CN114738207A - 一种全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法，通过在风电塔筒和风电叶片表面分别安装微波测距雷达的收发天线和无源反射面，根据接收微波信号与发射微波信号在收发天线与无源反射面之间的往返时间差，实现风电叶片相对于风电塔筒的距离测量；当风电设备正常运行之后，随着风电叶片的转动，根据连续测量的风电叶片与塔筒距离和测量时刻，同时实现对风电叶片变形曲线和转动频率的实时在线测量，当判断叶片变形量或者叶片转动频率超过正常范围的阈值，实时向监测中心发送相应的故障告警信息；该方法采用不受天气因素、光线环境影响的微波雷达作为测量传感器，可实现对风电叶片运行状态的全天候、全时段监测。

Description

一种全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法

技术领域

本发明属于风电设备故障监测领域，特别是一种全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法。

背景技术

随着全球碳中和、碳达峰的号召，积极发展绿色低碳能源逐步成为全球共识，风力发电装备作为绿色能源之一，近年来得到了长足发展，但是由于风力发电场通常位于较偏远的陆地、海岸或者海上，环境恶劣且无人值守，其运行状态的监测面临较大挑战。现有风电设备健康监测系统在风电叶片状态信息检测的实时性、准确性等方面仍显不足。

风电叶片运行状态的在线检测方法主要包括应变检测、声发射检测、振动模态检测、主动式探伤检测、图像识别监测技术、扫描激光多普勒振动测试等多种方法。

应变检测方面，传统应变检测应变传感器容易失效，容易受到环境的影响甚至引起雷击，并且有的情况下不能准确反映叶片失效状况，光线布拉格光栅传感器成本高而且设备体积大，一定程度上限制了其在叶片在线检测中的应用。声发射检测存在较多技术局限，由于其振动频率高，其传播损耗大，而叶片失效的不可预计性，因此需要布置大量传感器；声发射信号对信号采集和处理系统要求较高；第三，声波具有各向异性特性，当声发射信号振动方向与传感器不匹配时，探测灵敏度会收到影响，甚至无法探测。震动模态的检测主要是利用三轴加速度计测试叶片各部位的加速度分布，对叶片结构震动模态分析就可以获得叶片损伤情况。基于PZT的主动式探测成本低，其不足在于只能沿截面方向检测，实现整个叶片部署密集的PZT贴片有相当难度。图像识别监测技术、扫描激光多普勒振动测试都是采用光学技术完成，光学成像、激光探测的质量直接影响探测准确性，而恶劣的野外环境会损坏光学系统，在雨雾天光学传感器不能正常工作。

综上所述，目前常用的监测系统均存在各自的问题，目前尚没有一种可以同时满足全天候、全时段要求的风电叶片运行状态监测方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，针对风力发电设备的全部风电叶片，在每扇风电叶片的表面选取N个监测点安装金属无源反射面；

步骤S2，在朝向风电叶片侧的风电塔筒外表面，选取与风电叶片中间位置等高的位置，安装水平角固定窄波束、俯仰角电子扫描的小型相控阵微波雷达的收发天线阵面；

步骤S3，微波雷达信号处理机控制阵列天线产生微波信号，阵面天线发射信号V_发射；

步骤S4，雷达信号经风电叶片表面的无源反射面发生反射，一部分信号由阵面天线接收，雷达收到信号V_接收；

步骤S5，雷达信号处理机对接收信号V_接收与发射信号V_发射进行信号解调、滤波、数据处理，得到反射面目标距离D和测量时刻T；

步骤S6，对于任一扇风电叶片，由某时刻测量得到的该叶片所有反射面的目标距离，得到该时刻该风电叶片的距离曲线S；

步骤S7，在风力发电机正常运转时，针对任一扇风电叶片，根据连续探测的该风电叶片目标距离和测量时刻，实时进行离散差值计算，得到该风电叶片的实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r；

步骤S8，对于任一风电叶片，在线判断其实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r是否超出正常运转值的阈值要求，若是，则实时通过有线/无线网络向控制中心发送故障告警信息，停止监测，否则返回执行步骤S3。

进一步地，步骤S1中监测点的位置选取方法为：

按照空间错位的原则交替布置各风电叶片的监测点，具体地：

将所有风电叶片的所有监测点划分为N组监测点，每一组监测点在各个风电叶片之间错位排布，各监测点之间的最小距离Δl满足雷达最小分辨距离，最小距离Δl的计算公式为：

其中，

式中，δΦ为雷达相位测量分辨率，L为天线中心点到叶片的距离，l₁为监测点1到天线中心点投影的距离，l₂为监测点2到天线中心点投影的距离，所述监测点1和监测点2为相邻的监测点。

