CN113217298A - 一种多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置及方法 - Google Patents

一种多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置，包括主控单元、单光束激光测距模块、毫米波测距模块、数据/供电接口；主控单元固定安装在风力发电机机舱内部，电性连接主控单元，用于传输和接收数据信息；单光束激光测距模块用于通过激光束测距叶片与塔筒之间的距离；数据/供电接口，电性连接主控单元，用于主控单元与风机主控及配电单元进行数据传送及传送供电。同时，还提供了上述装置的测量方法，同时采用激光测距及毫米波测距两种传感测量手段进行净空监测，两种传感手段优势互补，解决净空测量中单个传感测量手段的弱点，解决激光易受浓雾影响的问题，并解决毫米波测量精度差的问题。

Description

一种多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置及方法
技术领域
本发明涉及风力发电机净空距离监测雷达的技术领域，特别是涉及一种多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置及方法。
背景技术
风力发电机组塔架净空为风机机组运行时，机组叶片的叶尖与叶尖高度处塔筒壁的最近距离，随着风机技术的发展及能效要求的提高，风机叶片越来越长，材料越来越轻柔，风机在某些工况下存在扫塔的风险或已发生扫塔事故，发生扫塔后轻则更换叶片、重则导致整个机组报废，将带来巨大的经济财产损失。
净空监测雷达(以下简称净空雷达)为一种实时监测叶尖净空距离的雷达，当监测到叶片净空值接近规定的最小净空值时，风机机组主控可立即采取保护性措施，如减速、收桨等。净空雷达在存量机组上应用可起到预防扫塔、解除危险机组功率限制进而提高发电量的作用，在未来机组上应用可起到降低叶片成本、降低机组设计压力的作用。
另外由于风电机组多数应用环境恶劣，频繁经受雨雾干扰，因此对净空雷达的环境适应性也提出了要求，净空雷达需要同时解决准确性及数据有效性两大问题。目前已有的净空雷达技术，主要是通过探测手段分为三类：
第一种，是采用摄像头作为净空监测装置。其采用摄像头从机舱向下拍摄叶片及塔筒，采用图像识别的方法识别叶尖及塔筒的像素距离并进行转换后输出净空距离值。优点是，可以直接观测到叶片运行情况。缺点是，图像容易受到雾气影响，且采用图像识别的方法识别叶尖，算法复杂，其稳定性或识别准确度不高。
第二种，是将毫米波测距雷达作为净空雷达，采用毫米波雷达测量叶片距离，通过一定几何关系推算出净空距离。优点是，毫米波雷达采用无线电波测量距离，穿透雾气尤其是浓雾的能力强，可以解决雨雾干扰问题。缺点是，因天线波束宽度无法做到足够小，其对叶片的距离测量精度差。
第三种，是将激光测距雷达作为净空雷达，优点是，采用激光进行测量，其视场角小、光斑小，测量叶片距离精度高，检测概率高。缺点是，雾气适应性差，容易因雾气的回光导致检测到假的距离，或者因浓雾导致无法测到有效数据。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供的一种多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置，具体包括为：包括主控单元、单光束激光测距模块、毫米波测距模块、数据/供电接口；
所述主控单元固定安装在风力发电机机舱内部，电性连接主控单元，用于传输和接收数据信息；
测距模块固定安装在风力发电机风机机舱的下端或内部，其中单光束激光测距模块用于通过激光束测距叶片与塔筒之间的距离；所述单光束激光测距模块包括第一单光束激光测距模块、第二单光束激光测距模块……第N单光束激光测距模块，N为大于等于1的正整数；
毫米波测距模块，用于通过毫米波测距叶片与塔筒之间的距离；所述毫米波测距模块包括第一毫米波测距模块、第二毫米波测距模块……第N毫米波测距模块，N为大于等于1的正整数；
所述数据/供电接口，电性连接主控单元，用于主控单元与风机主控及配电单元进行数据传送及传送供电。
作为改进，每一组单光束激光测距模块对应一组光束的接收和发送数据信息，至少一组单光束激光测距模块同时连接一组激光束收发镜片。
作为改进，每一组毫米波测距模块对应一组光束的接收和发送数据信息，每一组毫米波测距模块至少有一组收发天线。
同时，还提供了一种上述多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置的测量方法，具体步骤为
步骤一：测量获得原始数据
通过第一单光束激光测距模块、第二单光束激光测距模块……第N单光束激光测距模块，第一毫米波测距模块、第二毫米波测距模块……第N毫米波测距模块，独立地进行测量叶片与风机塔筒之间的距离，记录为激光测距数据、毫米波测距数据，定义为原始数据，其中，N为大于等于1的正整数；
步骤二：数据筛选、滤波
将步骤一中获得原始数据，通过数据筛选模块、滤波模块根据净空监测雷达的安装参数及风机参数，对数据进行无效数据筛除，及对噪声数据进行过滤；
