角传感器210获取塔基的第一双轴倾角，该第一双轴倾角为当前第一双轴倾角传感器210输出的其两个轴向的倾角，可以指示塔基的倾斜程度。数据处理装置240可以根据第一双轴倾角计算塔基倾斜角指标，以及根据塔基倾斜角指标和塔底半径计算塔基最大沉降量指标。

图3示出了根据本发明一个示例性实施例的塔基倾斜几何模型的示意图。其中，X₀轴和Y₀轴为塔基未发生倾斜(即未发生沉降)时塔基平面上第一双轴倾角传感器210的两个轴向，Z₀轴为塔基未发生倾斜时塔基上的轴。X₁轴和Y₁轴为塔基发生倾斜(即发生沉降)时塔基平面上第一双轴倾角传感器210的两个轴向，Z₁轴为塔基发生倾斜时塔基上倾斜的轴。可以理解地，第一双轴倾角中两个轴向的倾角分别为X₀轴和X₁轴之间的夹角α_x、Y₀轴和Y₁轴之间的夹角α_y。塔基倾斜角指标为Z₀轴和Z₁轴之间的夹角α。2R为塔基上倾斜的轴到其对侧轴的距离(即塔底直径)，Δr为塔基最大沉降量指标，其中R为塔底半径。

塔基倾斜角指标α和塔基最大沉降量指标Δr的计算可以如下：

Δr＝2R·sinα

数据处理装置240还可以至少根据第一双轴倾角计算塔筒顶部的静态双轴倾角。具体地，数据处理装置240可以根据当前机舱的偏航角判断第一双轴倾角传感器210是否与第二双轴倾角传感器220轴向一致，偏航角可以通过风力发电设备的偏航系统获取。若第一倾角传感器210与第二倾角传感器220轴向一致，则静态双轴倾角等于第一双轴倾角。否则，数据处理装置240可以根据上述第一双轴倾角和偏航角计算静态双轴倾角。

这里，静态双轴倾角为假设塔筒顶部在未发生晃动的静态下塔筒顶部的双轴倾角，即此时塔筒顶部的第二双轴倾角传感器220输出的其两个轴向的倾角。

因为在实际应用中，塔筒顶部通常会发生晃动，这种晃动的加速度会导致其上倾角传感器的测量出现较大误差，无法测得准确的塔筒顶部的动态倾角，导致最终无法计算出准确的塔筒顶部的位移。本发明通过引入根据塔基的倾角数据计算得到的静态双轴倾角来对塔筒顶部位移的计算进行修正，可以提高计算的精度。

其中，具体地，当前的偏航角为0时，则显然第一倾角传感器210与第二倾角传感器220轴向一致，静态双轴倾角等于第一双轴倾角。

当前的偏航角不为0时，塔筒顶部随塔基的倾斜产生位移的几何模型同样如图3所示，X轴和Y轴为塔基未发生倾斜时机舱平面上第二双轴倾角传感器220的两个轴向，由于偏航角不为0，则第一双轴倾角传感器210与第二双轴倾角传感器220轴向不一致，其X₀轴和X轴相差的角度γ即为偏航角。

X'轴和Y'轴为塔筒顶部随塔基的倾斜发生位移后第二双轴倾角传感器220的两个轴向，X轴和X'轴之间的夹角β_x，Y轴和Y'轴之间的夹角β_y则分别为此时塔筒顶部随塔基沉降而产生的静态双轴倾角。

静态双轴倾角β_x，β_y计算可以如下：

得到静态双轴倾角后，数据处理装置240可以根据该静态双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部的静态倾斜位移，与静态双轴倾角类似地，该静态倾斜位移为同样假设塔筒顶部在未发生晃动的静态下塔筒顶部倾斜发生的位移。计算静态倾斜位移可以如下：

