CN112901426B - 风电机组叶片净空监测装置、方法、系统、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了风电机组叶片净空监测装置、方法、系统、设备及介质，属于风电技术领域，在提出对净空进行监测的方法上，又设置了两级预警机制，能够有效保护机组的安全运行，防止由于净空异常对机组造成损伤。本发明充分考虑了风电机组的运行特点，有效监测叶片与塔筒的安全范围；结合巧妙的测量及标定方法，大大减轻图像处理的难度，减少计算量，同时保证处理结果的准确性，且无需计算具体的净空距离即可达到对净空进行监测的目的。本发明提出的方法科学、巧妙、有效，实现了对净空监测方法的降维分析，减轻了计算量，但又保证了监测效果。

Description

风电机组叶片净空监测装置、方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明属于风电技术领域，涉及风电机组叶片净空监测装置、方法、系统、设备及介质。

背景技术

随着风电平价上网时代的来临，为了降低度电成本，长叶片高塔筒成为风电机组发展的方向。但是，叶片长度的增加也相应带来了一个问题，那就是叶片更易弯曲，且弯曲幅度更大。当在某些极端工况或者叶片受到损伤的情况下，叶片在旋转过程中会打到塔筒上，产生扫塔现象，使风电机组受到损伤，严重时甚至会倒塔，这不仅会给风电场带来经济损失，同时还存在巨大的安全隐患。

为了监测叶片与塔筒间的净空距离，达到保护风电机组的目的。目前对风电机组叶片净空进行监测主要有以下三种方法：第一种方法是纯粹机械式的处理方式，在塔筒外壁上，与叶尖位置相近的地方安装机械式的旋转部件结构，在此结构上安装一定长度的直杆，叶片一旦扫到直杆，则触发停机保护机组。该方法需要在塔筒外壁上安装比较复杂的机械构件，一方面存在安全隐患，另一方面，该方法对塔筒产生的不利影响无法预测。第二种方法是在叶尖位置安装信号发射器，然后在机舱安装相应的接收器，通过信号对比处理，监测净空状态。该方法在叶尖处安装信号发射器，鉴于叶尖位置线速度高的情况，其可靠性难以保证。第三种方法是采用视频图像处理的方法，分析叶尖轨迹，进而确定净空距离，监测机组安全。该方法处理数据量较大，且高度依赖算法，鉴于风电机组运行环境变化较大的情况，这种方法的计算精度和准确性较低。

综上所述，现有的监测净空距离的方法存在安装危险性、计算量大等不足。因此，亟需一种新的风电机组叶片净空监测方法，可以安全、有效的对叶片净空进行监测，防止发生扫塔事故，从而保障风电机组的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，存在安装危险性和数据处理计算量大的缺点，提供风电机组叶片净空监测装置、方法、系统、设备及介质。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种风电机组叶片净空监测装置，风电机组叶片净空监测装置安装在风电机组上，风电机组包括主机架、塔筒及叶片，主机架安装在塔筒上，主机架包括机舱和主轴法兰盘，叶片安装在主轴法兰盘上，风电机组叶片净空监测装置包括照相机、激光信号仪、数采设备、控制器和微型服务器，照相机安装在机舱底部的轴向中心线上，激光信号仪安装在主机架上并位于主轴法兰盘的一侧，照相机与数采设备电连接，照相机和激光信号仪分别与控制器电连接；控制器和数采设备电连接有微型服务器，主轴法兰盘上设有反射条，反射条设有三个，三个反射条位于以主轴法兰盘中心为圆心的同一条弧线上，且相邻反射条之间的夹角为120°；塔筒的外壁上设有标记带。

优选地，所述标记带为不同颜色的环形标记带；所述标记带为不同颜色的贴纸或涂覆在塔筒的外壁的涂料层。

优选地，所述激光信号仪的外围安装有保护罩。

一种风电机组叶片净空监测方法，包括如下步骤：

步骤1)，将照相机安装在机舱底部的轴向中心线上，将激光信号仪安装在主机架上并位于主轴法兰盘的一侧；使一支叶片处于垂直向下的状态，在主轴法兰盘上与激光信号仪对齐的位置固定反射条，旋转叶片，固定另外两个叶片对应的反射条，使相邻反射条之间成120°夹角均匀分布在主轴法兰盘上；在塔筒的外壁固定标记带；调整照相机镜头的拍摄方向、调整焦距和像素，使照相机成像的下边缘与标记带的位置一致；

