CN113565701A - 一种风电塔筒振动监测系统及其监测方法 - Google Patents

一种风电塔筒振动监测系统及其监测方法 Download PDF

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CN113565701A CN202110971991.8A CN202110971991A CN113565701A CN 113565701 A CN113565701 A CN 113565701A CN 202110971991 A CN202110971991 A CN 202110971991A CN 113565701 A CN113565701 A CN 113565701A
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Abstract

本发明提出一种风电塔筒振动监测系统及其监测方法。系统包括远端集中控制平台、现场扫描单元、本地数据处理单元以及振动布局输出单元；现场扫描单元获得目标风电装置的塔筒结构数据；本地数据处理单元生成反馈信号；现场扫描单元基于反馈信号调整扫描路径；振动布局输出单元塔筒振动布局采样图；基于塔筒布局采样图，在目标风电装置的塔筒上布置多个振动传感器；远端集中控制平台基于多个采样周期获得的多组振动传感数据以及塔筒振动布局采样图，确定出塔筒最薄弱部位。方法还包括重新获得风电塔筒的塔筒振动布局采样图以及重新确定出塔筒最薄弱部位。本发明能够实现风电塔筒的可视化建模、振动监测布局以及振动薄弱位置识别。

Description

一种风电塔筒振动监测系统及其监测方法
技术领域
本发明属于风电数据监测技术领域，尤其涉及一种风电塔筒振动监测系统及其监测方法、以及实现所述方法的可视化终端。
背景技术
近年来，风电产业迅猛发展，风机的额定功率、机舱重量、塔架高度和叶片长度不断增加，风机逐渐呈现大容量、高塔筒、长叶片的发展趋势，由于风机结构与叶轮叶片均属于柔性结构，随这种变化而来的一个重要问题就是风机在运行过程中的结构振动安全问题，风机的风致振动问题更为突出。
振动监测是风电机组传动链监测的有效手段，其中，在线振动监测可以实现对机组传动链的全天24h不间断监测，得到传动链部件全生命周期的实时跟踪数据，及时发现机组传动链异常状态。传统技术中，要得到有效的振动数据，就需要工作人员携带采集仪器，登上风机，进入空间有限的机舱，对运行状态下的风电机组进行数据采集。狭小的空间和旋转的机械部件，无疑给工作人员带来一定的安全隐患。
中国发明专利申请CN113279920A提出一种大兆瓦风电机组塔筒固有频率监测装置，包括数据采集单元和控制单元，数据采集单元用于采集塔筒上各个监测区域的振动信号，并将采集到的振动信号传输至控制单元；所述控制单元用于将接收到的振动信号与预设阈值进行比对，根据比对结果判定风力发电机组塔筒是否异常，该发明声称能够实现塔筒的立体式测量，使得测量结果更具有准确性；中国发明专利CN109596175B提出一种风电塔筒倾斜和晃动在线监测系统，包括处理器、显示器、采集器、位于塔基的一个倾角传感器、位于塔筒的至少一个倾角传感器，位于塔舱的一个倾角传感器和位于塔舱的至少一个加速度传感器，倾角传感器和加速度传感器通过线缆连接采集器，采集器用于采集所有倾角传感器的角度数据和所有加速度传感器的加速度数据，并发送给处理器；处理器用于根据角度数据和加速度数据计算出实时特征值，并将实时特征值存储在存储器，当实时特征值大于或者等于其对应的门限时，进行报警，并利用加权平均模型实现预警功能。
