CN110159494A - 一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块 - Google Patents

Abstract

一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，包含传感器信号采集单元、状态识别单元、陀螺仪加速度计处理单元、超速保护单元、无线通讯单元及工作状态指示单元。传感器信号采集单元将3路冗余转速传感器数据进行跟踪和记录；状态识别单元分析信号采集单元记录的数据识别当前风机的转动模式并计算出3组冗余转速值；陀螺仪加速度计处理单元采集陀螺仪和加速计的数据并根据风机转动方向的角速度数据计算转速值；超速保护单元根据以上计算的4组转速值判断是否超速并做出保护动作断开安全链；无线通信单元将测量数据和计算结果实时传输给上位机进行调试和监控。本发明成本低且能够长期稳定的运行，转速计算准确，保护动作迅速。

Description

一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块

技术领域

本发明属于风电变桨技术领域，主要涉及风机变桨系统的风机转速测量和超速保护。

背景技术

变桨系统对于风电机组安全停机至关重要，目前风电机组停机方式主要有，正常停机、快速停机和紧急停机，其中紧急停机是触发安全链停机，根据机组设计载荷三种停机速度不同。正常停机和快速停机模式下，变桨系统均是接受风机主控指令完成顺桨，紧急停机分为两种情况一是变桨系统报故障主动断开安全链按照预期速度执行顺桨，二是风机其他系统安全链断开，导致变桨安全链断开执行顺桨。

变桨系统作为独立的风电机组的子系统，其自身具有缜密的逻辑判断和故障诊断功能，与风机主控的关联主要包括通讯、供电、安全链回路。变桨系统自身不具备监测叶轮转速功能，目前通常的做法是通过通讯将叶轮转速下发或者将接近开关的脉冲信号传给超速继电器，这样可以根据叶轮反馈信号进行相关逻辑判断。早期的风电机组设计时不具备变桨处理叶轮转速过快功能，本方案基于此，自主开发叶轮超速模块，根据叶轮转速触发变桨EFC信号，能够在转速过快的情况下立即断开安全链，顺桨停机保护机组。

发明内容

本发明提供一种针对早期风电机组的独立保护设备，能够根据3路冗余转速传感器探头和陀螺仪、加速度计两种方式精确测量风机转速，并在转速超速时断开安全链做出保护动作。

本发明具体采用以下技术方案：

一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，所述模块实时分析风机的转动状态，精确测量风机转速并进行超速保护，包括传感器信号采集单元、状态识别单元、陀螺仪加速度计处理单元、超速保护单元、无线通信单元及工作状态指示单元。

所述传感器信号采集单元接收装在风机轮毂上的3个转速传感器的信号，撞铁安装在机舱大齿轮外罩上随着叶轮旋转，经过传感器时产生脉冲信号。采集单元捕捉经过光电隔离后的转速传感器信号，记录脉冲信号的触发时间和顺序，并根据实际工况进行滤波处理。

所述状态识别单元根据3组传感器信号的触发时间和顺序，分析当前风机的转动状态，并计算出3组冗余的转速值V1、V2、V3，任意一个传感器故障不会影响测量结果，传感器2个或3个故障、风机转动状态异常等情况下不会产生异常转速值。

所述陀螺仪加速度计处理单元通过高速串行总线协议实时读取陀螺仪和加速度计芯片的数据，根据对应风机转动方向的角速度数据可以计算出当前风机的转速值V4；此外还可以读取x轴、y轴、z轴三个方向的加速度数据计算当前风机的振动状态。

所述超速保护单元根据上面计算出的4组转速值V1、V2、V3、V4和设定的报警速度阈值，判断当前风机转速是否超速，如超速则做出保护动作，断开变桨系统的安全链，使风机停机顺桨。

所述无线通讯单元通过高频段的无线通讯芯片和上位机进行实时通讯，将当前实时计算出的4组转速值V1、V2、V3、V4上传给上位机进行监控和测试，如果发生停机顺桨，可以读取之前超速时的转速值，起到数据黑匣子的作用。

所述工作状态指示单元通过指示灯显示模块的工作状态和故障状态，包括工作电源状态、CPU工作状态、开关量输入状态、开关量输出状态，以及传感器故障状态等。

本发明的有益效果：

通过3路冗余转速传感器和陀螺仪加速度计这两种方式精确计算风机转速，在风速过高时能够及时做出保护动作，断开风机安全链，对风电变桨系统起到冗余保护的作用。测速保护模块采用工业级芯片，可以胜任各种复杂恶劣的现场条件，可以长期稳定准确可靠的运行，并在现场项目中得到了验证。

