CN107255978B - 基于cfd流场分析的可视化监控方法、装置及系统 - Google Patents

基于cfd流场分析的可视化监控方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于风电信息监控技术领域，尤其涉及一种基于CFD流场分析的可视化监控方法、装置及系统，其中，该方法包括：获取风电场每台风力机的运行信息及设备信息；其中，所述运行信息包括风速信息，所述设备信息包括安装位置、高度及风机型号信息；基于所述风速信息，从可视化CFD流场数据库中获取与所述风速信息对应的可视化CFD流场信息，用于实时显示；其中，所述可视化CFD流场信息包括各个风力机周围及叶片处的可视化流线信息。本发明实现了风电场每台风力机的CFD流场信息及结构应力信息的可视化显示，更加直观的显示风力机设备的安全运行情况，便于监控人员进风机故障分析，发电量不足监控分析，震动故障分析，提高了运行人员监控的工作效率。

Description

基于CFD流场分析的可视化监控方法、装置及系统
技术领域
本发明属于风电信息监控技术领域，尤其涉及一种基于CFD流场分析的可视化监控方法、装置及系统。
背景技术
目前，风电信息监控一般采用SCADA(Supervisory Control And DataAcquisition，数据采集与监视控制系统)进行风场数据信息监控，由于数据信息量大，运行人员监控的工作量较大，效率较低，有待进一步改进。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于CFD流场分析的可视化监控方法、装置及系统，增加CFD流场分析的可视化效果，实时的显示目前风电场的运行情况和每台风力机周围的湍流风况、流线信息、结构应力，更加直观的可视化显示风力机设备的安全运行情况。
本发明提供了一种基于CFD流场分析的可视化监控方法，包括：
获取风电场每台风力机的运行信息及设备信息；其中，运行信息包括风速、风向信息，设备信息包括安装位置、高度及风机型号信息；
基于风速信息，从可视化CFD流场数据库中获取与风速信息对应的可视化CFD流场信息，用于实时显示；其中，可视化CFD流场信息包括各个风力机周围及叶片处的可视化流线信息。
进一步地，该方法还包括对获取的运行信息进行初步诊断，若超出预设值，报警提示。
进一步地，该方法还包括基于风场历史数据和已统计的运行数据，分析可检测风速范围内的整个风场的CFD流场信息，提取各个风力机周围及叶片处的可视化数据，构建可视化CFD流场数据库；其中，可视化数据包括可视化流线数据。
进一步地，可检测风速范围基于计算量和实际风速受影响的程度，选取风速范围间隔为0.5m/s。
进一步地，该方法还包括获取对应风速下各个风力机结构应力信息，用于可视化实时显示。
进一步地，获取对应风速下各个风力机结构应力信息用于可视化实时显示，具体包括：计算分析对应风速下每台风力机塔架和叶片的承载信息，计算分析结构信息，包括振动模态及累积疲劳信息；其中，振动模态信息用于可视化显示叶片的受载振动幅度，累积疲劳信息用于诊断提示。
本发明还提供了一种基于CFD流场分析的可视化监控装置，包括：
信息获取模块，用于获取风电场每台风力机的运行信息及设备信息；其中，运行信息包括风速、风向信息，设备信息包括安装位置、高度及风机型号信息；
流场信息处理模块，用于基于所述风速信息，从可视化CFD流场数据库中获取与风速信息对应的可视化CFD流场信息，供显示装置实时可视化显示；其中，可视化CFD流场信息包括各个风力机周围及叶片处的可视化流线信息。
进一步地，该装置还包括结构信息处理模块，结构信息处理模块用于获取对应风速下各个风力机结构应力信息，供实时装置实时可视化显示。
进一步地，结构信息处理模块具体用于：计算分析对应风速下每台风力机塔架和叶片的承载信息，计算分析结构信息，包括振动模态及累积疲劳信息；其中，振动模态信息用于可视化显示叶片的受载振动幅度，累积疲劳信息用于诊断提示。
本发明还提供了一种基于CFD流场分析的可视化监控系统，包括风电信息监控系统及可视化信息监控平台，风电信息监控系统与可视化信息监控平台连接；可视化信息监控平台包括信息存储数据库、该可视化CFD流场数据库以及上述任一可视化监控装置。
借由上述方案，通过基于CFD流场分析的可视化监控方法、装置及系统，实现了风电场每台风力机的CFD流场信息及结构应力信息的可视化显示，更加直观的显示风力机设备的安全运行情况，风场的每台风机，每一个时刻的风速、风向、发电量，结合CFD分析各个风机，便于监控人员进风机故障分析，发电量不足监控分析，震动故障分析，提高了运行人员监控的工作效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明基于CFD流场分析的可视化监控方法一实施例的流程图；