然而，由于风电塔筒的区域较大、位置较高，如何布置振动传感器以获得更准确的振动数据、如何基于振动数据调整传感器位置以检测到最薄弱位置从而尽快发现缺陷，现有技术并未给出对应的技术方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种风电塔筒振动监测系统及其监测方法、以及实现所述方法的可视化终端。
在本发明的第一个方面，提出一种风电塔筒振动监测系统。
首先需要指出的是，本发明的振动监测系统可以针对多个风电塔筒进行监测，但是布局在每一个风电塔筒上的监测子系统或者说硬件组件是相同的。
因此，本发明的技术方案将从单体和多体两个层次进行介绍，单体即表示布局在每一个风电塔筒上的监测子系统的构成和原理，多体则是整个监测系统对于多个风塔筒进行监测的布局架构。
基于此，在单体层面，所述监测系统包括现场扫描单元、本地数据处理单元以及振动布局输出单元。
所述现场扫描单元和本地数据处理单元通过共享存储栈通信；
所述现场扫描单元用于对现场的目标风电装置进行扫描，获得所述目标风电装置的塔筒结构数据；
所述本地数据处理单元接收所述现场扫描单元捕获的实时塔筒结构数据进行本地数据处理，并基于本地数据处理的结果给所述现场扫描单元发送反馈信号，基于所述反馈信号，所述现场扫描单元调整扫描路径；
所述振动布局输出单元接收所述现场扫描单元的完整路径和现场扫描单元捕获完成的塔筒结构数据，输出所述目标风电装置的塔筒振动布局采样图；
所述塔筒振动布局采样图包括所述塔筒的三维数字分层结构和每个分层结构上的至少一个采样布局点；
基于所述塔筒布局采样图，在所述目标风电装置的塔筒上布置多个振动传感器。
在多体层面，所述监测系统包括多个现场边缘处理单元和远端集中控制平台；每个所述现场边缘处理单元包括所述现场扫描单元和本地数据处理单元。
此时，所述远端集中控制平台可同时并行的与多个现场边缘处理单元通信，每个现场边缘处理单元对应单个的风电塔筒。
在布置多个振动传感器后，可开始采集振动传感数据；
针对每一个风电塔筒，所述远端集中控制平台基于多个采样周期获得的多组振动传感数据以及所述塔筒振动布局采样图，确定出所述塔筒最薄弱部位。
在本发明的第二个方面，提供一种风电塔筒振动监测方法，所述方法包括如下步骤S710-S40，各个步骤具体实现如下：
S710：获得所述风电塔筒的初始塔筒振动布局采样图；
S720：根据所述塔筒振动布局采样图，在所述风电塔筒上布置多个振动传感器；
S730：获得所述多个振动传感器的振动传感数据；
S740：基于所述振动传输数据和所述初始塔筒振动布局采样图，确定所述风电塔筒的最薄弱位置。
显然，在所述方法中，所述步骤S710中获得所述风电塔筒的初始塔筒振动布局采样图的具体过程可参见前述监测系统的原理，即所述步骤S710具体包括：
S711：对现场的目标风电装置进行扫描，获得目标风电装置的塔筒结构数据；
S712：接收完整扫描路径和塔筒结构数据，输出所述目标风电装置的初始塔筒振动布局采样图。
进一步的，在所述步骤S730之后，所述方法还包括：
S731：在所述振动传感器的至少一个采样周期之内，重新获得所述风电塔筒的塔筒振动布局采样图；
S732：基于所述至少一个采样周期获得的振动传感数据以及所述重新获得的塔筒振动布局采样图，重新确定出所述塔筒最薄弱部位。
其中，所述步骤S710还包括：
按照预设的起始扫描路径对所述塔筒进行结构扫描，并将扫描获得的塔筒结构数据发送至共享存储栈；当所述共享存储栈满栈时，接收反馈信号；基于所述反馈信号调节所述起始扫描路径得到更新扫描路径，使得后续的扫描遵照所述更新扫描路径执行。整个过程的实际扫描路径为所述完整扫描路径。