步骤2)，当叶片旋转至反射条的位置时，激光信号仪将信号传输至微型服务器，控制器控制照相机进行拍照，获得叶尖轮廓图像，照相机将获得的叶尖轮廓图像信息传输至数采设备，数采设备将采集到的信息传输至微型服务器进行图像边缘识别处理，得到图像净空距离；

步骤3)，重复步骤2)，获取机组全工况的图像数据，并得到安全区域的图像距离和叶尖横向位置的波动范围，基于安全区域的图像距离，得到图像报警距离和图像停机距离，计算得到停机系数；

步骤4)设置计数周期，在一个计数周期内，记录图像净空距离低于图像报警距离的次数，并记录获取图像净空距离的总次数，基于记录的次数数据，得到保护系数；

步骤5)基于停机系数和保护系数，设置两级预警机制，向风电机组发送指令。

优选地，步骤5)所述的两级预警机制具体为：

一级预警：当停机系数小于1时，微型服务器向风电机组的主控机发送停机信号，使风电机组停机；

二级预警：当停机系数大于等于1，且保护系数大于0.3时，微型服务器向风电机组的主控机发送预警信号；

当停机系数大于等于1，且保护系数小于等于0.3时，微型服务器不发送信号，风电机组正常运行。

优选地，所述停机系数为图像净空距离和图像停机距离的比值；所述保护系数为图像净空距离低于图像报警距离的次数与获取图像净空距离的总次数之比。

优选地，所述计数周期为2～5min。

一种风电机组叶片净空监测系统，包括：

数据采集模块，用于采集图像净空距离、图像报警距离、图像停机距离、图像净空距离低于图像报警距离的次数、获取图像净空距离的总次数；

数据处理模块，与数据采集模块相交互，获取数据采集模块传输的数据并进行处理，得到停机系数和保护系数；

指令传输模块，与数据处理模块相交互，获取数据处理模块传输的停机系数和保护系数，结合预先设置的停机系数阈值和保护系数阈值，做出指令，并将指令传输至风电机组的主控机。

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述风电机组叶片净空监测方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述风电机组叶片净空监测方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种风电机组叶片净空监测装置，照相机安装位置科学，相比于安装在地上或者塔筒外壁上，在机舱内安装，相机与塔筒的相对位置是固定的，减少了位置误差；其次，在机舱底部大大减轻了阳光、雨雪等对拍摄造成的影响。激光信号仪起到发送信号从而触发照相机拍摄的作用，使得每次都是在最有利于判断净空距离的位置拍摄，减轻后期图像识别处理的难度。本发明通过合理巧妙的利用激光信号仪、照相机以及在塔筒外壁上进行颜色标记的方法，可以方便有效的对风电机组净空状态进行监测。

本发明还提供了一种风电机组叶片净空监测方法，在塔筒外壁设置标记带，通过比较简单的颜色标记，可以设置好拍摄的效果，使成像的照片下缘与颜色标记处一致，就无需再通过算法处理塔筒的边缘，大大减轻了计算量，且提高了计算准确性。通过图像边缘识别技术，确定叶尖位置，进而判断叶尖与塔筒的图上距离。并且，通过对机组正常全工况状态的运行监测，总结出安全的图像净空距离，该计算方法不需要确定实际的距离数值是多少，是一种灵活有效的思路转换。本发明在提出对净空进行监测的方法上，又设置了两级预警机制，能够有效保护机组的安全运行，防止由于净空异常对机组造成损伤。本发明充分考虑了风电机组的运行特点，有效监测叶片与塔筒的安全范围；结合巧妙的测量及标定方法，大大减轻图像处理的难度，减少计算量，同时保证处理结果的准确性，且无需计算具体的净空距离即可达到对净空进行监测的目的。本发明提出的方法科学、巧妙、有效，实现了对净空监测方法的降维分析，减轻了计算量，但又保证了监测效果。