步骤三：数据决策及融合处理
对步骤二获得的数据，根据激光及毫米波测距数据，判断当前环境状态、激光数据可信度或可用性及毫米波数据的可信度或可用性，做出数据决策及融合处理，将输出的数据直接输出到数据输出接口以作为标准原始测距数据输出，用于后续数据的二次开发；步骤四：二次数据过滤处理
对步骤三获得数据，通过净空计算模块将每个单光束激光测距模块的测距数据和/或每个毫米波测距模块的测距数据进行关联算法处理，数据源互相校验，进一步去除无效数据，最后根据风机参数进行净空数值的计算，输出给数据输出接口；
步骤五：输出最终数据
通过对数据输出接口输出的数据，将数据根据实际需求转换为风机可识别或工业现场总线协议符合的数据，输出给风机主控及配电单元，即获得最终数据。
作为改进，步骤三中，数据决策及融合处理的具体为：
当激光测距模块测得有效的地面数据或叶片数据量高于一定阈值或多个单激光测距模块数据推算出的净空值相互校验成功时，数据决策处理为采用激光测距数据；
当激光测距模块测得有效的地面数据或叶片数据量低于一定阈值或多个单激光测距模块数据推算出的净空值相互校验失败时，数据决策处理为采用毫米波测距数据。
作为改进，其中，一定阈值为50％-65％。
有益效果：本发明提出了以激光光测距雷达为基础，同时包含毫米波雷达，通过数据融合，对于两种探测方法进行优势互补，可做到：
1.气象条件较好时，采用激光雷达测量净空，达到较高的测量精度和检测概率；
2.气象条件较差时(能见度低的雾、大雨、大雪等)，激光部分无法正常测量，采用毫米波雷达进行测量，作为保护净空的最后一道防线。
采用以上2种传感探测技术的融合方案的净空雷达，可以大大提高净空雷达检测精度、环境适应性、数据可靠性。
实现了同时采用激光测距及毫米波测距两种传感测量手段进行净空监测，两种传感手段优势互补，解决净空测量中单个传感测量手段的弱点，解决激光易受浓雾影响的问题，并解决毫米波测量精度差的问题。
附图说明
图1为本发明净空距离的原理结构示意图。
图2为本发明数据处理模块的原理图。
图3为本发明结构安装示意图。
图4为本发明数据处理的原理框架图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
见图3所示，本发明中，将净空雷达1固定安装在风机机舱2的底部，净空雷达1发出的激光束或毫米波波束朝向风机叶片3倾斜一定角度，风机叶片3运转时向塔筒4方向弯折，可触发测距光束或毫米波波束，使其测到风机叶片3到净空雷达1的直接距离，进而通过已知的风机几何参数计算出净空距离。
优选地，在实际应用中，根据风机机型不同，净空雷达1也可以安装于机舱顶部等位置，或安装于叶尖高度处的塔筒侧面对叶尖直接测量。
一种多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置，包括主控单元、单光束激光测距模块、毫米波测距模块、数据/供电接口；
所述主控单元固定安装在风力发电机机舱内部，电性连接主控单元，用于传输和接收数据信息；
测距模块固定安装在风力发电机风机机舱的下端或内部，其中单光束激光测距模块用于通过激光束测距叶片与塔筒之间的距离；所述单光束激光测距模块包括第一单光束激光测距模块、第二单光束激光测距模块……第N单光束激光测距模块，N为大于等于1的正整数；
毫米波测距模块，用于通过毫米波测距叶片与塔筒之间的距离；所述毫米波测距模块包括第一毫米波测距模块、第二毫米波测距模块……第N毫米波测距模块，N为大于等于1的正整数；
所述数据/供电接口，电性连接主控单元，用于主控单元与风机主控及配电单元进行数据传送及传送供电。
每一组单光束激光测距模块对应一组光束的接收和发送数据信息，至少一组单光束激光测距模块同时连接一组激光束收发镜片。
每一组毫米波测距模块对应一组光束的接收和发送数据信息，每一组毫米波测距模块至少有一组收发天线。
上述多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置的测量方法，具体步骤为
步骤一：测量获得原始数据
通过第一单光束激光测距模块、第二单光束激光测距模块……第N单光束激光测距模块，第一毫米波测距模块、第二毫米波测距模块……第N毫米波测距模块，独立地进行测量叶片与风机塔筒之间的距离，记录为激光测距数据、毫米波测距数据，定义为原始数据，其中，N为大于等于1的正整数；
步骤二：数据筛选、滤波
将步骤一中获得原始数据，通过数据筛选模块、滤波模块根据净空监测雷达的安装参数及风机参数，对数据进行无效数据筛除，及对噪声数据进行过滤；
步骤三：数据决策及融合处理
对步骤二获得的数据，根据激光及毫米波测距数据，判断当前环境状态、激光数据可信度或可用性及毫米波数据的可信度或可用性，做出数据决策及融合处理，将输出的数据直接输出到数据输出接口以作为标准原始测距数据输出，用于后续数据的二次开发；步骤四：二次数据过滤处理
对步骤三获得数据，通过净空计算模块将每个单光束激光测距模块的测距数据和/或每个毫米波测距模块的测距数据进行关联算法处理，数据源互相校验，进一步去除无效数据，最后根据风机参数进行净空数值的计算，输出给数据输出接口；