第二个方面的所述方法可以通过包含处理器和存储器的电子装置，尤其是可视化图像处理终端设备，包括移动终端、桌面终端、服务器以及服务器集群等，通过程序指令自动化的执行，因此，在本发明的第三个方面，还提供一种包含计算机可读存储介质的可视化终端设备，所述可视化终端设备用于风电塔筒振动监测，包含计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令或者一种电子装置，包括处理器、存储器、通信接口，通过包含处理器和存储器的图像终端处理设备和电子装置，执行所述程序指令，用于实现所述方法的全部或者部分步骤。所述处理器和存储器通过总线连接，构成终端设备的内部通信。
本发明的技术方案，通过扫描目标塔筒获得所述目标风电装置的塔筒结构数据，并在扫描过程中调节扫描路径获得完整扫描路径后输出所述目标风电装置的塔筒振动布局采样图，基于塔筒振动布局采样图布设实际的振动传感器，从而基于多个采样周期获得的多组振动传感数据以及所述塔筒振动布局采样图，确定出所述塔筒最薄弱部位，能够使得准确、客观的实现风电塔筒的可视化建模、振动监测布局以及振动薄弱位置识别。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的一种风电塔筒振动监测系统的单体架构图
图2是图1所述风电塔筒振动监测系统的实际多体布局架构图
图3是本发明各个实施例中监测的风电塔筒的结构示意图
图4是图1所述风电塔筒振动监测系统得出的可视化塔筒振动布局采样图
图5是图1所述风电塔筒振动监测系统的运行工作原理示意图
图6是基于图1所述监测系统实现的监测方法的步骤流程图
图7是实现图6所述方法的存储介质以及终端示意图
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
参照图1，是本发明一个实施例的一种风电塔筒振动监测系统的单体架构图。
如前述提到的，本发明的技术方案可以从单体和多体两个层面进行介绍。
本发明的振动监测系统可以针对多个风电塔筒进行监测，但是布局在每一个风电塔筒上的监测子系统或者说硬件组件是相同的。
单体即表示布局在每一个风电塔筒上的监测子系统的构成和原理，参见图1。
针对每一个风电塔筒，所述监测系统包括现场扫描单元、本地数据处理单元以及振动布局输出单元；
所述现场扫描单元和本地数据处理单元通过共享存储栈通信；
所述现场扫描单元用于对现场的目标风电装置进行扫描，获得所述目标风电装置的塔筒结构数据；
所述本地数据处理单元接收所述现场扫描单元捕获的实时塔筒结构数据进行本地数据处理，并基于本地数据处理的结果给所述现场扫描单元发送反馈信号，基于所述反馈信号，所述现场扫描单元调整扫描路径；
多体则是整个监测系统对于多个风塔筒进行监测的布局架构，参见图2。
在多体层面，所述监测系统包括多个现场边缘处理单元和远端集中控制平台；每个所述现场边缘处理单元包括所述现场扫描单元和本地数据处理单元。
此时，所述远端集中控制平台可同时并行的与多个现场边缘处理单元通信，每个现场边缘处理单元对应单个的风电塔筒。
图3则是本发明各个实施例中监测的风电塔筒的结构示意图。
所述目标风电装置的塔筒结构分为底层筒、中间筒和顶层筒。
所述现场扫描单元首先对所述塔筒结构进行整体扫描，获得所述底层筒、中间筒和顶层筒的分段结构数据，并向所述分段结构数据发送至所述共享存储栈；所述分段结构数据包括所述底层筒、中间筒和顶层筒各自区段的高度；
当所述共享存储栈满栈时，将所述共享存储栈存储的数据同时发送至所述本地数据处理单元和所述远端集中控制平台。
采用共享存储栈的方式存储数据，确保了数据的完整度；而满栈时进行数据发送，则避免了数据的频繁发送，尤其是针对现场风电装置来说，节省了数据传输资源。
所述现场扫描单元按照预设的起始扫描路径对所述塔筒进行结构扫描，并将扫描获得的塔筒结构数据发送至所述共享存储栈；