其中，H为塔筒的绝对高度，β_x，β_y为静态双轴倾角，l_1x,l_1y为静态倾斜位移在第二双轴倾角传感器220两个轴向上的分量。

而后，数据处理装置240可以经由第二双轴倾角传感器220计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的第二双轴倾角，该第二双轴倾角为塔筒顶部晃动处于平衡位置时第二倾角传感器220两个轴向的倾角，可以指示塔筒顶部晃动处于平衡位置时的倾斜程度。第二双轴倾角可以根据第二双轴倾角传感器220输出的双轴倾角数据计算得到，例如可以通过傅里叶变换计算第二双轴倾角传感器220输出的双轴倾角数据的最大能量频率，根据最大能量频率得到主周期成分，再根据主周期成分计算该双轴倾角数据在2或3个周期上的均值，这个均值即为第二双轴倾角。

可以理解地，塔筒晃动并发生弯曲的几何模型可以如图4所示。该几何模型为简化的悬梁壁模型，根据材料力学，数据处理装置240可以根据静态双轴倾角、第二双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的变形挠度计算如下：

其中，l_2x，l_2y为变形挠度在第二双轴倾角传感器220两个轴向上的分量，β′_x，β′_y为第二双轴倾角，β_x，β_y为静态双轴倾角。

随后数据处理装置240可以根据上述静态倾斜位移和变形挠度计算晃动平衡位移指标计算如下：

其中，为晃动平衡位移指标，为静态倾斜位移，为变形挠度。

这样本发明通过结合根据在发生晃动的动态下第二双轴倾角传感器220输出的倾角数据计算得到的塔筒顶部处于平衡位置时的变形挠度和假设在未发生晃动的静态下塔筒顶部的静态倾斜位移，实现了对塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部平衡位移的准确监测。

数据处理装置240还可以经由晃动传感器230获取塔筒顶部的双轴晃动加速度，该双轴晃动加速度为当前晃动传感器230输出的其两个轴向的加速度，可以指示塔筒顶部的晃动程度。

数据处理装置240可以至少根据该双轴晃动加速度计算塔筒顶部的双轴晃动位移。

具体地，对于晃动传感器230输出得到的其两个轴向的晃动加速度，首先可以通过傅里叶变换求取第二双轴倾角传感器220输出的其两个轴向的倾角数据在0-1Hz之间的最大频率成分，并根据该频率值设定晃动加速度的积分参数，即设置高通滤波截止频率为该最大频率成分的一半，而后将晃动加速度去除直流分量之后进行时域二次积分，最后将积分的结果去除三次趋势项后即得到上述双轴晃动位移。该双轴晃动位移可以简化表示如下：

其中，l_3x，l_3y为双轴晃动位移在塔筒顶部晃动传感器230两个轴向的位移分量，a_x，a_y为双轴晃动加速度在塔筒顶部晃动传感器230两个轴向的加速度分量，t为时间。

数据处理装置240还可以根据上述的静态倾斜位移变形挠度以及双轴晃动位移计算晃动瞬时位移指标，计算如下：

其中，为静态倾斜位移，为变形挠度，为双轴晃动位移，为晃动瞬时位移指标。这样充分考虑到监测在复杂动态环境下的测量误差，利用塔顶传感器输出的倾角数据为晃动加速度的积分提供积分参数的同时还利用塔基传感器输出的倾角数据对塔筒顶部的晃动位移进行修正，大大提高了计算的精度，保证监测的有效性和可靠性。

此外，数据处理装置240还可以至少根据变形挠度和塔筒的绝对高度计算平均应力指标，还可以至少根据变形挠度、双轴晃动位移和塔筒的绝对高度计算瞬时应力指标。

平均应力指标计算可以如下：

考虑空心圆的悬臂梁弯曲应力计算公式：

其中，σ为塔筒最大应力点处弯曲应力(MPa)，M为塔筒最大应力点处截面弯矩(Nm)，W_z为抗弯截面模量，D为塔筒外径，γ′为内外径之比。

又因为存在以下关系：

其中P为塔顶等效载荷(N)，EI为抗弯刚度(Pa·m⁴)。

综上可以计算得到最大应力点处平均应力指标σ_m：

瞬时应力指标计算可以如下：

综上所述，本发明通过利用两个倾角传感器和晃动传感器获得两组倾角数据和一组晃动加速度数据，根据发明所提出的算法，综合利用上述数据，实现了对塔基倾斜角、沉降量，对塔顶晃动平衡位移、晃动瞬时位移，对塔筒最大应力处平均应力和瞬时应力等指标的计算，达到对塔筒健康状况的充分全面的在线实时监测的目的。