图2是本发明基于CFD流场分析的可视化监控装置一实施例的流程图的结构框图；
图3是本发明基于CFD流场分析的可视化监控系统一实施例的结构框图；
图4是本发明基于CFD流场分析的可视化监控系统可视化信息监控平台监控界面一实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参图1所示，本实施例提供了一种基于CFD流场分析的可视化监控方法，包括：
步骤S1，获取风电场每台风力机的运行信息(SCADA数据)及设备信息；其中，运行信息包括风速、风向信息，设备信息包括安装位置、高度及风机型号信息；
步骤S2，基于风速信息，从可视化CFD流场数据库中获取与风速信息对应的可视化CFD流场信息，用于实时显示在监控屏幕中；其中，可视化CFD流场信息包括各个风力机周围及叶片处的可视化流线信息(围绕指定风力机的叶片周围的可视化流线信息)。
在本实施例中，该方法还包括对获取的运行信息进行初步诊断，若超出预设值，报警提示。
在本实施例中，该方法还包括基于风场历史数据和已统计的运行数据，分析可检测风速范围内的整个风场的CFD流场信息，提取各个风力机周围及叶片处的可视化数据，构建可视化CFD流场数据库；其中，可视化数据包括可视化流线数据。其中，可检测风速范围基于计算量和实际风速受影响的程度，选取风速范围间隔为0.5m/s。
在本实施例中，该方法还包括获取对应风速下各个风力机结构应力信息，用于可视化实时显示。具体包括：获取对应风速下各个风力机结构应力信息用于可视化实时显示，具体包括：计算分析对应风速下每台风力机塔架和叶片的承载信息，计算分析结构信息，包括振动模态及累积疲劳信息；其中，振动模态信息用于可视化显示叶片的受载振动幅度，累积疲劳信息用于诊断提示。
参图2所示，本实施例还提供了一种基于CFD流场分析的可视化监控装置，包括：
信息获取模块10，用于获取风电场每台风力机的运行信息及设备信息；其中，运行信息包括风速、风向信息，设备信息包括安装位置、高度及风机型号信息；
流场信息处理模块20，用于基于所述风速信息，从可视化CFD流场数据库中获取与风速信息对应的可视化CFD流场信息，供显示装置实时可视化显示；其中，可视化CFD流场信息包括各个风力机周围及叶片处的可视化流线信息。
在本实施例中，该装置还包括结构信息处理模块，结构信息处理模块用于获取对应风速下各个风力机结构应力信息，供实时装置实时可视化显示。结构信息处理模块具体用于：计算分析对应风速下每台风力机塔架和叶片的承载信息，计算分析结构信息，包括振动模态及累积疲劳信息；其中，振动模态信息用于可视化显示叶片的受载振动幅度，累积疲劳信息用于诊断提示。
参图4所示，本实施例还提供了一种基于CFD流场分析的可视化监控系统，包括风电信息监控系统(SCADA)100及可视化信息监控平台200，风电信息监控系统100与可视化信息监控平台200连接，可视化信息监控平台200包括信息存储数据库、该可视化CFD流场数据库以及上述任一可视化监控装置。
信息存储数据库用于存储一切数据，主要包含两部分，一是信息获取模块的历史运行数据，二是提前经过CFD计算的包含风力机的各种风况下的后处理数据，包含图片和视频。
本发明的具体实现方案包括：
1、基于风电场地形等高线信息和风力机规划安装位置及风力机的型号(高度、叶片长度)构建可用于CFD计算分析的风场模型。具体包括：
1)基于风电场地形等高线和粗糙度等数据，建立风电场物理模型，具体步骤是：
a、包含风电场区域的地形轮廓线数据(一般是DXF/DWG格式，即CAD文件)，导入sketchup软件，精简数据，删除不需要的数据信息，比如建筑物、植被、文字标识等信息，然后利用其沙盒功能，将等高轮廓线数据转换成面数据；
b、输出sketchup格式文件(.skt)到rhinoceros软件，利用扫描表面为实体功能，将面网格数据转化为实体表面。输出文件为标准ACIS文件。
c、将输出的标准格式文件导入CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)前处理软件制作可用于CFD计算的网格文件。
2)根据风机规划位置或安装位置点坐标及风力机的高度信息，结合虚拟叶片模型(visual blade model)，建立包含风力机旋转叶轮的风电场模型。虚拟叶片模型用于计算叶轮旋转效应，虚拟叶片模型不需要详细划分叶片几何的网格，使用叶片截面气动力数据代替叶片力，可在保证计算精度的前提下大幅减小计算成本。
具体步骤：
a、基于步骤1)完成的标准风电场几何(物理)模型，根据每台风力机的安装点坐标(x，y)和风力机的轮毂高度信息h，确定虚拟叶片的中心点坐标(x，y，h)；根据叶片长度确定虚拟旋转叶轮的直径D；
