CN107829884B - 一种风力发电机塔筒健康状态监测方法和专用检测系统 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机塔筒健康状态监测方法，步骤为：1）双轴加速度传感器采集塔筒的振动数据；2）双轴倾角传感器采集塔基的倾角数据；3）采集单元提取塔筒的加速度与塔基的倾角数据；4）采集单元接入环网交换机，采集到的振动、倾角数据及SCADA工况参数传入在线监测服务器；5）在线监测服务器获取塔筒的健康状态和非健康状态，塔筒异常时自动报警；6）异常数据由外网服务器传到远程诊断中心分析，并提交诊断报告；专用系统包括双轴加速度传感器、塔基平面上的倾角传感器、采集单元，采集单元通过环网交换机与在线监测服务器相连；远程在线监测风力发电机塔筒的结构损伤、非均匀沉降与基础松动的情况，实时高效地评估塔筒的健康状态。

Description

一种风力发电机塔筒健康状态监测方法和专用检测系统

技术领域

本发明属于风力发电机塔筒状态监测技术领域，具体涉及一种风力发电机塔筒健康状态监测方法和专用检测系统。

背景技术

我国风电产业已经进入高速发展阶段，随着装机容量的快速扩容以及已装机机组运行年龄的增加，风电产业中存在的一些问题逐渐显露。风电机组大多安装在风能丰富的地区，而这些地区气候条件恶劣，塔筒在受气象及地质因素影响的同时，本身还承受自身的重力、风的推力、叶轮的扭力等复杂多变的负荷。塔体作为一个弹性体会产生一定幅度的摇摆和扭曲等弹性变形。过大的摆动将导致塔体结构加速疲劳，或使塔架基础发生倾斜，产生安全隐患。塔筒的损伤或过大的载荷会降低塔筒的固有频率使其接近风力发电机转频，使得风力发电机振动加剧，从而影响风风力发电机组性能，严重者将导致塔筒倾覆，造成巨大经济损失。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种风力发电机塔筒健康状态监测方法和专用检测系统，可远程在线监测风力发电机塔筒的结构损伤、非均匀沉降与基础松动的情况，实时高效地评估塔筒的健康状态。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风力发电机塔筒健康状态监测方法，包括以下步骤：

1）利用双轴加速度传感器采集塔筒的振动数据；

2）利用双轴倾角传感器采集塔基的倾角数据；

3）采集单元提取塔筒的加速度与塔基的倾角数据；

4）采集单元通过网线接入环网交换机，将采集到的振动、倾角数据及风机运行过程中的SCADA工况参数传入风场中控室安装的塔筒在线监测服务器；

5）塔筒在线监测服务器结合工况参数对振动、倾角数据进行分析，获取塔筒的健康状态和非健康状态，塔筒异常时自动报警；

6）异常数据经过单向隔离设备将数据传送到外网服务器，再由外网服务器传送到远程诊断中心，远程诊断中心对异常数据进行分析，提交诊断报告。

所述的SCADA工况参数包括：风速、桨距角、功率、环境温度、偏航角。

所述的塔筒在线监测服务器对采集到的振动+倾角数据进行分析，对振动数据进行运行模态分析，获取塔筒的固有频率及其相应振型等模态参数；通过倾角数据分析塔筒的非均匀沉降状态。

所述的步骤5），在线监测服务器根据获取的SCADA工况参数建立N维（N=工况参数数量）工况矩阵，矩阵中每一个向量代表一个工况点，并对应一组塔筒的固有频率与振型；以固有频率为例，设置所述塔筒的标准固有频率参数，使每一个工况点指向其对应的塔筒固有频率与标准固有频率的差值；同理，每一个工况点也指向其对应的塔筒模态振型与标准振型的差值；在两个相邻工况点之间通过插值来提高分辨率。