进一步地，设置两级预警机制，科学合理，保证机组的安全运行。通过两级预警机制设计，使机组能够应对突发性的和具有累积性的两种不同类型的净空异常情况，减少误报警，但又不降低报警标准。

本发明还提供了一种风电机组叶片净空监测系统，整个系统通过多种方法的合理巧妙协作，达到了降维分析的目的。

附图说明

图1为本发明风电机组叶片净空监测装置中照相机和激光信号仪安装位置示意图；

图2为本发明风电机组叶片净空监测装置中激光反射条安装位置及叶片位置示意图；

图3为本发明风电机组叶片净空监测装置中拍摄图像说明图；

图4为本发明风电机组叶片净空监测方法的预警逻辑图。

其中：1-主机架；2-塔筒；3-叶片；4-照相机；5-激光信号仪；6-反射条；7-标记带；8-进入照片内的叶片轮廓；9-叶尖位置波动范围；10-图像净空距离；11-安全区域；12-报警区域；13-停机区域。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

一种风电机组叶片净空监测装置，风电机组叶片净空监测装置安装在风电机组上，风电机组包括主机架1、塔筒2及叶片3，主机架1安装在塔筒2上，主机架1包括机舱和主轴法兰盘，叶片3安装在主轴法兰盘上；

风电机组叶片净空监测装置包括照相机4、激光信号仪5、数采设备、控制器和微型服务器，照相机4安装在机舱底部的轴向中心线上，激光信号仪5安装在主机架1上并位于主轴法兰盘的一侧，照相机4与数采设备电连接，照相机4和激光信号仪5分别与控制器电连接；控制器和数采设备电连接有微型服务器，电连接有主轴法兰盘上设有三个反射条6，三个反射条6位于以主轴法兰盘中心为圆心的同一条弧线上，且相邻反射条6之间的夹角为120°；塔筒2的外壁上设有标记带7。

实施例2

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

照相机4为带光补偿装置的高清照相机，所述装置还包括电连接(传输信号)用的线缆和相关安装辅料。标记带7为不同颜色的环形标记带；所述标记带7为不同颜色的贴纸。

实施例3

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

所述标记带7为涂覆在塔筒2的外壁的涂料层。

实施例4

一种风电机组叶片净空监测方法，包括如下步骤：

步骤1)，将照相机4安装在机舱底部的轴向中心线上，将激光信号仪5安装在主机架1上并位于主轴法兰盘的一侧；使一支叶片3处于垂直向下的状态，在主轴法兰盘上与激光信号仪5对齐的位置固定反射条6，旋转叶片3，固定另外两个叶片3对应的反射条6，使三个反射条6两两之间成120°夹角均匀分布在主轴法兰盘上；在塔筒2的外壁固定标记带7；调整照相机4镜头的拍摄方向、调整焦距和像素，使照相机4成像的下边缘与标记带7的位置一致；

步骤2)，当叶片3旋转至反射条6的位置时，激光信号仪5将信号传输至微型服务器，控制器控制照相机4进行拍照，获得叶尖轮廓图像，照相机4将获得的叶尖轮廓图像信息传输至数采设备，数采设备将采集到的信息传输至微型服务器进行图像边缘识别处理，得到图像净空距离；

步骤3)，重复步骤2)，获取机组全工况的图像数据，并得到安全区域的图像距离和叶尖横向位置的波动范围，基于安全区域的图像距离，得到图像报警距离和图像停机距离，计算得到停机系数；

步骤4)设置计数周期，在一个计数周期内，记录图像净空距离低于图像报警距离的次数，并记录获取图像净空距离的总次数，基于记录的次数数据，得到保护系数；

步骤5)基于停机系数和保护系数，设置两级预警机制，向风电机组发送指令。

实施例5

一种风电机组叶片净空监测方法，包括如下步骤：

S1.如图1所示，在机舱底部轴向中心线合适的位置(在保证是轴向中心线的前提下，具体的位置要根据图像呈现情况，确保能拍到塔筒2和叶尖)，安装一个带光补偿的抓拍功能良好的高清照相机。