最后，数据处理装置240还可以判断上述状态指标中任一个是否超过阈值，若是，发出警报。还可以生成各个指标的历史数据趋势图、塔顶平衡位置随时间变化的散点图、塔顶当前采集周期的晃动轨迹图、塔筒变形状态三维示意图、以及计算塔筒当前固有频率等等，便于用户观察。

图5示出了根据本发明一个示例性实施例的对风力发电设备的塔筒进行监测的方法500。塔筒底部的塔基平面布置有第一双轴倾角传感器，塔筒顶部的机舱平面布置有第二双轴倾角传感器和晃动传感器，其中第一双轴倾角传感器以其x轴方向为偏航角为0时的机舱主轴方向布置，第二双轴倾角传感器和晃动传感器以其x轴方向为当前机舱主轴方向布置。塔筒顶部可以随塔筒的晃动发生晃动和弯曲、随塔基的沉降发生位移，该方法500始于步骤S510。

在步骤S510中，经由第一双轴倾角传感器获取塔基的第一双轴倾角。

在步骤S520中，至少根据第一双轴倾角计算塔筒顶部的静态双轴倾角。具体地，计算静态双轴倾角的步骤还可以包括：根据当前机舱的偏航角判断第一双轴倾角传感器是否与第二双轴倾角传感器轴向一致；若是，则静态双轴倾角等于第一双轴倾角；以及若否，则根据第一双轴倾角和当前偏航角计算静态双轴倾角。根据第一双轴倾角和偏航角计算静态双轴倾角的公式可以如下：

其中，β_x、β_y为静态双轴倾角，α_x、α_y为第一双轴倾角，γ为偏航角。

而后在步骤S530中，经由第二双轴倾角传感器计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的第二双轴倾角。

而后在步骤S540中，经由晃动传感器获取塔筒顶部的双轴晃动加速度，双轴晃动加速度为当前晃动传感器输出的其两个轴向的加速度，可以指示塔筒顶部的晃动程度。最后在步骤S550中，至少根据第一双轴倾角、静态双轴倾角、第二双轴倾角和双轴晃动加速度中的一个或多个计算塔筒的状态指标，状态指标指示塔筒的健康状态，并包括塔基指标、塔顶指标和塔筒指标中的至少一个。

其中，塔基指标可以包括塔基倾斜角指标和塔基最大沉降量指标，计算塔基指标的步骤包括：根据第一双轴倾角计算塔基倾斜角指标；以及根据塔基倾斜角指标和塔底半径计算塔基最大沉降量指标。根据第一双轴倾角计算塔基倾斜角指标的公式可以如下：

以及根据塔基倾斜角指标和塔底半径计算塔基最大沉降量指标的可以公式如下：Δr＝2R·sinα，其中，α为塔基倾斜角指标，Δr为塔基最大沉降量指标，α_x、α_y为第一双轴倾角，R为塔底半径。

塔顶指标可以包括晃动平衡位移指标，晃动平衡位移指标为塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的位移，计算塔顶指标的步骤包括：根据静态双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部的静态倾斜位移；根据静态双轴倾角、第二双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的变形挠度；以及根据静态倾斜位移和变形挠度计算晃动平衡位移指标。

塔顶指标还可以包括晃动瞬时位移指标，晃动瞬时位移指标为塔筒顶部晃动时塔筒顶部的瞬时位移，计算塔顶指标的步骤还包括：至少根据双轴晃动加速度计算塔筒顶部的双轴晃动位移；以及根据静态倾斜位移、变形挠度以及双轴晃动位移计算晃动瞬时位移指标。

塔筒指标可以包括平均应力指标，平均应力指标为塔筒最大应力点处的平均应力，计算塔筒指标的步骤包括：至少根据变形挠度和塔筒的绝对高度计算平均应力指标。

塔筒指标还可以包括瞬时应力指标，瞬时应力指标为塔筒最大应力点处的瞬时应力，计算塔筒指标的步骤还包括：至少根据变形挠度、双轴晃动位移和塔筒的绝对高度计算瞬时应力指标。