所述的步骤5），在线监测服务器将新采集的塔筒固有频率减去对应工况点指向的减值，实现对新采集塔筒固有频率的修正；

通过修正后塔筒固有频率的变化判断塔筒是否发生损伤、通过修正后塔筒固有频率对应振型的变化获取损伤发生的大致位置；

绘出修正后塔筒各阶固有频率随时间变化的曲线，塔筒正常时塔筒各阶固有频率随时间变化的曲线应该为水平线，如果新采集的塔筒固有频率偏离水平位置超过一定阈值，则认为该塔筒发生结构损伤；

当塔筒固有频率偏离水平位置时，对比塔筒修正后塔筒模态振型与标准振型，差异最大的位置即为损伤可能发生的区域。

所述的塔筒的倾角通过以下方式获得：

计算公式为：，塔筒的最大沉降量为。其中为塔筒的倾斜角；分别为双轴倾角传感器采集到的倾斜角；H为塔筒的最大沉降量；R为塔基半径。

所述的塔筒的非健康状态包括结构损伤、基础松动、基础非均匀沉降及与叶轮转频共振。

用于一种风力发电机塔筒健康状态监测方法的检测系统，塔筒内表面上粘贴有3-8个双轴加速度传感器；每个双轴加速度传感器的高度根据塔筒的前四阶弯曲振型确定，且每个双轴加速度传感器安装在塔筒横截面的同一位置，采集垂直于双轴加速度传感器粘贴平面方向与塔筒横截面圆环切向方向的加速度信号；塔筒的塔基平面上设有双轴倾角传感器，塔基或者机舱内设有采集单元；双轴加速度传感器、双轴倾角传感器与采集单元连接，采集单元通过环网交换机与在线监测服务器相连；在线监测服务器经过单向隔离器与外网服务器相连。

本发明的有益效果是：

利用本发明的方法和系统能够远程实时监测塔筒的结构损伤、基础松动、基础非均匀沉降与过载等，评估其结构健康状态，能有效解决风场机械工程师短缺等问题。远程在线监测是风场管理模式的发展趋势，本发明即公开一种风力发电机塔筒的健康状态监测方法和专用系统。

一种风力发电机塔筒健康状态监测方法根据SCADA工况参数对塔筒的固有频率及相应振型进行修正，能够有效地剔除工况对固有频率及相应振型的影响；

一种风力发电机塔筒健康状态监测方法的监测系统，其传感器的粘贴高度根据塔筒前四阶弯曲振型来确定，能够使用有限的传感器数量获取最清晰的模态振型；

一种风力发电机塔筒健康状态监测方法的监测系统，通过单向隔离器将塔筒报警数据发送到远程诊断中心，既保证了风场的网络安全，又能降低对风场运维人员在塔筒故障诊断方面的技术要求。

附图说明

图1为本发明塔筒健康状态监测系统流程图。

图2为本发明塔筒传感器安装位置。

图3为本发明塔筒双轴加速度传感器测量方向。

图4为本发明塔筒前4阶模态振型图。

图5为本发明固有频率识别损伤示图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1，一种风力发电机塔筒健康状态监测方法，包括以下步骤：

1）利用双轴加速度传感器采集塔筒的振动数据；

2）利用双轴倾角传感器采集塔基的倾角数据；

3）采集单元提取塔筒的加速度与塔基的倾角数据；

4）采集单元通过网线接入环网交换机，将采集到的振动、倾角数据及风机运行过程中的SCADA工况参数传入风场中控室安装的塔筒在线监测服务器；

5）塔筒在线监测服务器结合工况参数对振动、倾角数据进行分析，获取塔筒的健康状态和非健康状态，塔筒异常时自动报警；

6）异常数据经过单向隔离设备将数据传送到外网服务器，再由外网服务器传送到远程诊断中心，远程诊断中心对异常数据进行分析，提交诊断报告。

所述的SCADA工况参数包括：风速、桨距角、功率、环境温度、偏航角。

所述的塔筒在线监测服务器对采集到的振动+倾角数据进行分析，对振动数据进行运行模态分析，获取塔筒的固有频率及其相应振型等模态参数；通过倾角数据分析塔筒的非均匀沉降状态。

