CN113153659A - 风力发电机桨叶健康监控方法及其监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力发电机桨叶健康监控方法及其监控系统，在桨叶中每隔0.3‑0.8m布置光线传感器模块；光线传感器模块获取环境光强，并将环境光强转换成数字信号，数字信号经过过滤和聚合后传输到桨叶主控制系统；桨叶主控制系统轮询传感器模块的数字信号，再无线传输至边缘网关，边缘网关接收所有的数字信号进行人工智能模式识别，将识别结果传输到云平台，云平台根据识别结果输出控制命令，控制命令经边缘网关传输至桨叶主控制系统，由桨叶主控制系统执行控制命令。本发明可以对风力发电机桨叶进行健康监控，具有监控范围广，通讯连接、数据传输处理可靠的优点。
Description
技术领域
本发明涉及桨叶监控技术领域，特别涉及一种风力发电机桨叶健康监控方法及其监控系统。
背景技术
经济、能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。随着全球气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题，其它能源的开发越来越受到重视。而在这些新兴的能源种类中，风能作为太阳能的转换形式之一，是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，不会产生任何有害气体和肥料，不会污染环境，发展潜力巨大，前景广阔。目前的风力发电机采用的发电方式是风力驱动涡轮旋转，进而带动发电机进行发电。目前所使用的涡轮桨叶的健康监测是应力监测方案，应力监测方案中由应力传感器通过光纤连接到采集盒，采集盒产生的大量数据通过WLAN传输到网关，再在后台、中心或云端进行处理。这样的处理方式存在如下问题：1、每个传感器都要连接到采集单元，无法级联，造成此方案只能集中布置在根部，监测范围有限，根据实际运行情况来看，桨叶根部开裂的情况发生的很少；2、传感器无处理能力，数据靠后端集中采集，采集产生的数据量大，复杂分析在中心或云端进行。3、扩展性弱或无法进行扩展。4、靠电池供电，可靠性低，维护成本高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种风力发电机桨叶健康监控方法及其监控系统。本发明可以对风力发电机桨叶进行健康监控，具有监控范围广，通讯连接、数据传输处理可靠的优点。
本发明的技术方案：风力发电机桨叶健康监控方法，在桨叶中沿桨叶内部支撑板中心线每隔0.3-0.5m直线布置光线传感器模块；光线传感器模块获取环境光强，并将环境光强转换成数字信号，数字信号经过过滤和聚合后传输到桨叶主控制系统；桨叶主控制系统轮询传感器模块的数字信号，再无线传输至边缘网关，边缘网关接收所有的数字信号进行人工智能模式识别，将识别结果和数字信号传输到云平台，云平台根据识别结果输出控制命令，控制命令经边缘网关传输至桨叶主控制系统，由桨叶主控制系统执行控制命令。
上述的风力发电机桨叶健康监控方法，同一片桨叶中的光线传感器模块按位置编址1-N,并分别通过485总线与桨叶主控制系统连接。
前述的风力发电机桨叶健康监控方法，所述边缘网关与桨叶主控制系统之间采用无线连接为ZigBee。
前述的风力发电机桨叶健康监控方法，所述边缘网关与云平台之间采用4G无线或光纤通讯连接。
前述的风力发电机桨叶健康监控方法的监控系统，包括轮毂、桨叶、机舱和云平台，所述轮毂内设置有桨叶主控制系统，所述桨叶内设有多个光线传感器模块，所述机舱内设有边缘网关，所述光线传感器模块分别与桨叶主控制系统连接，桨叶主控制系统与边缘网关无线连接；所述边缘网关与云平台通讯连接。
前述的风力发电机桨叶健康监控方法的监控系统，所述光线传感器模块包括与桨叶固定连接的外壳底座，所述外壳底座的上方设有透明罩；所述外壳底座内设置有总线固定槽和总线插座，所述外壳底座顶面设有PCB底板，PCB底板与总线插座连接；所述PCB底板上方连接有第一PCB板、第二PCB板和第三PCB板，第一PCB板、第二PCB板和第三PCB板的上表面中部分别设有超高灵敏度光线传感器。
