CN108825447A - 一种风力机监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风电设备监测技术领域，具体公开了一种风力机监测方法，其中，所述风力机监测方法包括：采集风力机待测结构的特征数据；获取所述特征数据和风力机参考数据；根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据；显示所述疲劳数据。本发明还公开了一种风力机监测系统。本发明提供的风力机监测方法能够有效了解结构疲劳损伤，以及能够了解机组执行动作与疲劳损伤关系，实现对风力机剩余寿命的伤评估，解决了现有设备无法评估结构疲劳损伤的问题。

Description

一种风力机监测方法及系统
技术领域
本发明涉及风电设备监测技术领域，尤其涉及一种风力机监测方法及风力机监测系统。
背景技术
由于机组设计阶段采用仿真载荷评估，且实际风场载荷复杂，不同风场甚至不同机位载荷差异巨大，因此需要了解实际机组载荷。
风力机设计寿命达20年以上，需要长期持续运行，需要监控机组剩余寿命，由于疲劳失效具有特征小，裂纹扩展快，如果采用人工检测，面临工作量大、检测频率高、中断机组运行、难以到达等问题。
风力机结构如果出现失效，将会导致机组毁灭性破坏，此外对于超出设计寿命的机组需要进行延寿评估，需要了解机组剩余寿命，需要一套疲劳监测系统监测载荷计算疲劳损伤评估疲劳寿命。
现有风力机监测主要有两种数据来源形式：控制系统控制参数和状态监控系统监测。其中控制系统只记录机组电气控制振动信号，缺乏结构详细的监测数据；而现有状态监控系统采用部署传感器采集数据诊断是否发生缺陷/故障，如用于监测结构疲劳需要安装的传感器过多。
因此，如何提高工一种有效评估风力机结构疲劳损伤的监测方式成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种风力机监测方法及风力机监测系统，以解决现有技术中的问题。
作为本发明的第一个方面，提供一种风力机监测方法，其中，所述风力机监测方法包括：
采集风力机待测结构的特征数据；
获取所述特征数据和风力机参考数据；
根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据；
显示所述疲劳数据。
优选地，所述特征数据包括应变、加速度和光纤光栅中的任意一种。
优选地，所述风力机参考数据包括待测结构质量、待测结构分布、待测结构材料和待测结构转动惯量。
优选地，所述风力机监测方法包括在所述根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据步骤前进行的：
确定风力机待测结构的考察点位置。
优选地，所述确定风力机待测结构的考察点位置包括：
获取风力机待测结构的结构信息；
通过所述风力机待测结构的结构信息建立分析模型；
在所述分析模型中加载疲劳载荷进行整体疲劳分析；
根据所述整体疲劳分析找出结构疲劳危险点作为考察点位置。
优选地，所述根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据包括：
将所述特征数据通过信号-载荷关系转换得到载荷时序；
根据所述载荷时序计算所述考察点位置的应力/应变时序；
根据所述应力/应变时序计算得到应力/应变谱；
将所述应力/应变谱代入疲劳寿命曲线得到考察点位置处的损伤值；
计算所述考察点位置处的累积损伤；
根据所述累积损伤、一年标定损伤和考察点与危险点寿命转换关系计算得到风力机待测结构的剩余寿命。
作为本发明的第二个方面，提供一种风力机监测系统，其中，所述风力机监测系统包括：
传感器，所述传感器用于采集风力机待测结构的特征数据；
数据采集装置，所述数据采集装置用于获取所述特征数据和风力机参考数据；
计算与处理装置，所述计算与处理装置用于根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据；
显示装置，所述显示装置用于显示所述疲劳数据。
优选地，所述传感器包括应变片、加速度传感器和光纤光栅传感器中的任意一种。
优选地，所述数据采集装置包括轮毂采集单元、机舱采集单元和塔底采集单元，所述轮毂采集单元通过滑环连接所述机舱采集单元，所述轮毂采集单元通过无线通信连接所述塔底采集单元，所述机舱采集单元通过光纤连接所述塔底采集单元，所述塔底采集单元与所述计算与处理装置通过通信连接，所述轮毂采集单元用于采集风力机待测结构的叶片和转子轴处的传感器信号，所述机舱采集单元用于采集风力机待测结构的定子轴和底架处的传感器信号，所述塔底采集单元用于采集风力机待测结构的塔架和桩体处的传感器信号。
优选地，所述计算与处理装置包括：数据库、结构力学模型和数据分析模块，所述数据库用于存储所述特征数据、风力机参考数据和疲劳数据，所述结构力学模型提供载荷-应力/应变算法和疲劳分析数据，所述数据分析模块用于计算得到风力机待测结构的疲劳数据。