所述的步骤5），在线监测服务器根据获取的SCADA工况参数建立N维（N=工况参数数量）工况矩阵，矩阵中每一个向量代表一个工况点，并对应一组塔筒的固有频率与振型；以固有频率为例，设置所述塔筒的标准固有频率参数，使每一个工况点指向其对应的塔筒固有频率与标准固有频率的差值；同理，每一个工况点也指向其对应的塔筒模态振型与标准振型的差值；在两个相邻工况点之间通过插值来提高分辨率。

所述的步骤5），在线监测服务器将新采集的塔筒固有频率减去对应工况点指向的减值，实现对新采集塔筒固有频率的修正；

通过修正后塔筒固有频率的变化判断塔筒是否发生损伤、通过修正后塔筒固有频率对应振型的变化获取损伤发生的大致位置；

绘出修正后塔筒各阶固有频率随时间变化的曲线，塔筒正常时塔筒各阶固有频率随时间变化的曲线应该为水平线，如果新采集的塔筒固有频率偏离水平位置超过一定阈值，则认为该塔筒发生结构损伤；

当塔筒固有频率偏离水平位置时，对比塔筒修正后塔筒模态振型与标准振型，差异最大的位置即为损伤可能发生的区域。

所述的塔筒的倾角通过以下方式获得：

计算公式为：，塔筒的最大沉降量为。其中为塔筒的倾斜角；分别为双轴倾角传感器采集到的倾斜角；H为塔筒的最大沉降量；R为塔基半径。

本发明以山东某风场一机组的塔筒测量倾角为例，进行塔筒倾角计算。实际测得平均值分别为0.09°、0.05°，计算得。

所述的塔筒的非健康状态包括结构损伤、基础松动、基础非均匀沉降及与叶轮转频共振。

用于一种风力发电机塔筒健康状态监测方法的检测系统，包括有塔筒，塔筒3内表面上粘贴有3-8个双轴加速度传感器1；每个双轴加速度传感器1的高度根据塔筒的前四阶弯曲振型确定，且每个双轴加速度传感器安装在塔筒横截面的同一位置，采集垂直于双轴加速度传感器粘贴平面方向与塔筒横截面圆环切向方向的加速度信号；塔筒的塔基平面上设有双轴倾角传感器2，塔基或者机舱内设有采集单元；双轴加速度传感器、双轴倾角传感器与采集单元连接，采集单元通过环网交换机与在线监测服务器相连；在线监测服务器经过单向隔离器与外网服务器相连。

参见图2，图2所示4个双轴加速度传感器均粘贴于塔筒内表面，每个传感的高度根据塔筒的前四阶弯曲振型确定，且每个双轴加速度传感器安装在塔筒横截面的同一位置，参见图3，图3所示采集垂直于传感器粘贴平面方向与塔筒横截面圆环切向方向的加速度信号。所述的双轴倾角传感器安装在塔基平面上。

所述的采集单元可安装在塔基或者机舱，且有两种安装方式，一种为采用强力磁铁将采集单元吸附在塔基的塔筒内壁；另一种安装方式为固定安装，使用墙壁挂件配合M8螺栓紧固在塔基或机舱的安装平面上，具体安装位置需要根据厂家预留安装基础确定。

将新采集的塔筒0~50Hz固有频率减去对应工况点指向的减值，实现对新采集塔筒固有频率的修正。

以上有限的实施例用于更详细的说明本发明涵盖内容，其目的是让本领域技术人员能够快速了解本发明。对本实施例内容的部分或者全部技术特征进行替换或修改，但其本质不变的仍在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种风力发电机塔筒健康状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）利用塔筒内表面上粘贴的3-8个双轴加速度传感器采集塔筒的振动数据，每个所述双轴加速度传感器安装在塔筒横截面的同一位置，采集垂直于所述双轴加速度传感器粘贴平面方向与塔筒横截面圆环切向方向的加速度信号；