进一步地，步骤S2中小型相控阵微波雷达的波束特点：

发射接收天线在水平方向上波束角固定，水平方向波束角半宽度仅需覆盖叶片大小；在俯仰方向上，能够通过相位控制电子阵列单元实现雷达波发射/接收方向的俯仰扫描，俯仰扫描范围需覆盖风电叶片的第一个和最后一个监测点，俯仰方向波束角半宽度与雷达相位测量分辨率δΦ相关，一般为同一数量级。

进一步地，步骤S7中形变曲线ΔS和转动速度V_r的计算公式为：

ΔS＝Diff(S)＝S(t_n)-S(t_n-1)

式中，S(t_n)、S(t_n-1)分别表示当前时刻t_n和前一时刻t_n-1风电叶片的距离曲线S。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

步骤S1，针对风力发电设备的全部风电叶片，在每扇风电叶片的表面选取N个监测点安装金属无源反射面；

步骤S2，在朝向风电叶片侧的风电塔筒外表面，选取与风电叶片中间位置等高的位置，安装水平角固定窄波束、俯仰角电子扫描的小型相控阵微波雷达的收发天线阵面；

步骤S3，微波雷达信号处理机控制阵列天线产生微波信号，阵面天线发射信号V_发射；

步骤S4，雷达信号经风电叶片表面的无源反射面发生反射，一部分信号由阵面天线接收，雷达收到信号V_接收；

步骤S5，雷达信号处理机对接收信号V_接收与发射信号V_发射进行信号解调、滤波、数据处理，得到反射面目标距离D和测量时刻T；

步骤S6，对于任一扇风电叶片，由某时刻测量得到的该叶片所有反射面的目标距离，得到该时刻该风电叶片的距离曲线S；

步骤S7，在风力发电机正常运转时，针对任一扇风电叶片，根据连续探测的该风电叶片目标距离和测量时刻，实时进行离散差值计算，得到该风电叶片的实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r；

步骤S8，对于任一风电叶片，在线判断其实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r是否超出正常运转值的阈值要求，若是，则实时通过有线/无线网络向控制中心发送故障告警信息，停止监测，否则返回执行步骤S3。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

步骤S1，针对风力发电设备的全部风电叶片，在每扇风电叶片的表面选取N个监测点安装金属无源反射面；

步骤S2，在朝向风电叶片侧的风电塔筒外表面，选取与风电叶片中间位置等高的位置，安装水平角固定窄波束、俯仰角电子扫描的小型相控阵微波雷达的收发天线阵面；

步骤S3，微波雷达信号处理机控制阵列天线产生微波信号，阵面天线发射信号V_发射；

步骤S4，雷达信号经风电叶片表面的无源反射面发生反射，一部分信号由阵面天线接收，雷达收到信号V_接收；

步骤S5，雷达信号处理机对接收信号V_接收与发射信号V_发射进行信号解调、滤波、数据处理，得到反射面目标距离D和测量时刻T；

步骤S6，对于任一扇风电叶片，由某时刻测量得到的该叶片所有反射面的目标距离，得到该时刻该风电叶片的距离曲线S；

步骤S7，在风力发电机正常运转时，针对任一扇风电叶片，根据连续探测的该风电叶片目标距离和测量时刻，实时进行离散差值计算，得到该风电叶片的实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r；

步骤S8，对于任一风电叶片，在线判断其实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r是否超出正常运转值的阈值要求，若是，则实时通过有线/无线网络向控制中心发送故障告警信息，停止监测，否则返回执行步骤S3。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1)相比于全站仪、图像传感器等光学仪器，本发明采用微波作为测量介质，不受天气因素、光线环境影响，能够实现对风电叶片运行状态的全天候、全时段监测。

2)相比于有源目标的系统，以无源反射器作为目标，且一部雷达可同时测量多个目标，具有低成本的特点。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为微波测距雷达风电监测叶片运转状态的信息流程图。

图2为风电叶片监测点选取示意图。

图3为监测点与天线中心点三角关系示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，结合图1，提出了一种全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，针对风力发电设备的全部风电叶片，在每扇风电叶片的表面选取N个监测点安装金属无源反射面；