本发明提供的风力机监测方法，通过对风力机待测结构进行数据采集，然后通过对数据进行计算得到风力机待测结构的疲劳数据，最终将该疲劳数据进行显示，能够有效了解结构疲劳损伤，以及能够了解机组执行动作与疲劳损伤关系，实现对风力机剩余寿命的伤评估，解决了现有设备无法评估结构疲劳损伤的问题。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的风力机监测方法的流程图。
图2为本发明提供的风力机监测系统的结构示意图。
图3为本发明提供的传感器与数据采集系统的布置示意图。
图4为本发明提供的机组运行状态图示意图。
图5为本发明提供的疲劳损伤考察点评估流程。
图6为本发明提供的疲劳监测中疲劳损伤计算和剩余寿命评估流程图。
图7为风力机结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
作为本发明的第一个方面，提供一种风力机监测方法，其中，如图1所示，所述风力机监测方法包括：
S110、采集风力机待测结构的特征数据；
S120、获取所述特征数据和风力机参考数据；
S130、根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据；
S140、显示所述疲劳数据。
本发明提供的风力机监测方法，通过对风力机待测结构进行数据采集，然后通过对数据进行计算得到风力机待测结构的疲劳数据，最终将该疲劳数据进行显示，能够有效了解结构疲劳损伤，以及能够了解机组执行动作与疲劳损伤关系，实现对风力机剩余寿命的伤评估，解决了现有设备无法评估结构疲劳损伤的问题。
具体地，所述特征数据包括应变、加速度和光纤光栅中的任意一种。
具体地，所述风力机参考数据包括待测结构质量、待测结构分布、待测结构材料和待测结构转动惯量。
具体地，为了获得所述疲劳数据，所述风力机监测方法包括在所述根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据步骤前进行的：
确定风力机待测结构的考察点位置。
进一步具体地，所述确定风力机待测结构的考察点位置包括：
获取风力机待测结构的结构信息；
通过所述风力机待测结构的结构信息建立分析模型；
在所述分析模型中加载疲劳载荷进行整体疲劳分析；
根据所述整体疲劳分析找出结构疲劳危险点作为考察点位置。
具体地，所述根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据包括：
将所述特征数据通过信号-载荷关系转换得到载荷时序；
根据所述载荷时序计算所述考察点位置的应力/应变时序；
根据所述应力/应变时序计算得到应力/应变谱；
将所述应力/应变谱代入疲劳寿命曲线得到考察点位置处的损伤值；
计算所述考察点位置处的累积损伤；
具体地，根据所述累积损伤、一年标定损伤和考察点与危险点寿命转换关系计算得到风力机待测结构的剩余寿命。
作为本发明的第二个方面，提供一种风力机监测系统，其中，如图2所示，所述风力机监测系统100包括：
传感器120，所述传感器120用于采集风力机待测结构的特征数据；
数据采集装置130，所述数据采集装置130用于获取所述特征数据和风力机参考数据；
计算与处理装置140，所述计算与处理装置140用于根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据；
显示装置150，所述显示装置150用于显示所述疲劳数据。
本发明提供的风力机监测系统，通过对风力机待测结构进行数据采集，然后通过对数据进行计算得到风力机待测结构的疲劳数据，最终将该疲劳数据进行显示，能够有效了解结构疲劳损伤，以及能够了解机组执行动作与疲劳损伤关系，实现对风力机剩余寿命的伤评估，解决了现有设备无法评估结构疲劳损伤的问题。
需要说明的是，如图7所示，所述风力机待测结构包括叶片、塔架、桩、底座等需要监测的结构。
具体地，所述传感器120包括应变片、加速度传感器和光纤光栅传感器中的任意一种。
应当理解的是，所述传感器120包括应变片、加速度传感器、光纤光栅等传感器，根据构件特点选择合适的传感器类型。叶片采用光纤光栅测量展向应变，每个测量截面正交布置，叶根处为避免受叶根连接影响，测点距离叶根端面1米以上。塔架和桩体可采用应变片或加速度传感器，采用正交布置。
具体地，如图3所示，所述数据采集装置130包括轮毂采集单元、机舱采集单元和塔底采集单元，所述轮毂采集单元通过滑环连接所述机舱采集单元，所述轮毂采集单元通过无线通信连接所述塔底采集单元，所述机舱采集单元通过光纤连接所述塔底采集单元，所述塔底采集单元与所述计算与处理装置通过通信连接，所述轮毂采集单元用于采集风力机待测结构的叶片和转子轴处的传感器信号，所述机舱采集单元用于采集风力机待测结构的定子轴和底架处的传感器信号，所述塔底采集单元用于采集风力机待测结构的塔架和桩体处的传感器信号。