2）利用双轴倾角传感器采集塔基的倾角数据；

3）采集单元提取塔筒的加速度与塔基的倾角数据；

4）采集单元通过网线接入环网交换机，将采集到的所述振动数据、所述倾角数据及风机运行过程中的SCADA工况参数传入风场中控室安装的塔筒在线监测服务器；

5）塔筒在线监测服务器结合所述工况参数对所述振动数据、所述倾角数据进行分析，获取所述塔筒的健康状态和非健康状态，所述塔筒异常时自动报警；

6）异常数据经过单向隔离设备将所述异常数据传送到外网服务器，再由所述外网服务器传送到远程诊断中心，所述远程诊断中心对异常数据进行分析，提交诊断报告；

所述的步骤5），在线监测服务器根据获取的SCADA工况参数建立N维工况矩阵，N=工况参数数量，矩阵中每一个向量代表一个工况点，并对应一组塔筒的固有频率与振型；以固有频率为例，设置所述塔筒的标准固有频率参数，使每一个工况点指向其对应的塔筒固有频率与标准固有频率的差值；同理，每一个工况点也指向其对应的塔筒模态振型与标准振型的差值；在两个相邻工况点之间通过插值来提高分辨率；

在线监测服务器将新采集的塔筒固有频率减去对应工况点指向的减值，实现对新采集塔筒固有频率的修正。

2.根据权利要求1所述一种风力发电机塔筒健康状态监测方法，其特征在于，所述塔筒在线监测服务器对采集到的所述振动数据和所述倾角数据进行分析，对所述振动数据进行运行模态分析，获取所述塔筒的固有频率及其相应振型的模态参数；通过所述倾角数据分析塔筒的非均匀沉降状态。

3.根据权利要求2所述的一种风力发电机塔筒健康状态监测方法，其特征在于，

通过修正后塔筒固有频率的变化判断塔筒是否发生损伤、通过修正后塔筒固有频率对应振型的变化获取损伤发生的大致位置；

绘出修正后塔筒各阶固有频率随时间变化的曲线，塔筒正常时塔筒各阶固有频率随时间变化的曲线应该为水平线，如果新采集的塔筒固有频率偏离水平位置超过一定阈值，则认为该塔筒发生结构损伤；

当塔筒固有频率偏离水平位置时，对比塔筒修正后塔筒模态振型与标准振型，差异最大的位置即为损伤可能发生的区域。

4.根据权利要求1所述一种风力发电机塔筒健康状态监测方法，其特征在于，所述的塔筒的倾角通过以下方式获得：

计算公式为：，塔筒的最大沉降量为，其中为塔筒的倾斜角；、分别为双轴倾角传感器采集到的倾斜角；H为塔筒的最大沉降量；R为塔基半径。

5.用于权利要求1所述一种风力发电机塔筒健康状态监测方法的检测系统，其特征在于，塔筒内表面上粘贴有3-8个双轴加速度传感器；每个双轴加速度传感器的高度根据塔筒的前四阶弯曲振型确定，且每个双轴加速度传感器安装在塔筒横截面的同一位置，采集垂直于双轴加速度传感器粘贴平面方向与塔筒横截面圆环切向方向的加速度信号；塔筒的塔基平面上设有双轴倾角传感器，塔基或者机舱内设有采集单元；双轴加速度传感器、双轴倾角传感器与采集单元连接，采集单元通过环网交换机与在线监测服务器相连；在线监测服务器经过单向隔离器与外网服务器相连，在线监测服务器根据获取的SCADA工况参数建立N维工况矩阵，N=工况参数数量，矩阵中每一个向量代表一个工况点，并对应一组塔筒的固有频率与振型；以固有频率为例，设置所述塔筒的标准固有频率参数，使每一个工况点指向其对应的塔筒固有频率与标准固有频率的差值；同理，每一个工况点也指向其对应的塔筒模态振型与标准振型的差值；在两个相邻工况点之间通过插值来提高分辨率；

在线监测服务器将新采集的塔筒固有频率减去对应工况点指向的减值，实现对新采集塔筒固有频率的修正。