步骤S2，在朝向风电叶片侧的风电塔筒外表面，选取与风电叶片中间位置等高的位置，安装水平角固定窄波束、俯仰角电子扫描的小型相控阵微波雷达的收发天线阵面；

步骤S3，微波雷达信号处理机控制阵列天线产生微波信号，阵面天线发射信号V_发射；

步骤S4，雷达信号经风电叶片表面的无源反射面发生反射，一部分信号由阵面天线接收，雷达收到信号V_接收；

步骤S5，雷达信号处理机对接收信号V_接收与发射信号V_发射进行信号解调、滤波、数据处理，得到反射面目标距离D和测量时刻T；

步骤S6，对于任一扇风电叶片，由某时刻测量得到的该叶片所有反射面的目标距离，得到该时刻该风电叶片的距离曲线S；

步骤S7，在风力发电机正常运转时，针对任一扇风电叶片，根据连续探测的该风电叶片目标距离和测量时刻，实时进行离散差值计算，得到该风电叶片的实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r；

步骤S8，对于任一风电叶片，在线判断其实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r是否超出正常运转值的阈值要求，若是，则实时通过有线/无线网络向控制中心发送故障告警信息，停止监测，否则返回执行步骤S3。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图2和图3，步骤S1中监测点的位置选取方法为：

按照空间错位的原则交替布置各风电叶片的监测点，具体地：

将所有风电叶片的所有监测点划分为N组监测点，每一组监测点在各个风电叶片之间错位排布，各监测点之间的最小距离Δl满足雷达最小分辨距离，最小距离Δl的计算公式为：

其中，

式中，δΦ为雷达相位测量分辨率，L为天线中心点到叶片的距离，l₁为监测点1到天线中心点投影的距离，l₂为监测点2到天线中心点投影的距离，所述监测点1和监测点2为相邻的监测点。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤S2中小型相控阵微波雷达的波束特点：

发射接收天线在水平方向上波束角固定，水平方向波束角半宽度仅需覆盖叶片大小；在俯仰方向上，能够通过相位控制电子阵列单元实现雷达波发射/接收方向的俯仰扫描，俯仰扫描范围需覆盖风电叶片的第一个和最后一个监测点，俯仰方向波束角半宽度与雷达相位测量分辨率δΦ相关，为同一数量级。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤S7中形变曲线ΔS和转动速度V_r的计算公式为：

ΔS＝Diff(S)＝S(t_n)-S(t_n-1)

式中，S(t_n)、S(t_n-1)分别表示当前时刻t_n和前一时刻t_n-1风电叶片的距离曲线S。

进一步地，在其中一个实施例中，所述S8中所述故障告警信息包括故障信息代码、风电设备编号、叶片编号、叶片形变曲线、叶片转动速度和故障信息测量时间。

进一步地，在其中一个实施例中，采用微波测距雷达作为数据测量传感器，测量各目标距离。

综上，本发明提出的全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法，通过在风电塔筒和风电叶片表面分别安装微波测距雷达的收发天线和无源反射面，根据接收微波信号与发射微波信号在收发天线与无源反射面之间的往返时间差，实现风电叶片相对于风电塔筒的距离测量；当风电设备正常运行之后，随着风电叶片的转动，根据连续测量的风电叶片与塔筒距离和测量时刻，同时实现对风电叶片变形曲线和转动频率的实时在线测量，当判断叶片变形量或者叶片转动频率超过正常范围的阈值，实时向监测中心发送相应的故障告警信息；该方法采用不受天气因素、光线环境影响的微波雷达作为测量传感器，可实现对风电叶片运行状态的全天候、全时段监测。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

步骤S1，针对风力发电设备的全部风电叶片，在每扇风电叶片的表面选取N个监测点安装金属无源反射面；

步骤S2，在朝向风电叶片侧的风电塔筒外表面，选取与风电叶片中间位置等高的位置，安装水平角固定窄波束、俯仰角电子扫描的小型相控阵微波雷达的收发天线阵面；

步骤S3，微波雷达信号处理机控制阵列天线产生微波信号，阵面天线发射信号V_发射；

步骤S4，雷达信号经风电叶片表面的无源反射面发生反射，一部分信号由阵面天线接收，雷达收到信号V_接收；

步骤S5，雷达信号处理机对接收信号V_接收与发射信号V_发射进行信号解调、滤波、数据处理，得到反射面目标距离D和测量时刻T；

步骤S6，对于任一扇风电叶片，由某时刻测量得到的该叶片所有反射面的目标距离，得到该时刻该风电叶片的距离曲线S；

步骤S7，在风力发电机正常运转时，针对任一扇风电叶片，根据连续探测的该风电叶片目标距离和测量时刻，实时进行离散差值计算，得到该风电叶片的实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r；

步骤S8，对于任一风电叶片，在线判断其实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r是否超出正常运转值的阈值要求，若是，则实时通过有线/无线网络向控制中心发送故障告警信息，停止监测，否则返回执行步骤S3。