附图说明

图1为用于风电风机转速测量和保护的独立模块的系统组成框图；

图2为3个转速传感器探头和撞铁的安装示意图；

图3为测速保护模块的工作原理图；

图4为超速保护结点接入变桨系统安全链的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方案作进一步地详细描述。

如图1所示为本发明公开的用于风电风机转速测量和保护的独立模块的系统组成图，包含传感器信号采集单元、状态识别单元、陀螺仪加速度计处理单元、超速保护单元、无线通信单元及工作状态指示单元。传感器信号采集单元将3路冗余转速传感器数据进行跟踪和记录；状态识别单元分析信号采集单元记录的数据识别当前风机的转动模式并计算出3组冗余转速值；陀螺仪加速度计处理单元采集陀螺仪和加速计的数据并根据对应转动方向的角速度数据计算1组转速值；超速保护单元根据以上计算的4组转速值判断是否超速，并做出保护动作，断开安全链；无线通信单元将测量数据和计算结果实时传输给上位机进行调试和监控。工作状态指示单元通过状态指示灯显示模块的工作状态、故障状态等信息。该模块的电源和通讯全部都进行了隔离，硬件和软件都具有多重抗干扰和容错纠错的能力，芯片和阻容器件都采用工业级器件，可确保系统长期运行的稳定可靠。

传感器信号采集单元记录每个转速传感器信号产生中断的顺序和时间。如图2所示为超速保护模块的3路冗余转速传感器和撞铁安装的示意图，3个转速传感器探头安装在风机轮毂上，采用支架式安装方式，3个探头之间的距离必须超过5厘米，从而保障信号可以依次触发。撞铁安装在机舱大齿轮外罩上随着叶轮旋转，每次经过传感器探头时会产生一定宽度的脉冲信号，传感器信号采集单元捕捉每个脉冲信号的上升沿，记录来自于哪个转速传感器探头、顺序和触发时间。图中①为机舱罩，②为转速传感器，③和④为传感器的安装板，⑤为撞铁，⑥为撞铁的固定支架，⑦为打孔定位板。叶轮转速检测及顺桨指令下发不经过滑环、中空轴传输线，这样可以减少顺桨指令下发到变桨的中间环节，避免由于信号传输问题导致的顺桨指令无法执行。

状态识别单元采用Cortex-M3内核的32位ARM微控制器STM32F103，根据信号采集单元记录的数据，分析风机当前的工作模式。三个冗余的转速传感器探头A、B、C，每2个一组进行状态分析，工作模式有以下几种：2个探头正常条件下的正转、反转，2个探头正常条件下的摆动，1个探头正常条件下的高速转动，2个探头同时触发撞铁的故障状态。以上几种工作状态的具体逻辑如下：

第一种工作状态：

只安装有一个撞铁，2个转速传感器探头A和B装在支架上，无论正转还是反转，两个传感器探头依次被触发，在ARM微控制器中产生中断信号。如果持续正转，则会产生连续的中断信号，A\B\A\B\A\B\A\B\A\B…….，如果持续反转，则会产生连续的中断信号B\A\B\A\B\A\B\A\B\A…….，取连续6次的中断信号为一个判定窗口，如果满足ABABAB或者BABABA，则判定转动正常中。转动方向不需要识别，转速值才是重点。这种状态就是2个探头正常条件下的正转和反转，也是最常见的和最重要的工作状态，因为风机较重惯性大，传感器探头损坏和轻微风小幅摆动等其它状态都是极少出现的情况。

ARM微控制器捕捉中断并记录每个中断产生的时间为Ta1、Tb1、Ta2、Tb2、Ta3、Tb3，其中Ta1、Ta2、Ta3代表探头A每次触发撞铁产生中断的时间，Tb1、Tb2、Tb3代表探头B每次触发撞铁产生中断的时间。探头每转动一圈触发一次撞铁，因此两次中断的时间间隔即转动一圈所花的时间。每个窗口可以得到4组速度值，如Ta2-Ta1、Tb2-Tb1、Ta3-Ta2、Tb3-Tb2，取平均可以得到对应的最终转速测量值Vab，计算过程如下：

