CN111561424A - 风电叶片应变采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了风电叶片应变采集系统，包括中央采集控制站、风场通讯基站和机组采集子系统，机组采集子系统包括传感器、叶片采集控制器、轮毂采集节点和机舱处理节点，传感器将采集信号放大后传输到叶片采集控制器，叶片采集控制器转换成数字信号后无线发送到轮毂采集节点，轮毂采集节点整合自身采集数据后无线发送到机舱处理节点，机舱处理节点采集气象站的数据并整合后以无线形式发送到中央采集控制站。叶片应变采集系统便于校准调试，信号数字化后传输距离远、传输信号准确率有保障，便于风场大规模应变采集设备部署，可同时实现风场多个机组叶片应变采集与管理，同时减少了设备安装过程中的机组改动，降低了人员对采集系统的管理压力。

Description

风电叶片应变采集系统

技术领域

本发明涉及风电领域，尤其涉及一种风电叶片应变采集系统。

背景技术

作为一个将风能转换为机械能的大型结构件，风力机叶片具有尺寸大、结构复杂、承受风载等特点。叶片自身结构复杂，从材料上通常采用玻纤或碳纤维灌输成型，截面涉及主梁、夹芯、腹板、粘接等铺层结构，外形尺寸上为三维曲面。从叶片展向上看，又存在搭接等不均匀结构。

由于旋转、受风载以及外部环境因素影响，其结构安全性能尤为重要。因此叶片需要采集运行条件下应变，且叶片应变采集所需测点较多，用于设计验证、结构监测和载荷测试等工作。

由于叶片连接轮毂组成的风轮绕机组主轴旋转，同时叶片可通过变桨驱动装置相对轮毂旋转做变桨运动，应变监测难度较大。

常规有线方案中，为了降低干扰，使用的屏蔽电缆导致线缆总体尺寸增加，变桨和旋转易导致线缆损坏。

常规无线方案中，使用的自带电池的无线传感器电源更换周期短，而且由于传感器自带数模转换、微控制芯片和通讯模块，触发同步采集困难；此外，应变片信号受激励电压影响，需要高品质稳压电源，但单个应变片配置电源会导致成本增加、安装难度增加。同时，由于采集涉及风场业主、风场运维、整机制造商、叶片制造商等多方，采集系统部署需要尽可能减少机组改动。

此外，在现有技术中，叶片应变监测还存在以下几个问题：

1、常规测试中，由于单机组测量点数多，通常采用轮毂本地存储或改造滑环以有线形式传输数据，同时还需要采集机组控制数据，需要协调各方，增加了设备安装难度，而且本地存储存在需要人员定期上机组检查，增加工作量。

2、由于风场地形复杂、机组型号不同、叶片型号不同以及控制策略不同，导致各机位实际载荷差异，需要对多个机组同时进行应变采集。由于机组较为分散，采用人工往来点位检查存在工作量大及各机位之间采集时间差异导致数据对比困难。如果借助风场原有网络，需要协调业主和运维团队，存在无法落实的可能。

3、由于风场气象条件复杂，应变测量需要参考风速、风向、温湿度、气压等信息，常规树立测风塔导致测量成本增加，如果引用机组数据存在传感器缺少标定、改造调整困难、设备类型复杂等因素，需要能便捷解决气象数据测量问题。

发明内容

本发明实施方式提供的风电叶片应变采集系统，包括中央采集控制站、风场通讯基站和机组采集子系统，所述机组采集子系统包括传感器、叶片采集控制器、轮毂采集节点和机舱处理节点，传感器位于叶片处，所述叶片采集控制器电性连接轮毂采集节点，传感器将采集信号放大后传输到叶片采集控制器，叶片采集控制器转换成数字信号后无线发送到轮毂采集节点，所述轮毂采集节点整合自身采集数据后无线发送到机舱处理节点，所述机舱处理节点采集气象站的数据并整合后以无线形式发送到中央采集控制站。

本发明中的叶片应变采集系统便于校准调试，信号数字化后传输距离远、传输信号准确率有保障，便于风场大规模应变采集设备部署，可同时实现风场多个机组叶片应变采集与管理，同时减少了设备安装过程中的机组改动，降低了人员对采集系统的管理压力。

进一步地，机舱处理节点采用天线阵列，通过多天线技术接收轮毂采集节点数据。

进一步地，机舱处理节点计算得到采集数据简表和时序数据，所述采集数据简表包括数据概况、设备运行状态和通道特征值，所述时序数据包括各通道数据及对应时间戳，所述中央采集控制站定时轮询各机组采集子系统，获取上一时间段内的采集数据简表，在其它空余时间轮流向各机组采集站获取时序数据。