最后，方法500还可以包括步骤：判断状态指标中任一个是否超过阈值，若是，发出警报。

上述步骤中的具体处理已在结合图1-4对对风力发电设备的塔筒进行监测的系统200的描述中详细说明，此处不再赘述。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明还可以包括：A6、如A4所述的方法，其中，所述塔筒指标包括平均应力指标，平均应力指标为塔筒最大应力点处的平均应力，计算塔筒指标的步骤包括：至少根据所述变形挠度和塔筒的绝对高度计算所述平均应力指标。A7、如A5或6所述的方法，其中，所述塔筒指标还包括瞬时应力指标，瞬时应力指标为塔筒最大应力点处的瞬时应力，计算塔筒指标的步骤还包括：至少根据所述变形挠度、所述双轴晃动位移和塔筒的绝对高度计算所述瞬时应力指标。A8、如A1-7中任一项所述的方法，其中，所述至少根据第一双轴倾角计算静态双轴倾角的步骤包括：根据当前机舱的偏航角判断所述第一双轴倾角传感器是否与所述第二双轴倾角传感器轴向一致；若是，则静态双轴倾角等于第一双轴倾角；以及若否，则根据所述第一双轴倾角和偏航角计算所述静态双轴倾角。A9、如权利要求8所述的方法，其中，所述根据第一双轴倾角和偏航角计算静态双轴倾角的公式如下：

其中，β_x、β_y为所述静态双轴倾角，α_x、α_y为所述第一双轴倾角，γ为所述偏航角。A10、如A1-9中任一项所述的方法，其中，所述第一双轴倾角传感器以其x轴方向为偏航角为0时的机舱主轴方向布置，第二双轴倾角传感器和晃动传感器以其x轴方向为当前机舱主轴方向布置。A11、如A1-10中任一项所述的方法，其中，还包括步骤：判断所述状态指标中任一个是否超过阈值，若是，发出警报。

B16、如B15所述的系统，其中，所述塔顶指标还包括晃动瞬时位移指标，所述晃动瞬时位移指标为塔筒顶部晃动时塔筒顶部的瞬时位移，所述数据处理装置还适于至少根据所述双轴晃动加速度计算塔筒顶部的双轴晃动位移；根据所述静态倾斜位移、变形挠度以及双轴晃动位移计算所述晃动瞬时位移指标。B17、如B15所述的系统，其中，所述塔筒指标包括平均应力指标，平均应力指标为塔筒最大应力点处的平均应力，所述数据处理装置还适于至少根据所述变形挠度和塔筒的绝对高度计算所述平均应力指标。B18、如B16或17所述的系统，其中，所述塔筒指标还包括瞬时应力指标，瞬时应力指标为塔筒最大应力点处的瞬时应力，所述数据处理装置还适于至少根据所述变形挠度、所述双轴晃动位移和塔筒的绝对高度计算所述瞬时应力指标。B19、如B12-18中任一项所述的系统，其中，所述数据处理装置还适于根据当前机舱的偏航角判断所述第一双轴倾角传感器是否与所述第二双轴倾角传感器轴向一致；若是，则静态双轴倾角等于第一双轴倾角；以及若否，则根据所述第一双轴倾角和偏航角计算所述静态双轴倾角。B20、如B19所述的系统，其中，根据第一双轴倾角和偏航角计算静态双轴倾角的公式如下：

其中，β_x、β_y为所述静态双轴倾角，α_x、α_y为第一双轴倾角，γ为偏航角。B21、如B12-20中任一项所述的系统，其中，所述第一双轴倾角传感器以其x轴方向为偏航角为0时的机舱主轴方向布置，第二双轴倾角传感器和晃动传感器以其x轴方向为当前机舱主轴方向布置。B22、如B12-21中任一项所述的系统，其中，所述数据处理装置还适于判断所述状态指标中任一个是否超过阈值，若是，发出警报。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种对风力发电设备的塔筒进行监测的方法，所述塔筒底部的塔基平面布置有第一双轴倾角传感器，所述塔筒顶部的机舱平面布置有第二双轴倾角传感器和晃动传感器，所述方法包括步骤：