当所述共享存储栈满栈时，将所述共享存储栈存储的数据同时发送至所述本地数据处理单元；
所述本地数据处理单元基于所述发送的数据进行路径完整度分析，得出所述反馈信号；
基于路径完整度分析得出的所述反馈信号用于根据当前的实际扫描路径及其完成程度，来调整所述预设的起始扫描路径，从而使得结构扫描数据更符合实际情况。
所述振动布局输出单元接收所述现场扫描单元的完整路径和现场扫描单元捕获完成的塔筒结构数据，输出所述目标风电装置的塔筒振动布局采样图；
所述塔筒振动布局采样图包括所述塔筒的三维数字分层结构和每个分层结构上的至少一个采样布局点。
基于所述塔筒布局采样图，在所述目标风电装置的塔筒上布置多个振动传感器。
图4是图1所述风电塔筒振动监测系统得出的可视化塔筒振动布局采样图的一个实施例示意图。
在图4右边，示出所述塔筒的三维数字分层结构；
在图4左边，示出所述塔筒的每个分层结构及其对应的至少一个采样布局点。
以图4左边为例，其中底层筒的底端和顶端直径均为6000，中层筒底端直径为6000，顶端直径为5200，顶层筒底端直径为5200，顶端直径为4250；图4还示出了每个分段筒的特定扫描位置和振动传感器布局位置：
特定扫描位置：最左边的数值(13.94/21.74/38.74/59.74/85.74)
振动传感器布局位置97-99-101-103-105-107，对应的布局高度数值为8.94/18.44/31.44/50.44/73.94/86.94。
以图4为例，所述振动传感器为配置无线通信模块的加速度传感器(加速度计)；
所述加速度传感器将采集的振动传感数据通过所述无线通信模块发送至所述远端集中控制平台；
所述远端集中控制平台基于多个采样周期获得的多组振动传感数据以及所述塔筒振动布局采样图，确定出所述塔筒最薄弱部位。
图5示出了图1所述系统的基本工作原理如下：
(1)现场扫描单元对现场的目标风电装置进行扫描，获得目标风电装置的塔筒结构数据；
(2)振动布局输出单元接收现场扫描单元的完整扫描路径和现场扫描单元捕获完成的塔筒结构数据，输出目标风电装置的塔筒振动布局采样图；
(3)基于所述塔筒布局采样图，在目标风电装置的塔筒上布置多个振动传感器；
(4)远端集中控制平台基于振动传感数据及塔筒振动布局采样图，确定出塔筒最薄弱部位。
作为进一步的优选实施例，上述实施例还进一步扩展为动态的更新过程如下：
所述远端集中控制平台还与所述现场扫描单元通信；
所述远端集中控制平台在所述多个采样周期中至少一个采样周期中，调度所述现场扫描单元重新对所述现场的目标风电装置进行更新扫描，获得所述目标风电装置的更新塔筒结构数据；
所述振动布局输出单元接收所述更新塔筒结构数据，输出所述目标风电装置的塔筒振动更新布局采样图；
所述远端集中控制平台基于所述至少一个采样周期获得的振动传感数据以及所述塔筒振动更新布局采样图，确定出所述塔筒最薄弱部位。
作为示例，所述现场扫描单元为微型红外扫描无人机；所述本地数据处理单元配置至少一个路径拟合模型。
基于图1-图5的实施例，参见图6，给出一种风电塔筒振动监测方法的具体实施例。
在图6中，所述方法包括如下步骤：
S710：获得所述风电塔筒的初始塔筒振动布局采样图；
S720：根据所述塔筒振动布局采样图，在所述风电塔筒上布置多个振动传感器；
S730：获得所述多个振动传感器的振动传感数据；
S740：基于所述振动传输数据和所述初始塔筒振动布局采样图，确定所述风电塔筒的最薄弱位置。
作为进一步的扩展方法，在所述步骤S730之后，所述方法还包括：
S731：在所述振动传感器的至少一个采样周期之内，重新获得所述风电塔筒的塔筒振动布局采样图；