Vab*4＝(Ta2-Ta1)+(Tb2-Tb1)+(Ta3-Ta2)+(Tb3-Tb2)

类似的可得：Vac*4＝(Ta2-Ta1)+(Tc2-Tc1)+(Ta3-Ta2)+(Tc3-Tc2)

Vbc*4＝(Tc2-Tc1)+(Tb2-Tb1)+(Tc3-Tc2)+(Tb3-Tb2)

第二种工作状态：

两个探头正常条件下的转动变换方向或者不停小幅度摆动的时候，就会产生如下几种信号序列，如：ABABBA……BABAAB……AAAAAA…..BBBBBB….，此时在不停的变换转动方向，或者单一位置轻微摆动，不会有超速的可能，因此在这个判定窗口不去计算转速，等待正常转动如第一种工作状态下的序列信号产生。

第三种工作状态：

根据实际安装情况，两个转速传感器探头不会同时和撞铁接触，两个传感器信号不会同时有，如果发生两个传感器信号同时都存在，且持续了60秒以上，则判定为故障状态。

对中断记录序号的数组进行滑动窗口分析，就可以确定转动的实际状态，根据状态的不同来确定如何计算最终的转速。为了提高状态识别的准确性，可以提高滑动窗口的宽度，也就是增加每次分析识别的样本数量；但样本数量过多，就会降低报警信号的响应速度，因此综合考虑取3个周期的数据作为每次状态识别的样本，这样即便在最慢的情况下也能在10S以内就发出报警信号，及时顺桨，确保风机的安全。

为了避免传感器安装问题或者传感器故障，采用3个冗余的转速传感器，每2个一组按照上面的逻辑可以得到1组转速值，共3组转速值Vab、Vac、Vbc，任意一个传感器探头坏则其中2组转速值为0，1组转速值正常，不会影响转速保护逻辑判定。

陀螺仪加速度计处理单元包含了惯性测量单元，集成了三轴陀螺仪，三轴加速度计以及一款低功耗32位处理器，可以提供三轴加速度、三轴角速度等实时数据，且经过校准可以自动消除零漂，采样率高达1KHZ，比采用转速传感器的方式具有更高的响应时间。通过高速串行总线读取惯性测量单元数据包中的数据，就可以得到三轴角速度和三轴加速度的实时信息，再结合测速保护模块具体的安装方式，就可以算出风机对应的转速值和任一个方向上的振动强度。

如图3所示为测速保护模块的工作原理图。3路冗余的PNP型或NPN型转速传感器探头信号接入到模块的高速光电耦合器，STM32F103检测出相应的状态信息，3路信号冗余，每2路信号可以计算出一组转速值，任意一个转速探头坏都不会影响转速值的测量。通过状态识别单元的分析和计算后，得到3组转速值V1/V2/V3。电路板上带有工业级的陀螺仪和加速度计，通过串口通讯可以实时采集，同样可以计算出1组转速值V4，对转速值数据进行适当的滤波处理，滤除现场高频电磁信号和低频振动带来的干扰，任意一组转速值超过设定的报警速度阈值就发DO信号断开系统的安全链，使风机停机顺桨，并通过LED指示灯显示相应的工作状态和报警状态。还可以通过无线通讯实时检测测速保护模块的当前状态和4组转速值。

超速保护结点串联在风机的安全链中，如超速保护单元断电或者判断超速，则断开安全链，这个功能可以避免很多老式风电变桨机组因为变桨故障在高风速时无法收桨，造成飞车倒塔的严重后果。超速保护结点断开后，可以通过模块重新上电或者旋转复位手柄到复位档维持3S以上这两种复位方式来复位单元状态和结点状态。如图4所示为超速保护单元的超速保护结点接入到变桨系统安全链的示意图。本模块实施不影响机组原超速保护装置运行，不涉及原超速保护装置及机舱的电气回路和软件程序变动，是在原方案的基础上增加了一道保护。

无线通信单元采用中心频率为2.4GHZ的AS69-T20无线通讯模块，支持不限数据包长连续的全双工传输，内置看门狗永不死机，可实现数据的透明传输。通过高速串行总线和CPU进行实时数据交互，再将转速计算结果、风机转动状态等信息实时传输给上位机。如发生了停机顺桨还可以通过无线通信单元读取顺桨当时的各种信息，判断是否超速所致，如是超速造成的还可以读出当时的转速值，起到了“黑匣子”的作用。