需要说明的是，所述数据采集装置130根据传感器120布局分成多个采集单元，每个采集单元包含采集卡、控制器、通讯端、稳压电源、电池等部件，采集单元之间通过有线或无线连接。所述数据采集装置130通过信号线同步采集传感器120数据和机组控制系统111的信号。所述机组控制信号包括机组状态信号、并网信号、故障信号、刹车信号、桨距角、风速、风向、叶轮转速等。所述数据采集装置130通过风场通讯将采集数据上传到计算与处理装置140。所述风场通讯包括无线通讯、光纤环网等通讯形式；所述数据采集装置130在机组特定运行状态下实现采集信号自动标定。
具体地，轮毂采集单元用于采集叶片和转子轴(用于直驱机组)处传感器信号，机舱采集单元用于采集定子轴(用于直驱机组)和底架处传感器信号，塔底采集单元用于采集塔架、桩体传感器信号和控制器控制信号。轮毂采集单元通过滑环连接机舱采集单元或通过无线连接塔底采集单元，机舱采集单元通过光纤连接塔底采集单元，塔底采集单元通过风场通讯网络连接服务器。
应当理解的是，所述数据采集装置130包含持续采集、事件触发保存和自动校准功能。所述持续采集为持续采集传感器信号并传输服务器用于分析，所述事件触发保存为根据设置的警报警告和控制信号变化保存制定范围监测数据，所述自动校准功能为系统应变测量标定时，在低风速状态下，风轮缓慢旋转，根据机组质量分布，计算各测点对应的理论载荷，将理论载荷与标定工况下测量结果对比，获取修正系数。
具体地，所述计算与处理装置140包括：数据库、结构力学模型和数据分析模块，所述数据库用于存储所述特征数据、风力机参考数据和疲劳数据，所述结构力学模型提供载荷-应力/应变算法和疲劳分析数据，所述数据分析模块用于计算得到风力机待测结构的疲劳数据。
应当理解的是，所述计算与处理装置140可以包括硬件、数据库、结构力学模型和数据分析模块。硬件用于存储数据和支持计算，数据库用于存储测试数据和分析结果，结构模型提供载荷-应力/应变算法和疲劳分析数据，
优选地，所述结构力学模型包含结构参数、结构考察点位置、传感器信号-载荷-应力/应变转换参数、疲劳损伤计算参数。
优选地，所述结构参数包括结构件质量及其分布、材料、转动惯量等。
具体地，所述结构考察点位置通过图5流程进行确定。首先需要获取所检测部件的结构信息，包括零件图、装配图、材料性能等，通过上述结构信息建立分析模型，加载疲劳载荷进行整体疲劳分析，其中疲劳载荷可以是设计载荷也可以来自于载荷测试，分析疲劳分析结果，找出结构疲劳危险点，作为测量考察点，如果由于结构疲劳危险点所在位置可能不便于安装传感器的，需要根据实际结构确定其它位置为测量考察点，上述测量考察点所在位置为传感器布置位置，根据考察点和危险点寿命，计算考察点-危险点寿命转换关系。
进一步地，所述传感器信号-载荷-应力应变转换参数，分为两部分信号-载荷关系及载荷-应变关系。以叶片截面为例，应变测量点正交分布，在该测量坐标系下，某一通道对应的截面弯矩与该通道应变关系如下：
Mi＝aiεi+bi，
其中Mi为i通道对应弯矩，εi为i通道对应应变，ai为i通道对应比例系数，bi为i通道对应偏移系数，i通道对应比例系数和i通道对应偏移系数通过上述数据采集装置130中的自动校准功能计算。
如采用加速度信号，则建立动力学分析模型，获得加速度-载荷协调方程参数。
根据疲劳分析数据选择应变或应力作为计算参数，如采用应变疲劳则直接使用修正后参数，如果采用应力疲劳，载荷-应力关系根据测点所在截面参数计算的抗弯截面计算得出测点处应力。
上述疲劳损伤计算参数为材料疲劳寿命曲线。
具体地，所述数据分析模块的分析流程如图6所示。将采集得到的传感器信号通过上述结构力学模型中的信号-载荷关系得到监测的载荷时序，再根据结构力学模型计算考察点处应力/应变时序，采用雨流计数计算得到应力/应变谱，将应力/应变谱带入材料疲劳寿命曲线得到考察点处损伤，根据Miner准则采用线性累积损伤获得考察点累积损伤，根据累积损伤、一年标定损伤和考察点与危险点寿命转换关系得出结构剩余寿命如下：
其中T为剩余寿命(单位年)，k为考察点与危险点寿命转换关系，Dt为当前累积损伤，Dc为一年标定损伤，所述一年标定损伤为根据前期损伤数据折算出一年内疲劳累积损伤。
作为所述显示装置150的具体实施方式，所述显示装置150形式可为网页、应用程序(App)、公众号等交互形式，用于远程查看结构疲劳寿命和机组运行状态图。显示终端向服务器给出指令，由服务器传输所需数据到显示终端用于查看疲劳数据，显示各点损伤、载荷、结构件剩余寿命和机组运行状态图。
具体地，所述机组运行状态图如图4所示，选择事件或指定时刻载荷时同步显示该载荷时序期间控制参数变化和控制指令，用于评估机组执行动作对载荷影响，对比不同控制参数对实际机组载荷影响，实现降载增功。