S732：基于所述至少一个采样周期获得的振动传感数据以及所述重新获得的塔筒振动布局采样图，重新确定出所述塔筒最薄弱部位。
所述步骤S710具体包括：
按照预设的起始扫描路径对所述塔筒进行结构扫描，并将扫描获得的塔筒结构数据发送至共享存储栈；
当所述共享存储栈满栈时，接收反馈信号；
基于所述反馈信号调节所述扫描路径。
在该实施例中，参照前述图1-图5的实施例，在所述方法中，所述步骤S710中获得所述风电塔筒的初始塔筒振动布局采样图的具体过程可参见前述图5，即所述步骤S710具体包括：
S711：对现场的目标风电装置进行扫描，获得目标风电装置的塔筒结构数据；
S712：接收完整扫描路径和塔筒结构数据，输出所述目标风电装置的初始塔筒振动布局采样图。
同样的，每次的所述塔筒振动布局采样图(初始图和更新图)均包括所述塔筒的三维数字分层结构和每个分层结构上的至少一个采样布局点。
所述步骤S710还包括：
按照预设的起始扫描路径对所述塔筒进行结构扫描，并将扫描获得的塔筒结构数据发送至共享存储栈；当所述共享存储栈满栈时，接收反馈信号；基于所述反馈信号调节所述起始扫描路径得到更新扫描路径，使得后续的扫描遵照所述更新扫描路径执行。整个过程的实际扫描路径为所述完整扫描路径。
上述方法的全部或者部分步骤可以通过包含处理器和存储器的可视化终端设备，尤其是图像处理终端设备，包括移动终端、桌面终端、服务器以及服务器集群等，通过程序指令自动化的执行。
因此，参见图7，本实施例还提供可视化终端，包含计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令；通过包含处理器和存储器的图像终端处理设备，执行所述程序指令，用于实现所述方法的全部或者部分步骤。所述处理器和存储器通过总线连接，构成终端设备的内部通信。
本发明通过扫描目标塔筒获得所述目标风电装置的塔筒结构数据，并在扫描过程中调节扫描路径获得完整扫描路径后输出所述目标风电装置的塔筒振动布局采样图，基于塔筒振动布局采样图布设实际的振动传感器，从而基于多个采样周期获得的多组振动传感数据以及所述塔筒振动布局采样图，确定出所述塔筒最薄弱部位，能够使得准确、客观的实现风电塔筒的可视化建模、振动监测布局以及振动薄弱位置识别；同时，通过诸多与风电塔筒场景相关的技术手段，包括采用现场边缘处理单元和远端集中控制平台通信、采用共享存储栈存储数据并在满栈时发送数据，能够更好的协调数据完整性与数据发送及时性，节省数据传输资源。
本发明未特别明确的部分模块结构，以现有技术记载的内容为准。本发明在前述背景技术部分提及的现有技术可作为本发明的一部分，用于理解部分技术特征或者参数的含义。本发明的保护范围以权利要求实际记载的内容为准。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种风电塔筒振动监测系统，所述监测系统包括现场扫描单元、本地数据处理单元以及振动布局输出单元；
其特征在于：
所述现场扫描单元和本地数据处理单元通过共享存储栈通信；
所述现场扫描单元用于对现场的目标风电装置进行扫描，获得所述目标风电装置的塔筒结构数据；
所述本地数据处理单元接收所述现场扫描单元捕获的实时塔筒结构数据进行本地数据处理，并基于本地数据处理的结果给所述现场扫描单元发送反馈信号，基于所述反馈信号，所述现场扫描单元调整扫描路径；
所述振动布局输出单元接收所述现场扫描单元的完整路径和现场扫描单元捕获完成的塔筒结构数据，输出所述目标风电装置的塔筒振动布局采样图；
所述塔筒振动布局采样图包括所述塔筒的三维数字分层结构和每个分层结构上的至少一个采样布局点；
基于所述塔筒布局采样图，在所述目标风电装置的塔筒上布置多个振动传感器。
2.如权利要求1所述的一种风电塔筒振动监测系统，其特征在于：