前述的风力发电机桨叶健康监控方法的监控系统，所述第一PCB板与PCB底板所成角度为45°；所述第三PCB板与PCB底板所成角度为135°，所述第二PCB板两端分别与第一PCB板和第三PCB板上端连接且所述第二PCB板平行于PCB底板。
前述的风力发电机桨叶健康监控方法的监控系统，所述外壳底座底部两侧边缘设有固定底座，固定底座的中部设置有螺丝固定孔。
前述的风力发电机桨叶健康监控方法的监控系统，所述桨叶与轮毂之间还设有弹簧，所述弹簧外围设置有螺旋缠绕的电缆。
与现有技术相比，本发明通过在桨叶中布置多个光线传感器模块，使得光线传感器模块遍历桨叶的内部；当桨叶出现光线异常时，即可认为桨叶出现开裂、缝隙、间隙、裂痕或健康异常，此时桨叶内部出现光线异常位置对应的光线传感器模块即可以获取相应的环境光强，并将环境光强转换成数字信号，数字信号经过过滤和聚合后传输到桨叶主控制系统；桨叶主控制系统轮询传感器模块的数字信号，再无线传输至边缘网关，边缘网关接收所有的数字信号进行人工智能模式识别，识别出产生异常数字信号的光线传感器模块，再将识别结果传输到云平台，云平台根据识别结果输出控制命令，控制命令经边缘网关传输至桨叶主控制系统，由桨叶主控制系统执行控制命令，实现桨叶的监控，本发明对桨叶的监控可以按需布置也可以全局布局，具有监控范围广，而且在按需布置的完毕后还能进行拓展布置，扩展性好，同时通讯连接、数据传输处理可靠的优点。此外，本发明通过485总线将光线传感器模块的数字信号汇合完成数据的过滤、聚合，数据采集汇集方便，传输速度快，筛选性强，而且数据量小，便于处理。本发明的边缘网关与桨叶主控制系统之间采用ZigBee无线连接，具有低速、低耗电、低成本和低复杂度的优点，本发明的边缘网关与云平台之间采用4G无线或光纤通讯连接，具有快速、可靠和安全的优点，从而进一步地实现通讯连接、数据传输处理可靠。本发明还进一步地提供了一种光线传感器模块，该光线传感器模块通过优化第一PCB板、第二PCB板和第三PCB板的位置关系，使得其上的超高灵敏度感光传感器可以实现180度的光线捕获，检测范围大，并通过设置透明罩在满足透光率的前提下来可以尽可能的保护超灵敏度光线传感器模块。本发明的弹簧起到桨叶与轮毂之间的支撑作用，同时提供一定幅度的活动空间，保护电缆不被拉扯导致损坏，并利用电缆实现通讯和供电，安全可靠，故障率小。
附图说明
图1是本发明实施例的系统连接结构示意图。
图2是本发明实施例的光线传感器模块侧面结构示意图。
图3是本发明实施例的轮毂与桨叶间连接结构示意图。
附图说明
1、轮毂；2、桨叶；3、机舱；4、云平台；5、桨叶；6、光线传感器模块；7、边缘网关；8、外壳底座；9、透明罩；10、总线固定槽；11、总线插座；12、PCB底板；13、第一PCB板；14、第二PCB板；15、第三PCB板；16、超高灵敏度光线传感器；17、螺丝固定孔；18、弹簧；19、电缆；20、固定底座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：风力发电机桨叶健康监控方法，如图1所示，在桨叶2中沿桨叶内部支撑板中心线每隔0.5m布置光线传感器模块6，感光面朝桨叶迎风面，并按位置关系进行编址1-N；当桨叶2出现光线异常时，即桨叶2出现裂痕透光，光线传感器模块6从而获取异常的环境光强，即可认为桨叶2出现开裂、缝隙、间隙、裂痕或健康异常，此时桨叶2内部出现光线异常位置对应的光线传感器模块6即可以获取相应的环境光强，并将环境光强转换成数字信号，数字信号经过过滤和聚合通过485总线传输到到桨叶主控制系统5，桨叶主控制系统5作为风力发电机桨叶的控制模块，主要是控制整台风力发电机的运转；桨叶主控制系统5轮询(轮询(Polling)是一种CPU决策如何提供周边设备服务的方式，又称“程控输入输出”(Programmed I/O)。轮询法的概念是：由CPU定时发出询问，依序询问每一个周边设备是否需要其服务，有即给予服务，服务结束后再问下一个周边，接着不断周而复始。)传感器模块的数字信号，再ZigBee无线(ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全)传输至边缘网关7(边缘网关7是部署在网络边缘侧的网关，通过网络联接、协议转换等功能联接物理和数字世界，提供轻量化的联接管理、实时数据分析及应用管理功能。)