关于每一步的具体限定可以参见上文中对于全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

步骤S1，针对风力发电设备的全部风电叶片，在每扇风电叶片的表面选取N个监测点安装金属无源反射面；

步骤S2，在朝向风电叶片侧的风电塔筒外表面，选取与风电叶片中间位置等高的位置，安装水平角固定窄波束、俯仰角电子扫描的小型相控阵微波雷达的收发天线阵面；

步骤S3，微波雷达信号处理机控制阵列天线产生微波信号，阵面天线发射信号V_发射；

步骤S4，雷达信号经风电叶片表面的无源反射面发生反射，一部分信号由阵面天线接收，雷达收到信号V_接收；

步骤S5，雷达信号处理机对接收信号V_接收与发射信号V_发射进行信号解调、滤波、数据处理，得到反射面目标距离D和测量时刻T；

步骤S6，对于任一扇风电叶片，由某时刻测量得到的该叶片所有反射面的目标距离，得到该时刻该风电叶片的距离曲线S；

步骤S7，在风力发电机正常运转时，针对任一扇风电叶片，根据连续探测的该风电叶片目标距离和测量时刻，实时进行离散差值计算，得到该风电叶片的实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r；

步骤S8，对于任一风电叶片，在线判断其实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r是否超出正常运转值的阈值要求，若是，则实时通过有线/无线网络向控制中心发送故障告警信息，停止监测，否则返回执行步骤S3。

关于每一步的具体限定可以参见上文中对于全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法的限定，在此不再赘述。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，针对风力发电设备的全部风电叶片，在每扇风电叶片的表面选取N个监测点安装金属无源反射面；

步骤S2，在朝向风电叶片侧的风电塔筒外表面，选取与风电叶片中间位置等高的位置，安装水平角固定窄波束、俯仰角电子扫描的小型相控阵微波雷达的收发天线阵面；

步骤S3，微波雷达信号处理机控制阵列天线产生微波信号，阵面天线发射信号V_发射；

步骤S4，雷达信号经风电叶片表面的无源反射面发生反射，一部分信号由阵面天线接收，雷达收到信号V_接收；

步骤S5，雷达信号处理机对接收信号V_接收与发射信号V_发射进行信号解调、滤波、数据处理，得到反射面目标距离D和测量时刻T；

步骤S6，对于任一扇风电叶片，由某时刻测量得到的该叶片所有反射面的目标距离，得到该时刻该风电叶片的距离曲线S；

步骤S7，在风力发电机正常运转时，针对任一扇风电叶片，根据连续探测的该风电叶片目标距离和测量时刻，实时进行离散差值计算，得到该风电叶片的实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r；

步骤S8，对于任一风电叶片，在线判断其实时形变曲线ΔS和实时转动速度V_r是否超出正常运转值的阈值要求，若是，则实时通过有线/无线网络向控制中心发送故障告警信息，停止监测，否则返回执行步骤S3。

2.根据权利要求1所述的全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法，其特征在于，步骤S1中监测点的位置选取方法为：

按照空间错位的原则交替布置各风电叶片的监测点，具体地：

将所有风电叶片的所有监测点划分为N组监测点，每一组监测点在各个风电叶片之间错位排布，各监测点之间的最小距离Δl满足雷达最小分辨距离，最小距离Δl的计算公式为：

其中，

式中，δΦ为雷达相位测量分辨率，L为天线中心点到叶片的距离，l₁为监测点1到天线中心点投影的距离，l₂为监测点2到天线中心点投影的距离，所述监测点1和监测点2为相邻的监测点。

3.根据权利要求1或2所述的全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法，其特征在于，步骤S2中小型相控阵微波雷达的波束特点：

发射接收天线在水平方向上波束角固定，水平方向波束角半宽度仅需覆盖叶片大小；在俯仰方向上，能够通过相位控制电子阵列单元实现雷达波发射/接收方向的俯仰扫描，俯仰扫描范围需覆盖风电叶片的第一个和最后一个监测点，俯仰方向波束角半宽度与雷达相位测量分辨率δΦ相关，为同一数量级。

4.根据权利要求1所述的全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法，其特征在于，步骤S7中形变曲线ΔS和转动速度V_r的计算公式为：

ΔS＝Diff(S)＝S(t_n)-S(t_n-1)

式中，S(t_n)、S(t_n-1)分别表示当前时刻t_n和前一时刻t_n-1风电叶片的距离曲线S。

5.根据权利要求1所述的全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法，其特征在于，所述S8中所述故障告警信息包括故障信息代码、风电设备编号、叶片编号、叶片形变曲线、叶片转动速度和故障信息测量时间。

6.根据权利要求1所述的全天候非接触式风电叶片运行状态监测方法，其特征在于，采用微波测距雷达作为数据测量传感器，测量各目标距离。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在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权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

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