步骤五：输出最终数据
通过对数据输出接口输出的数据，将数据根据实际需求转换为风机可识别或工业现场总线协议符合的数据，输出给风机主控及配电单元，即获得最终数据。
其中，步骤三中，数据决策及融合处理的具体为：
当激光测距模块测得有效的地面数据或叶片数据量高于一定阈值或多个单激光测距模块数据推算出的净空值相互校验成功时，数据决策处理为采用激光测距数据；
当激光测距模块测得有效的地面数据或叶片数据量低于一定阈值或多个单激光测距模块数据推算出的净空值相互校验失败时，数据决策处理为采用毫米波测距数据。其中，一定阈值为50％-65％。
可见地，采用激光测距及毫米波测距两种传感测量手段进行净空监测，并可根据测距数据的实际情况来实时决策采用激光测距数据还是毫米波测距数据作为净空数据源。
在天气条件较好(晴空、能见度好)时采用激光测距；若有浓雾、能见度较差时，激光测距测不到叶片，有效性严重降低，单纯使用激光测距雷达将不可用，而若加入毫米波测距功能，则可穿透雾气、避免浓雾干扰，起到在能见度差时的风机净空监测作用，但精度较差；待浓雾消除后，转换为激光测距，来继续提供高精度的净空监测。
本发明实现了同时采用激光测距及毫米波测距两种传感测量手段进行净空监测，两种传感手段优势互补，解决净空测量中单个传感测量手段的弱点，解决激光易受浓雾影响的问题，并解决毫米波测量精度差的问题。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置，其特征在于：包括主控单元、单光束激光测距模块、毫米波测距模块、数据/供电接口；
所述主控单元固定安装在风力发电机机舱内部，电性连接主控单元，用于传输和接收数据信息；
测距模块固定安装在风力发电机风机机舱的下端或内部，其中单光束激光测距模块用于通过激光束测距叶片与塔筒之间的距离；所述单光束激光测距模块包括第一单光束激光测距模块、第二单光束激光测距模块……第N单光束激光测距模块，N为大于等于1的正整数；
毫米波测距模块，用于通过毫米波测距叶片与塔筒之间的距离；所述毫米波测距模块包括第一毫米波测距模块、第二毫米波测距模块……第N毫米波测距模块，N为大于等于1的正整数；
所述数据/供电接口，电性连接主控单元，用于主控单元与风机主控及配电单元进行数据传送及传送供电。
2.根据权利要求1所述多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置，其特征在于：每一组单光束激光测距模块对应一组光束的接收和发送数据信息，至少一组单光束激光测距模块同时连接一组激光束收发镜片。
3.根据权利要求2所述多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置，其特征在于：每一组毫米波测距模块对应一组光束的接收和发送数据信息，每一组毫米波测距模块至少有一组收发天线。
4.一种根据权利要求1-3任一所述多传感融合的风力发电机塔架净空监测雷达装置的测量方法，其特征在于：具体步骤为
步骤一：测量获得原始数据
通过第一单光束激光测距模块、第二单光束激光测距模块……第N单光束激光测距模块，第一毫米波测距模块、第二毫米波测距模块……第N毫米波测距模块，独立地进行测量叶片与风机塔筒之间的距离，记录为激光测距数据、毫米波测距数据，定义为原始数据，其中，N为大于等于1的正整数；
步骤二：数据筛选、滤波
将步骤一中获得原始数据，通过数据筛选模块、滤波模块根据净空监测雷达的安装参数及风机参数，对数据进行无效数据筛除，及对噪声数据进行过滤；
步骤三：数据决策及融合处理
对步骤二获得的数据，根据激光及毫米波测距数据，判断当前环境状态、激光数据可信度或可用性及毫米波数据的可信度或可用性，做出数据决策及融合处理，将输出的数据直接输出到数据输出接口以作为标准原始测距数据输出，用于后续数据的二次开发；
步骤四：二次数据过滤处理
对步骤三获得数据，通过净空计算模块将每个单光束激光测距模块的测距数据和/或每个毫米波测距模块的测距数据进行关联算法处理，数据源互相校验，进一步去除无效数据，最后根据风机参数进行净空数值的计算，输出给数据输出接口；
步骤五：输出最终数据
通过对数据输出接口输出的数据，将数据根据实际需求转换为风机可识别或工业现场总线协议符合的数据，输出给风机主控及配电单元，即获得最终数据。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：步骤三中，数据决策及融合处理的具体为：
当激光测距模块测得有效的地面数据或叶片数据量高于一定阈值或多个单激光测距模块数据推算出的净空值相互校验成功时，数据决策处理为采用激光测距数据；
当激光测距模块测得有效的地面数据或叶片数据量低于一定阈值或多个单激光测距模块数据推算出的净空值相互校验失败时，数据决策处理为采用毫米波测距数据。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：其中，一定阈值为50％-65％。
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