经由所述第一双轴倾角传感器获取塔基的第一双轴倾角；

至少根据所述第一双轴倾角计算塔筒顶部的静态双轴倾角；

经由所述第二双轴倾角传感器计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的第二双轴倾角；

经由所述晃动传感器获取塔筒顶部的双轴晃动加速度；以及

至少根据所述第一双轴倾角、静态双轴倾角、第二双轴倾角和双轴晃动加速度中的一个或多个计算塔筒的状态指标，所述状态指标指示塔筒的健康状态，并包括塔基指标、塔顶指标和塔筒指标中的至少一个。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述塔基指标包括塔基倾斜角指标和塔基最大沉降量指标，计算塔基指标的步骤包括：

根据所述第一双轴倾角计算所述塔基倾斜角指标；以及

根据所述塔基倾斜角指标和塔底半径计算塔基最大沉降量指标。

3.如权利要求2所述的方法，其中，根据所述第一双轴倾角计算所述塔基倾斜角指标的公式如下：

以及根据所述塔基倾斜角指标和塔底半径计算塔基最大沉降量指标的公式如下：Δr＝2R·sinα；

其中，α为塔基倾斜角指标，Δr为塔基最大沉降量指标，α_x、α_y为第一双轴倾角，R为塔底半径。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述塔顶指标包括晃动平衡位移指标，所述晃动平衡位移指标为塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的位移，计算塔顶指标的步骤包括：

根据所述静态双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部的静态倾斜位移；

根据所述静态双轴倾角、第二双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的变形挠度；以及

根据所述静态倾斜位移和变形挠度计算所述晃动平衡位移指标。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述塔顶指标还包括晃动瞬时位移指标，所述晃动瞬时位移指标为塔筒顶部晃动时塔筒顶部的瞬时位移，计算塔顶指标的步骤还包括：

至少根据所述双轴晃动加速度计算塔筒顶部的双轴晃动位移；以及

根据所述静态倾斜位移、变形挠度以及双轴晃动位移计算所述晃动瞬时位移指标。

6.一种对风力发电设备的塔筒进行监测的系统，所述系统包括：

布置于塔筒底部塔基平面上的第一双轴倾角传感器；

布置于塔筒顶部机舱平面上的第二双轴倾角传感器和晃动传感器；以及

数据处理装置，适于经由所述第一双轴倾角传感器获取塔基的第一双轴倾角；还适于至少根据所述第一双轴倾角计算塔筒顶部的静态双轴倾角；还适于经由所述第二双轴倾角传感器计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的第二双轴倾角；还适于经由所述晃动传感器获取塔筒顶部的双轴晃动加速度；还适于至少根据所述第一双轴倾角、静态双轴倾角、第二双轴倾角和双轴晃动加速度中的一个或多个计算塔筒的状态指标，所述状态指标指示塔筒的健康状态，并包括塔基指标、塔顶指标和塔筒指标中的至少一个。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述塔基指标包括塔基倾斜角指标和塔基最大沉降量指标，所述数据处理装置还适于根据所述第一双轴倾角计算所述塔基倾斜角指标；

根据所述塔基倾斜角指标和塔底半径计算塔基最大沉降量指标。

8.如权利要求7所述的系统，其中，根据所述第一双轴倾角计算所述塔基倾斜角指标的公式如下：根据所述塔基倾斜角指标和塔底半径计算塔基最大沉降量指标的公式如下：Δr＝2R·sinα；

其中，α为塔基倾斜角指标，Δr为塔基最大沉降量指标，α_x、α_y为第一双轴倾角，R为塔底半径。

9.如权利要求6或7所述的系统，其中，所述塔顶指标包括晃动平衡位移指标，所述晃动平衡位移指标为塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的位移，所述数据处理装置还适于根据所述静态双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部的静态倾斜位移；

根据所述静态双轴倾角、第二双轴倾角和塔筒的绝对高度计算塔筒顶部晃动处于平衡位置时塔筒顶部的变形挠度；

根据所述静态倾斜位移和变形挠度计算所述晃动平衡位移指标。

10.一种风力发电设备的塔筒，包括如权利要求6-9中任一项所述的对风力发电设备的塔筒进行监测的系统。