以上所述仅为本发明的一种实施案例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离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 (10)

1.一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，该模块包括传感器信号采集单元、状态识别单元、陀螺仪加速度计处理单元、超速保护单元、无线通信单元及工作状态指示单元；其特征在于：

所述传感器信号采集单元对3路冗余转速传感器数据进行跟踪和记录；

所述状态识别单元分析信号采集单元记录的数据，识别当前风机的转动模式，并计算出3组冗余转速值V1、V2、V3；

所述陀螺仪加速度计处理单元采集陀螺仪和加速计的数据，并根据风机转动方向的角速度数据计算出转速值V4；

所述超速保护单元根据以上计算出的4组转速值V1、V2、V3、V4，判断是否超速，如果超速则做出保护动作，断开安全链；

所述无线通信单元将测量数据和计算结果实时传输给上位机进行调试和监控；

所述工作状态指示单元通过状态指示灯显示该独立模块的状态信息。

2.如权利要求1所述的一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，其特征在于：

所述传感器信号采集单元包括3个转速传感器，所述3个转速传感器探头安装在风机轮毂上，采用支架式安装方式，3个探头之间的距离超过5厘米，撞铁安装在机舱大齿轮外罩上随着叶轮旋转，每次经过传感器探头时会产生一定宽度的脉冲信号，所述信号采集单元捕捉每个脉冲信号的上升沿，记录来自于哪个转速探头、顺序和触发时间。

3.如权利要求1或2所述的一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，其特征在于：

所述状态识别单元根据信号采集单元记录的数据，识别风机当前的转动模式，3个冗余的转速传感器探头，每2个一组进行状态分析，转动模式包括：2个探头正常条件下的正转和反转，2个探头正常条件下的摆动，1个探头正常条件下的高速转动，2个探头同时触发撞铁。

4.如权利要求1-3所述的一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，其特征在于：当转动模式为2个探头正常条件下的正转和反转时，所述状态识别单元捕捉转速传感器探头的中断，并记录每个中断产生的时间，则最终转速测量值V1，V2，V3的计算公式如下：

V1*4＝(Ta2-Ta1)+(Tb2-Tb1)+(Ta3-Ta2)+(Tb3-Tb2)

V2*4＝(Ta2-Ta1)+(Tc2-Tc1)+(Ta3-Ta2)+(Tc3-Tc2)

V3*4＝(Tc2-Tc1)+(Tb2-Tb1)+(Tc3-Tc2)+(Tb3-Tb2)

其中Ta1、Ta2、Ta3表示探头A每次触发撞铁产生中断的时间，Tb1、Tb2、Tb3表示探头B每次触发撞铁产生中断的时间，Tc1、Tc2、Tc3表示探头C每次触发撞铁产生中断的时间。

5.如权利要求1-4所述的一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，其特征在于：

所述陀螺仪加速度计处理单元包括惯性测量单元，三轴陀螺仪，三轴加速度计以及32位处理器，通过高速串行总线读取惯性测量单元数据包中的数据，得到三轴角速度和三轴加速度的实时信息，根据对应风机转动方向的角速度数据可以计算出当前风机的转速值V4。

6.如权利要求1-5所述的一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，其特征在于：所述陀螺仪加速度计处理单元还可以读取x轴、y轴、z轴三个方向的加速度数据，计算当前风机的振动状态。

7.如权利要求1-6所述的一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，其特征在于：

所述超速保护单元包括超速保护结点，所述超速保护结点串联在风机的安全链中，任意一组转速值超过设定的报警速度阈值就发DO信号，断开系统的安全链，使风机停机顺桨。

8.如权利要求1-7所述的一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，其特征在于：

超速保护结点断开后，可以通过重新上电或者旋转复位手柄到复位档维持3S以上这两种复位方式来复位单元状态和结点状态。

9.如权利要求1-8所述的一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，其特征在于：

所述无线通讯单元通过高频段的无线通讯芯片和上位机进行实时通讯，将当前实时计算出的4组转速值V1、V2、V3、V4上传给上位机进行监控和测试，如果发生停机顺桨，可以读取之前超速时的转速值，起到数据黑匣子的作用。

10.如权利要求1所述的一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，其特征在于：其中独立模块的状态信息包括工作状态和故障状态。