S2.如图1所示，激光信号仪5安装在主机架1上靠近主轴法兰盘的位置，在允许的情况下，尽量选择不影响机组日常维护的位置，并且在其周边加装保证罩；如图2所示，在机组处于一支叶片3垂直向下，另外两只对称的位置时，在主轴法兰盘上与激光信号仪5对齐的位置粘贴反射条6，另外两个发射条采取相同的方法粘贴，三个反射条6两两之间成120°夹角均匀分布在主轴法兰盘上。激光信号仪5的作用是，每当叶片3转到标记带7的位置时，通过激光信号仪5的信号触发相机拍摄照片，即每次拍摄的照片都是固定的，都是叶片运行到与塔筒2最近的位置拍的，这样省去了图像动态轨迹识别的过程，大大减轻了计算量和处理算法的难度。

S3.如图1所示，在塔筒2的外壁上，进行颜色标记(若标记效果不好，可用带有一定厚度的环形带标记)。该操作的作用是，通过颜色标记，确定叶尖与塔筒2最接近的位置，当进行拍摄处理时，调整好相机，使成像的照片下缘与颜色标记处一致，这样，就无需再通过算法处理塔筒2的边缘了，因为此时，照片的下缘即为与叶尖位置相近的塔筒2的外缘，这是本专利中一个巧妙处理的思路。

S4.调整照相机4镜头的拍摄方向、调整聚焦并设置好像素。该步中，要确保成像的下边缘与S3中标记的位置一致，另外，通过调整相机的曝光度确保能拍到清晰的叶片轮廓，增强图像边缘识别的准确性。

S5.通过S1～S4，可得到叶尖轮廓图像，如图3所示，对该图像进行图像边缘识别处理，得到图像净空距离10。经过S2～S4，将原本需要经过二维甚至三维计算的过程转化成一维计算，大大降低了图像边缘识别的难度，根据进入照片内的叶片轮廓8，边缘识别算法只需识别出叶尖最低处的像素位置，即可得到叶尖与照片下边缘的图像距离，即图像净空距离D0；

S6.机组正常运行一段时间，采集机组全工况的图像数据，确定安全区域11的图像距离Dsafe(该距离以照片的下边缘为起点)，以及叶尖(横向)位置的波动范围9(确定了波动范围，在图像边缘识别中可设置好处理区域，减少计算量)。根据Dsafe，确定图像报警距离Dalarm和图像停机距离Dstop，并进一步确定了报警区域12和停机区域13。

令Dalarm＝0.8*Dsafe，Dstop＝0.7*Dsafe(报警系数可根据具体叶片型号设置，属经验值范畴)。

S7.图像净空距离预警逻辑。

以3分钟(经验值，但不宜过长，时间过长的话会错过保护机组的时间，2～5分钟为宜)为一个计数周期，记录图像距离D0低于图像报警距离Dalarm的次数N，及3分钟内记录的总的D0次数M，设置保护系数PR，停机系数SR，如下：

PR＝N/M；

SR＝D0/Dstop；

一级停机状态：

状态1：SR<1，立刻向主控发送停机信号，令机组停机；

二级预警状态：

状态2：SR>＝1，PR<＝0.3(该系数非经验值，而是假设有一支叶片出现异常，则每转一圈必有一次进入报警区域的范围，则其比例为33％，若有两支叶片异常，则PR值更高，因此此处设置为0.3)，不作处理，机组继续正常运行；