进一步地，机舱处理节点和轮毂采集节点安装有GPS/北斗模块用于校准时间，所述轮毂采集节点通过无线网络向叶片采集控制器授时。

进一步地，通过GPS/北斗授时或同网络设备授时，进行各采集模块时钟校准，采集数据后直接添加时间戳，再经过传输网络逐步汇总。

进一步地，叶片采集控制器、轮毂采集节点、机舱处理节点均可存储一定时间范围内数据，具有断点续传功能。

进一步地，轮毂采集节点内置倾角传感器，用于获取风轮方位角并解算出风轮转速。

进一步地，轮毂采集节点配有齿轮计数器，可用于测量叶片桨距角变化。

进一步地，机舱处理节点直接连接气象站，获取气象数据包括风速、风向、温湿度和气压。

本发明实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明提供的风电叶片应变采集系统示意图；

图2为本发明提供的机组采集子系统示意图；

图3为本发明提供的叶片应变采集第一种采集方案示意图；

图4为本发明提供的叶片应变采集第二种采集方案示意图；

图5为本发明叶片采集控制器安装示意图。

具体实施方式

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1-图5，本发明实施方式提供的风电叶片应变采集系统，包括中央采集控制站、风场通讯基站和机组采集子系统。

风场升压站作为风场控制中心，能为采集中央采集控制站提供可靠的运行环境，将中央采集控制站安放在风场升压站内，用于工作人员监控数据采集状态和接收数据。由于风场通常处于偏僻位置，且无法有效利用原有通讯网络，在风场合适位置建立风场通讯基站，用于机组采集子系统与中央采集控制站信号中继。通讯基站根据风场分布与设备通讯能力，布置1到多个用于中继，供电采用光伏板、小型风力机和蓄电池组组成的风光储系统。

机组采集子系统包括传感器、叶片采集控制器、轮毂采集节点和机舱处理节点。叶片采集控制器、轮毂采集节点、机舱处理节点均可存储一定时间范围内数据，具有断点续传功能。

每个待测机组上布置机组采集子系统，如图2所示，机组采集子系统用于该机组叶片的数据采集、存储、预处理和数据上传。

机组采集子系统安装如下：

在机舱安装机舱处理节点，机舱处理节点包含接收天线、无线AP、工控机、数传电台。外接机舱处220V交流电，将多个天线布置在机舱靠近轮毂侧组成天线阵列，天线通过馈线连接机舱处理节点。机舱接收、处理、存储风轮处测量数据和气象站数据，通过数传电台与中央采集控制站通讯。同时机舱处理节点具有数字量和模拟量输出功能，用于机组获取采集信息用于机组控制。

数据处理包含去除无效数据、去信号毛刺、将数据分仓、特征值计算等。

气象站安装在机舱罩顶部，包含机载式激光测风雷达，温湿度计、气压计等。气象站数据通过电缆连接机舱处理节点，获得供电和上传数据。

传感器位于叶片处，叶片采集控制器电性连接轮毂采集节点，传感器将采集信号放大后传输到叶片采集控制器，叶片采集控制器转换成数字信号后无线发送到轮毂采集节点。

待测叶片内布置传感器与叶片采集控制器，根据叶片测点，有两种布置方案：

布置方案一：叶片采集控制器处信号放大：

如图3所示，对于测点靠近叶根的测量情况，在测点处布置应变片，应变片通过屏蔽电缆连接叶片采集控制器，叶片采集控制器对采集信号进行放大、滤波和模-数转换，得到的数字信号加上时间戳后通过无线模块发送到轮毂采集节点。本方案相对成本较低。

布置方案二：测点信号就地放大后传输：

如图4所示，由于叶片尺寸较长，测点远离叶根，电缆电阻影响不能忽略，运转条件下对电缆扰动，加之应变片桥路输出信号变化为微伏级，测量信号易受干扰和影响。在测点附近安装放大器模块或将应变片与放大电路集成，应变片信号经过放大器放大后传输，降低测量噪音和偏差，放大器通过电缆连接叶片采集控制器。叶片采集控制器对信号进行模-数转换，得到的数字信号加上时间戳后通过无线模块发送到轮毂采集节点。

叶片采集控制器安装在叶片根部的叶根盖板朝向叶尖侧，天线通过打孔安装在叶根盖板轮毂侧，如图5所示。叶片采集控制器除了采集应变，在部分测点附近布置温度计，采集测点处温度信息。由于复合材料自身刚度易受温湿度影响，为保证测量准确性，需要温湿度信息用于测量结果修正，湿度来自于气象站数据。