本发明提供的风力机监测系统通过前期对机组结构进行力学分析，得到结构力学模型并评估测点位置，通过在测点布置传感器，采用数据采集系统采集传感器信号和机组控制系统控制信号，服务器用于存储数据和分析数据，显示终端用于查看监测机组状态，解决了无法了解结构疲劳损伤的问题，及无法了解机组执行动作与疲劳损伤关系的问题。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力机监测方法，其特征在于，所述风力机监测方法包括：
采集风力机待测结构的特征数据；
获取所述特征数据和风力机参考数据；
根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据；
显示所述疲劳数据。
2.根据权利要求1所述的风力机监测方法，其特征在于，所述特征数据包括应变、加速度和光纤光栅中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的风力机监测方法，其特征在于，所述风力机参考数据包括待测结构质量、待测结构分布、待测结构材料和待测结构转动惯量。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的风力机监测方法，其特征在于，所述风力机监测方法包括在所述根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据步骤前进行的：
确定风力机待测结构的考察点位置。
5.根据权利要求4所述的风力机监测方法，其特征在于，所述确定风力机待测结构的考察点位置包括：
获取风力机待测结构的结构信息；
通过所述风力机待测结构的结构信息建立分析模型；
在所述分析模型中加载疲劳载荷进行整体疲劳分析；
根据所述整体疲劳分析找出结构疲劳危险点作为考察点位置。
6.根据权利要求4所述的风力机监测方法，其特征在于，所述根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据包括：
将所述特征数据通过信号-载荷关系转换得到载荷时序；
根据所述载荷时序计算所述考察点位置的应力/应变时序；
根据所述应力/应变时序计算得到应力/应变谱；
将所述应力/应变谱代入疲劳寿命曲线得到考察点位置处的损伤值；
计算所述考察点位置处的累积损伤；
根据所述累积损伤、一年标定损伤和考察点与危险点寿命转换关系计算得到风力机待测结构的剩余寿命。
7.一种风力机监测系统，其特征在于，所述风力机监测系统包括：
传感器，所述传感器用于采集风力机待测结构的特征数据；
数据采集装置，所述数据采集装置用于获取所述特征数据和风力机参考数据；
计算与处理装置，所述计算与处理装置用于根据所述特征数据和所述风力机参考数据计算风力机待测结构的疲劳数据；
显示装置，所述显示装置用于显示所述疲劳数据。
8.根据权利要求7所述的风力机监测系统，其特征在于，所述传感器包括应变片、加速度传感器和光纤光栅传感器中的任意一种。
9.根据权利要求7所述的风力机监测系统，其特征在于，所述数据采集装置包括轮毂采集单元、机舱采集单元和塔底采集单元，所述轮毂采集单元通过滑环连接所述机舱采集单元，所述轮毂采集单元通过无线通信连接所述塔底采集单元，所述机舱采集单元通过光纤连接所述塔底采集单元，所述塔底采集单元与所述计算与处理装置通过通信连接，所述轮毂采集单元用于采集风力机待测结构的叶片和转子轴处的传感器信号，所述机舱采集单元用于采集风力机待测结构的定子轴和底架处的传感器信号，所述塔底采集单元用于采集风力机待测结构的塔架和桩体处的传感器信号。
10.根据权利要求7所述的风力机监测系统，其特征在于，所述计算与处理装置包括：数据库、结构力学模型和数据分析模块，所述数据库用于存储所述特征数据、风力机参考数据和疲劳数据，所述结构力学模型提供载荷-应力/应变算法和疲劳分析数据，所述数据分析模块用于计算得到风力机待测结构的疲劳数据。
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Assignee: LIANYUNGANG ZHONGFU LIANZHONG COMPOSITES GROUP Co.,Ltd.

Assignor: WUXI WIND POWER INSTITUTE Co.,Ltd.

Contract record no.: X2022320000096

Denomination of invention: A wind turbine monitoring method and system

Granted publication date: 20200825

License type: Common License

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