，边缘网关7接收所有的数字信号进行人工智能模式识别；(本实施例中人工智能模式为桨叶透光模型。该桨叶透光模型采用无监督学习模型，属于本领域技术人员所熟知并掌握的基本技术手段，具体的，是将光线传感器模块采集到的63维原始数据，经过编码器压缩到3维，解码器随后根据降维后的数据重建原始数据，重新得到63维的输出。根据正常数据训练出来的桨叶透光模型，能够将正常样本重建还原，但遇到异常样本后重建误差将大于某个阈值，以此来检测异常)，识别出产生异常数字信号的光线传感器模块6，再将识别结果和数字信号通过4G或光纤传输到云平台4，云平台4可以是阿里云、腾讯云等具有处理能力的云端；所述云平台4根据识别结果输出控制命令，控制命令还包括由报警信号，报警信号在中控室会声光报警，提醒值班人员处理异常问题，同时控制命令经边缘网关7传输至桨叶主控制系统5，由桨叶主控制系统5执行控制命令，此时的控制命令只调节采集的频率，环境光转换数字信号的参数等，用于进一步的实现桨叶2健康监测以及调控。本发明对桨叶2的监控可以按需布置也可以全局布局，具有监控范围广，而且在按需布置的完毕后还能进行拓展布置，扩展性好，同时通讯连接、数据传输处理可靠的优点。此外，本发明通过485总线将光线传感器模块6的数字信号汇合完成数据的过滤、聚合，数据采集汇集方便，传输速度快，筛选性强，而且数据量小，便于处理。本发明的边缘网关7与桨叶主控制系统5之间采用ZigBee无线连接，具有低速、低耗电、低成本和低复杂度的优点，本发明的边缘网关7与云平台4之间采用4G无线或光纤通讯连接，具有快速、可靠和安全的优点，从而进一步地实现通讯连接、数据传输处理可靠。
实现前述的风力发电机桨叶健康监控方法的监控系统，如图1所示，包括轮毂1、3个桨叶2、机舱3和云平台4，所述轮毂1内设置有桨叶主控制系统5，每个所述桨叶2内设有多个光线传感器模块6，本实施例中光线传感器模块6遍历在桨叶2的内部，所述机舱3内设有边缘网关7，所述光线传感器模块6分别通过485总线与桨叶主控制系统5连接，桨叶主控制系统5与边缘网关7ZigBee无线连接；所述边缘网关7与云平台4通过4G或光纤通讯连接。如图2所示，所述光线传感器模块6包括与桨叶2固定连接的外壳底座8，固定的方式至通过所述外壳底座8底部两侧边缘设置固定底座20，固定底座20的中部设置有螺丝固定孔17，利用螺丝固定孔17内设置螺丝进行固定；所述外壳底座8的上方设有透明罩9，透明罩9的透光率在92％以上；所述外壳底座8内设置有总线固定槽10和总线插座11，总线固定槽10用于固定485总线，485总线的借口端与总线插座11连接；所述外壳底座8顶面设有PCB底板12，PCB底板12与总线插座11连接；所述PCB底板12上方连接有第一PCB板13、第二PCB板14和第三PCB板15，第一PCB板13、第二PCB板14和第三PCB板15的上表面中部分别设有超高灵敏度光线传感器16；所述第一PCB板13与PCB底板12所成角度a为45°；所述第三PCB板15与PCB底板12所成角度b为135°，所述第二PCB板14两端分别与第一PCB板13和第三PCB板15上端连接且所述第二PCB板14平行于PCB底板12，即第二PCB板14位于PCB底板12的上方，并与平行。该光线传感器模块6通过优化第一PCB板13、第二PCB板14和第三PCB板15的位置关系，使得其上的超高灵敏度感光传感器可以实现180度的光线捕获，检测范围大，光线捕获通过PCB板、总线插座和485总线向桨叶主控系统5传输，从而方便获取桨叶2内部光强，并通过设置透明罩9在满足透光率的前提下来可以尽可能的保护超灵敏度光线传感器模块6。
进一步地，所述桨叶2与轮毂1之间还设有弹簧18，所述弹簧18外围设置有螺旋缠绕的电缆19。所述电缆19为四芯线缆，包括电源线、接地线和两条485总线，所述弹簧18起到桨叶2与轮毂1之间连接支撑的作用，同时提供一定幅度的活动空间，保护特制电缆19不被拉扯，并利用电缆19实现通讯和供电，安全可靠，故障率小。本实施例中电缆和弹簧允许桨叶和机舱在一定的范围内发生相对运动(变桨)，本实施例中电缆采用高强度拖链电缆，耐折1500万次，耐高低温，内置抗拉纤维。本实施例中弹簧在一定强度的基础上，需要拉伸1倍以上，实现了电源和通讯信号供入桨叶，并能经受桨叶正常变桨的工作条件，相比于传统经过旋转部件供电和通讯需要加滑环，滑环成本高，安装改造不便，而本发明采用的弹簧和电缆可以不改变桨叶原有结构，造价低，施工简便。