所述监测系统包括多个现场边缘处理单元和远端集中控制平台；
每个所述现场边缘处理单元包括所述现场扫描单元和本地数据处理单元；
所述目标风电装置的塔筒结构分为底层筒、中间筒和顶层筒；
所述现场扫描单元首先对所述塔筒结构进行整体扫描，获得分段结构数据，并向所述分段结构数据发送至所述共享存储栈；
当所述共享存储栈满栈时，将所述共享存储栈存储的数据同时发送至所述本地数据处理单元和所述远端集中控制平台。
3.如权利要求1所述的一种风电塔筒振动监测系统，其特征在于：
所述现场扫描单元按照预设的起始扫描路径对所述塔筒进行结构扫描，并将扫描获得的塔筒结构数据发送至所述共享存储栈；
当所述共享存储栈满栈时，将所述共享存储栈存储的数据同时发送至所述本地数据处理单元；
所述本地数据处理单元基于所述发送的数据进行路径完整度分析，得出所述反馈信号。
4.如权利要求2所述的一种风电塔筒振动监测系统，其特征在于：
所述振动传感器为配置无线通信模块的加速度传感器；
所述加速度传感器将采集的振动传感数据通过所述无线通信模块发送至所述远端集中控制平台；
所述远端集中控制平台基于多个采样周期获得的多组振动传感数据以及所述塔筒振动布局采样图，确定出所述塔筒最薄弱部位。
5.如权利要求4所述的一种风电塔筒振动监测系统，其特征在于：
所述远端集中控制平台还与所述现场扫描单元通信；
所述远端集中控制平台在所述多个采样周期中至少一个采样周期中，调度所述现场扫描单元重新对所述现场的目标风电装置进行更新扫描，获得所述目标风电装置的更新塔筒结构数据；
所述振动布局输出单元接收所述更新塔筒结构数据，输出所述目标风电装置的塔筒振动更新布局采样图；
所述远端集中控制平台基于所述至少一个采样周期获得的振动传感数据以及所述塔筒振动更新布局采样图，确定出所述塔筒最薄弱部位。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种风电塔筒振动监测系统，其特征在于：所述现场扫描单元为微型红外扫描无人机；
所述本地数据处理单元配置至少一个路径拟合模型。
7.一种风电塔筒振动监测方法，所述方法包括如下步骤：
S710：获得所述风电塔筒的初始塔筒振动布局采样图；
S720：根据所述塔筒振动布局采样图，在所述风电塔筒上布置多个振动传感器；
S730：获得所述多个振动传感器的振动传感数据；
S740：基于所述振动传输数据和所述初始塔筒振动布局采样图，确定所述风电塔筒的最薄弱位置；
其特征在于：
在所述步骤S730之后，所述方法还包括：
S731：在所述振动传感器的至少一个采样周期之内，重新获得所述风电塔筒的塔筒振动布局采样图；
S732：基于所述至少一个采样周期获得的振动传感数据以及所述重新获得的塔筒振动布局采样图，重新确定出所述塔筒最薄弱部位。
8.如权利要求7所述的一种风电塔筒振动监测方法，其特征在于：
所述塔筒振动布局采样图包括所述塔筒的三维数字分层结构和每个分层结构上的至少一个采样布局点。
9.如权利要求7所述的一种风电塔筒振动监测方法，其特征在于：
所述步骤S710具体包括：
按照预设的起始扫描路径对所述塔筒进行结构扫描，并将扫描获得的塔筒结构数据发送至共享存储栈；
当所述共享存储栈满栈时，接收反馈信号；
基于所述反馈信号调节所述扫描路径。
10.一种用于风电塔筒振动监测的可视化终端，所述可视化终端包含存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序指令；通过处理器执行所述程序指令，用于实现权利要求7-9任一项所述的方法。
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