状态3：SR>＝1，PR>0.3，建议机组停机检查。

通过以上两级预警机制，达到对机组的净空进行有效监测，进而达到保护机组的目的。

实施例6

本发明方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD))等。

实施例7

在示例性实施例中，还提供计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风电机组叶片净空监测方法，风电机组叶片净空监测方法是基于风电机组叶片净空监测装置进行的，风电机组叶片净空监测装置安装在风电机组上，风电机组包括主机架（1）、塔筒（2）及叶片（3），主机架（1）安装在塔筒（2）上，主机架（1）包括机舱和主轴法兰盘，叶片（3）安装在主轴法兰盘上，风电机组叶片净空监测装置包括照相机（4）、激光信号仪（5）、数采设备、控制器和微型服务器，照相机（4）安装在机舱底部的轴向中心线上，激光信号仪（5）安装在主机架（1）上并位于主轴法兰盘的一侧，照相机（4）与数采设备电连接，照相机（4）和激光信号仪（5）分别与控制器电连接；控制器和数采设备电连接有微型服务器，主轴法兰盘上设有反射条（6），反射条（6）设有三个，三个反射条（6）位于以主轴法兰盘中心为圆心的同一条弧线上，且相邻反射条（6）之间的夹角为120°；塔筒（2）的外壁上设有标记带（7）；

所述标记带（7）为不同颜色的环形标记带；所述标记带（7）为不同颜色的贴纸或涂覆在塔筒（2）的外壁的涂料层；

所述激光信号仪（5）的外围安装有保护罩；

其特征在于，包括如下步骤：

步骤1），将照相机（4）安装在机舱底部的轴向中心线上，将激光信号仪（5）安装在主机架（1）上并位于主轴法兰盘的一侧；使一支叶片处于垂直向下的状态，在主轴法兰盘上与激光信号仪（5）对齐的位置固定反射条（6），旋转叶片（3），固定另外两个叶片对应的反射条（6），使相邻反射条（6）之间成120°夹角均匀分布在主轴法兰盘上；在塔筒（2）的外壁固定标记带（7）；调整照相机（4）镜头的拍摄方向、调整焦距和像素，使照相机（4）成像的下边缘与标记带（7）的位置一致；

步骤2），当叶片（3）旋转至反射条（6）的位置时，激光信号仪（5）将信号传输至微型服务器，控制器控制照相机（4）进行拍照，获得叶尖轮廓图像，照相机（4）将获得的叶尖轮廓图像信息传输至数采设备，数采设备将采集到的信息传输至微型服务器进行图像边缘识别处理，得到图像净空距离；

步骤3），重复步骤2），获取机组全工况的图像数据，并得到安全区域的图像距离和叶尖横向位置的波动范围，基于安全区域的图像距离，得到图像报警距离和图像停机距离，计算得到停机系数；

步骤4）设置计数周期，在一个计数周期内，记录图像净空距离低于图像报警距离的次数，并记录获取图像净空距离的总次数，基于记录的次数数据，得到保护系数；

步骤5）基于停机系数和保护系数，设置两级预警机制，向风电机组发送指令；

步骤5）所述的两级预警机制具体为：

一级预警：当停机系数小于1时，微型服务器向风电机组的主控机发送停机信号，使风电机组停机；

二级预警：当停机系数大于等于1，且保护系数大于0.3时，微型服务器向风电机组的主控机发送预警信号；

当停机系数大于等于1，且保护系数小于等于0.3时，微型服务器不发送信号，风电机组正常运行；

所述停机系数为图像净空距离和图像停机距离的比值；所述保护系数为图像净空距离低于图像报警距离的次数与获取图像净空距离的总次数之比。

2.根据权利要求1所述的风电机组叶片净空监测方法，其特征在于，所述计数周期为2~5min。

3.一种基于权利要求1或2所述监测方法的风电机组叶片净空监测系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于采集图像净空距离、图像报警距离、图像停机距离、图像净空距离低于图像报警距离的次数、获取图像净空距离的总次数；

数据处理模块，与数据采集模块相交互，获取数据采集模块传输的数据并进行处理，得到停机系数和保护系数；

指令传输模块，与数据处理模块相交互，获取数据处理模块传输的停机系数和保护系数，结合预先设置的停机系数阈值和保护系数阈值，做出指令，并将指令传输至风电机组的主控机。

4.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1或2所述风电机组叶片净空监测方法的步骤。

5.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1或2所述风电机组叶片净空监测方法的步骤。

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