工作原理
本发明通过在桨叶2中布置多个光线传感器模块6，使得光线传感器模块6遍历桨叶2的内部；当桨叶2出现光线异常时，即可认为桨叶2出现开裂、缝隙、间隙、裂痕或健康异常，此时桨叶2内部出现光线异常位置对应的光线传感器模块6即可以获取相应的环境光强，并将环境光强转换成数字信号，数字信号经过过滤和聚合后传输到桨叶主控制系统5；桨叶主控制系统5轮询传感器模块的数字信号，再无线传输至边缘网关7，边缘网关7接收所有的数字信号进行人工智能模式识别，识别出产生异常数字信号的光线传感器模块6，再将识别结果传输到云平台4，云平台4根据识别结果输出控制命令，控制命令经边缘网关7传输至桨叶主控制系统5，由桨叶主控制系统5执行控制命令，实现桨叶2的监控。
Claims (9)
1.风力发电机桨叶健康监控方法，其特征在于：在桨叶中沿桨叶内部支撑板中心线每隔0.3-0.5m直线布置光线传感器模块；光线传感器模块获取环境光强，并将环境光强转换成数字信号，数字信号经过过滤和聚合后传输到桨叶主控制系统；桨叶主控制系统轮询传感器模块的数字信号，再无线传输至边缘网关，边缘网关接收所有的数字信号进行人工智能模式识别，将识别结果和数字信号传输到云平台，云平台根据识别结果输出控制命令，控制命令经边缘网关传输至桨叶主控制系统，由桨叶主控制系统执行控制命令。
2.根据权利要求1所述的风力发电机桨叶健康监控方法，其特征在于：同一片桨叶中的光线传感器模块按位置编址1-N,并分别通过485总线与桨叶主控制系统连接。
3.根据权利要求1所述的风力发电机桨叶健康监控方法，其特征在于：所述边缘网关与桨叶主控制系统之间采用无线连接为ZigBee。
4.根据权利要求1所述的风力发电机桨叶健康监控方法，其特征在于：所述边缘网关与云平台之间采用4G无线或光纤通讯连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的风力发电机桨叶健康监控方法的监控系统，包括轮毂(1)、桨叶(2)、机舱(3)和云平台(4)，其特征在于：所述轮毂(1)内设置有桨叶主控制系统(5)，所述桨叶(5)内设有多个光线传感器模块(6)，所述机舱(3)内设有边缘网关(7)，所述光线传感器模块(6)分别与桨叶主控制系统(5)连接，桨叶主控制系统(5)与边缘网关(7)无线连接；所述边缘网关(7)与云平台(4)通讯连接。
6.根据权利要求5所述的风力发电机桨叶健康监控方法的监控系统，其特征在于：所述光线传感器模块(6)包括与桨叶(2)固定连接的外壳底座(8)，所述外壳底座(8)的上方设有透明罩(9)；所述外壳底座(8)内设置有总线固定槽(10)和总线插座(11)，所述外壳底座(8)顶面设有PCB底板(12)，PCB底板(12)与总线插座(11)连接；所述PCB底板(12)上方连接有第一PCB板(13)、第二PCB板(14)和第三PCB板(15)，第一PCB板(13)、第二PCB板(14)和第三PCB板(15)的上表面中部分别设有超高灵敏度光线传感器(16)。
7.根据权利要求6所述的风力发电机桨叶健康监控方法的监控系统，其特征在于：所述第一PCB板(13)与PCB底板(12)所成角度为45°；所述第三PCB板(15)与PCB底板(12)所成角度为135°，所述第二PCB板(14)两端分别与第一PCB板(13)和第三PCB板(15)上端连接且所述第二PCB板(14)平行于PCB底板(12)。
8.根据权利要求6所述的风力发电机桨叶健康监控方法的监控系统，其特征在于：所述外壳底座(8)底部两侧边缘设有固定底座(20)，固定底座(20)的中部设置有螺丝固定孔(17)。
9.根据权利要求6所述的风力发电机桨叶健康监控方法的监控系统，其特征在于：所述桨叶(2)与轮毂(1)之间还设有弹簧(18)，所述弹簧(18)外围设置有螺旋缠绕的电缆(19)。
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