b、根据风力机叶片长度，叶片沿展向方向划分N个截面，根据每个对应的截面翼型信息，给出-180度到180度范围内的气动力数据，用于虚拟叶片模型计算过程中叶片力的计算。
c、CFD求解器设定，将叶轮信息(旋转中心点，叶片长度，叶片数，转速，偏航角度等)和叶片信息(截面翼型，扭角，变桨)输入模型，完成模型设定
2、基于风场历史数据和已统计的运行数据，分析可检测风速范围内的整个风场的CFD流场信息，提取各个风力机周围及叶片处的流线等可视化数据(图片、动画)，构建数据库。其中可分析的风速范围考虑计算量和实际风速可受影响的程度，选取风速范围间隔为0.5m/s，例如5m/s，5.5m/s，6.5m/s……15m/s，25m/s，35m/s。
3、基于步骤2计算的各个风况下的流场信息，计算分析对应风速下每台风力机塔架和叶片的承载信息，计算分析结构信息，包括振动模态和累积疲劳信息，模态信息用于可视化显示叶片的受载振动幅度，累积疲劳用于诊断提示。
4、构建信息监控平台，包括上述基于CFD流场分析的可视化监控装置及监控界面。
参图4所示，监控界面分屏显示，左侧(1/2----2/3左右屏幕面积)实时监控统计画面；右侧(1/2----1/3左右屏幕面积)风力机CFD信息显示，点击左侧对应的单台风力机或选择几号风力机或多台风力机，右侧显示相应风力机运行风速下的结构应力、模态及叶片流场信息。右侧可上下分屏，上为结构CSD信息，包括振动模态和载荷应力信息；下为叶片周围的流线、湍流强度等信息；上下可互调。
本实施例通过提供了一种基于CFD流场分析的可视化监控方法、装置及系统，实现了风电场每台风力机的CFD流场信息及结构应力信息的可视化显示，更加直观的显示风力机设备的安全运行情况，风场的每台风机，每一个时刻的风速、风向、发电量，结合CFD分析各个风机，便于监控人员进风机故障分析，发电量不足监控分析，震动故障分析，提高了运行人员监控的工作效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于CFD流场分析的可视化监控方法，其特征在于，包括：
获取风电场每台风力机的运行信息及设备信息；其中，所述运行信息包括风速信息，所述设备信息包括安装位置、高度及风机型号信息；
基于所述风速信息，从可视化CFD流场数据库中获取与所述风速信息对应的可视化CFD流场信息，用于实时显示；其中，所述可视化CFD流场信息包括各个风力机周围及叶片处的可视化流线信息；
所述可视化监控方法还包括：
对获取的运行信息进行初步诊断，若超出预设值，报警提示；
基于风场历史数据和已统计的运行数据，分析可检测风速范围内的整个风场的CFD流场信息，提取各个风力机周围及叶片处的可视化数据，构建可视化CFD流场数据库；其中，所述可视化数据包括可视化流线数据；
获取对应风速下各个风力机结构应力信息，用于可视化实时显示，具体包括：计算分析对应风速下每台风力机塔架和叶片的承载信息，计算分析结构信息，包括振动模态及累积疲劳信息；其中，振动模态信息用于可视化显示叶片的受载振动幅度，累积疲劳信息用于诊断提示。
2.根据权利要求1所述的基于CFD流场分析的可视化监控方法，其特征在于，所述可检测风速范围基于计算量和实际风速受影响的程度，选取风速范围间隔为0.5m/s。
3.一种基于CFD流场分析的可视化监控装置，其特征在于，包括：
信息获取模块，用于获取风电场每台风力机的运行信息及设备信息；其中，所述运行信息包括风速信息，所述设备信息包括安装位置、高度及风机型号信息；
流场信息处理模块，用于基于所述风速信息，从可视化CFD流场数据库中获取与所述风速信息对应的可视化CFD流场信息，供显示装置实时可视化显示；其中，所述可视化CFD流场信息包括各个风力机周围及叶片处的可视化流线信息；
结构信息处理模块，用于获取对应风速下各个风力机结构应力信息，供实时装置实时可视化显示，具体用于：计算分析对应风速下每台风力机塔架和叶片的承载信息，计算分析结构信息，包括振动模态及累积疲劳信息；其中，振动模态信息用于可视化显示叶片的受载振动幅度，累积疲劳信息用于诊断提示。
4.一种基于CFD流场分析的可视化监控系统，其特征在于，包括风电信息监控系统及可视化信息监控平台，所述风电信息监控系统与所述可视化信息监控平台连接；所述可视化信息监控平台包括信息存储数据库、基于风场历史数据和已统计的运行数据，分析可检测风速范围内的整个风场的CFD流场信息，提取各个风力机周围及叶片处的可视化数据，构建的可视化CFD流场数据库；其中，所述可视化数据包括可视化流线数据，以及权利要求3所述的可视化监控装置。
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