机舱处理节点直接连接气象站，获取气象数据包括风速、风向、温湿度和气压。

轮毂采集节点内置倾角传感器，用于获取风轮方位角并解算出风轮转速。轮毂采集节点还配有齿轮计数器，可用于测量叶片桨距角变化。轮毂采集节点整合自身采集数据后无线发送到机舱处理节点。轮毂采集节点安装在轮毂内部，由轮毂处接入机组电源，数据接收天线与各个叶根处的叶片采集控制器发射天线无遮挡，发射天线安装在轮毂本体与导流罩之间并靠近机舱。轮毂采集节点内置倾角传感器，用于获取风轮方位角，并在叶根变桨轴承处安装变桨计数器，用于获取桨距角。内置GPS/北斗模块用于校准设备时钟并校准各叶片采集控制器内时钟。轮毂采集节点引出滤波后电源线用以满足叶片采集控制器和应变片所需供电。轮毂采集节点引出接地线用于叶片采集控制器端接地。

为保护设备运行，轮毂采集节点的天线馈线接入点安装防雷模块。

机舱处理节点和轮毂采集节点安装有GPS/北斗模块用于校准时间，轮毂采集节点通过无线网络向叶片采集控制器授时。通过GPS/北斗授时或同网络设备授时，进行各采集模块时钟校准，采集数据后直接添加时间戳，再经过传输网络逐步汇总。机舱处理节点计算得到采集数据简表和时序数据，采集数据简表包括数据概况、设备运行状态和通道特征值，时序数据包括各通道数据及对应时间戳，中央采集控制站定时轮询各机组采集子系统，获取上一时间段内的采集数据简表，在其它空余时间轮流向各机组采集站获取时序数据。机舱处理节点采用天线阵列，通过多天线技术接收轮毂采集节点数据。机舱处理节点采集气象站的数据并整合后以无线形式发送到中央采集控制站。

本发明中的叶片应变采集系统便于校准调试，信号数字化后传输距离远、传输信号准确率有保障，便于风场大规模应变采集设备部署，可同时实现风场多个机组叶片应变采集与管理，同时减少了设备安装过程中的机组改动，降低了人员对采集系统的管理压力。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.风电叶片应变采集系统，其特征在于，包括中央采集控制站、风场通讯基站和机组采集子系统，

所述机组采集子系统包括传感器、叶片采集控制器、轮毂采集节点和机舱处理节点，传感器位于叶片处，所述叶片采集控制器电性连接轮毂采集节点，传感器将采集信号放大后传输到叶片采集控制器，叶片采集控制器转换成数字信号后无线发送到轮毂采集节点，所述轮毂采集节点整合自身采集数据后无线发送到机舱处理节点，

所述机舱处理节点采集气象站的数据并整合后以无线形式发送到中央采集控制站。

2.根据权利要求1所述的风电叶片应变采集系统，其特征在于，机舱处理节点采用天线阵列，通过多天线技术接收轮毂采集节点数据。

3.根据权利要求1所述的风电叶片应变采集系统，其特征在于，机舱处理节点计算得到采集数据简表和时序数据，所述采集数据简表包括数据概况、设备运行状态和通道特征值，所述时序数据包括各通道数据及对应时间戳，

所述中央采集控制站定时轮询各机组采集子系统，获取上一时间段内的采集数据简表，在其它空余时间轮流向各机组采集站获取时序数据。

4.根据权利要求1所述的风电叶片应变采集系统，其特征在于，机舱处理节点和轮毂采集节点安装有GPS/北斗模块用于校准时间，所述轮毂采集节点通过无线网络向叶片采集控制器授时。

5.根据权利要求4所述的风电叶片应变采集系统，其特征在于，通过GPS/北斗授时或同网络设备授时，进行各采集模块时钟校准，采集数据后直接添加时间戳，再经过传输网络逐步汇总。

6.根据权利要求1所述的风电叶片应变采集系统，其特征在于，叶片采集控制器、轮毂采集节点、机舱处理节点均可存储一定时间范围内数据，具有断点续传功能。

7.根据权利要求1所述的风电叶片应变采集系统，其特征在于，轮毂采集节点内置倾角传感器，用于获取风轮方位角并解算出风轮转速。

8.根据权利要求1所述的风电叶片应变采集系统，其特征在于，轮毂采集节点配有齿轮计数器，可用于测量叶片桨距角变化。

9.根据权利要求1所述的风电叶片应变采集系统，其特征在于，机舱处理节点直接连接气象站，获取气象数据包括风速、风向、温湿度和气压。

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