CN115750229A - 一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风电技术领域，具体公开了一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，包括：叶片监测系统、塔筒监测系统、CMS检测系统、无线传输模块、机舱交换机、塔筒交换机、一体化数据采集装置、服务器和集控中心；本发明通过叶片监测系统、塔筒监测系统和CMS检测系统对振动、声音、视频等多参量进行一体化数据采集，全面覆盖风机叶片、塔筒、传动链等核心部件的运行状态，实现风电机组关键核心部件全状态监测。多种类型、多种采集频率的信号经有线/无线混合通讯传输至一体化数据采集装置后，可进行数据预处理。基于对状态监测数据的采集分析处理，可有效对风电机组运行状态进行全面监测，进而实现故障早预警、预测性运维。
Description
技术领域
本发明属于风电技术领域，具体涉及一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统。
背景技术
近年来，风电行业面临补贴退坡，并最终实现平价上网的压力，风电产业降本诉求进一步加强。风电机组制造商一般通过减少单位零部件用量进而降低风机造价、摊薄非设备成本、提升发电小时数三条主要路径来有效降低度电成本，而制造成本的降低一般会减少风电机组设计阶段的安全冗余，叶片减重、塔筒减重、系统减配等带来的弊病也逐渐呈现。风电机组近期严重事故频发，机组安全运营受到极大挑战。
通过对风电机组运行状态进行实时监测，可实现故障早预警、预测性运维等操作。目前风电机组的状态监测缺乏统一的行业标准，监测范围严重不足，监测手段主要集中在一些结构型传感器。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，以解决现有的风电机组状态监测时范围不足的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
本发明提供一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，包括：
叶片监测系统、塔筒监测系统、CMS检测系统、无线传输模块、机舱交换机、塔筒交换机、一体化数据采集装置、服务器和集控中心；每个叶片上均设有叶片监测系统，塔筒外侧设置多个塔筒监测系统；CMS监测系统和无线传输模块均与机舱交换机相连，机舱交换机与塔筒交换机相连，叶片监测系统与无线传输模块相连，塔筒监测系统与塔筒交换机相连；塔筒交换机、一体化数据采集装置、服务器和集控中心依次相连。
进一步的，所述CMS监测系统和机舱交换机均设置在机舱内。
进一步的，所述无线传输模块安装在轮毂内。
进一步的，所述机舱交换机通过光纤环网与塔筒交换机相连。
进一步的，所述叶片监测系统包括音频系统、螺栓传感器和载荷传感器；音频系统、螺栓传感器和载荷传感器均与无线传输模块相连；音频系统安装在机舱的顶部，螺栓传感器安装在叶片与轮毂的连接处，用于对叶片根部螺栓松动的情况进行监测；载荷传感器安装在叶片靠近轮毂位置处，用于对叶片载荷的情况进行监测。
进一步的，所述叶片监测系统还包括雷击传感器、叶片振动传感器和结冰传感器；雷击传感器、叶片振动传感器和结冰传感器均与无线传输模块相连；雷击传感器安装在载荷传感器一侧，用于对叶片雷击的情况进行监测；叶片振动传感器安装在叶片距离叶片根部三分之一位置处，用于对叶片震动的情况进行监测；结冰传感器安装在叶片前缘位置处，用于对叶片结冰的情况进行监测。
进一步的，所述塔筒监测系统包括视频系统和塔筒螺栓传感器；视频系统和塔筒螺栓传感器均与塔筒交换机相连；视频系统安装在机舱的顶部；塔筒与叶片的连接处安装有多个塔筒螺栓传感器。
进一步的，所述塔筒监测系统还包括塔筒应力传感器、倾角传感器和振动加速度传感器；塔筒应力传感器、倾角传感器和振动加速度传感器均与塔筒交换机相连；塔筒的底部和顶部分别安装一个倾角传感器，用于监测塔筒倾斜程度和基础沉降；塔筒的顶部、中部和底部分别安装一个振动加速度传感器，用于对塔筒的震动情况进行监测；塔筒应力传感器根据塔筒有限元分析结果和不同位置处的集中应力分布情况进行安装。
进一步的，所述塔筒沿轴线方向间隔划分有五个截面：截面A、截面B、截面C、截面D和截面E；每个截面均沿0°、90°、180°、270°四个方向分别部署一个塔筒应力传感器。
进一步的，所述截面A和截面E上还安装有倾角传感器和振动加速度传感器，截面C上还安装有振动加速度传感器。
本发明至少具有以下有益效果：
1、本发明通过叶片监测系统、塔筒监测系统和CMS检测系统对振动、声音、视频等多参量进行一体化数据采集，全面覆盖风机叶片、塔筒、传动链等核心部件的运行状态，实现风电机组关键核心部件全状态监测，能够有效规避机组运行严重事故，提高风电场的运维管理水平。多种类型、多种采集频率的信号经有线/无线混合通讯传输至一体化数据采集装置后，可进行数据预处理。基于对状态监测数据的采集分析处理，可有效对风电机组运行状态进行全面监测，进而实现故障早预警、预测性运维。
2、本发明中叶片信号首先通过无线通讯模块从轮毂传输至机舱，再经由光纤环网传输至塔底的交换机，实现了有线/无线混合通讯方式，保障数据安全可靠传输。
3、本发明中一体化数据采集装置具有多通道、宽频域、可拓展的特点，实现多类型、多信号、多参量的一体化测量，且能够对叶片、塔筒和CMS系统监测数据进行预处理，具备边缘计算功能。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为风电机组全状态监测系统结构示意图；
图2为叶片监测系统结构示意图；
图3为塔筒监测系统结构示意图；
图4为系统工作流程示意图。
附图标记：1、叶片监测系统；2、塔筒监测系统；3、CMS监测系统；4、轮毂；5、机舱；6、音频系统；7、视频系统；8、无线传输模块；9、机舱交换机；10、光纤环网；11、塔筒交换机；12、一体化数据采集装置；13、服务器；14、集控中心；15、螺栓传感器；16、载荷传感器；17、雷击传感器；18、叶片振动传感器；19、结冰传感器；20、塔筒应力传感器；21、倾角传感器；22、振动加速度传感器；23、塔筒螺栓传感器。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
如图1-图3所示，一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，包括：
叶片监测系统1、塔筒监测系统2、CMS检测系统3、无线传输模块8、机舱交换机9、塔筒交换机11、一体化数据采集装置12、服务器13和集控中心14；每个叶片上均设有叶片监测系统1，塔筒外侧设置多个塔筒监测系统2，CMS监测系统3和机舱交换机9均设置在机舱5内，CMS监测系统3与机舱交换机9通过连接线相连，无线传输模块8安装在轮毂4内；机舱交换机9通过光纤环网10与塔筒交换机11相连，塔筒交换机11、一体化数据采集装置12、服务器13和集控中心14依次相连，一体化数据采集装置12、服务器13和集控中心14间通过光纤环网10相连。
叶片监测系统1与无线传输模块8通过无线信号连接，无线传输模块8通过无线信号与机舱交换机9相连；塔筒监测系统2和无线传输模块8均与塔筒交换机11相连。
CMS监测系统3一般采用高频和通频振动传感器对主轴承振动、齿轮箱振动、发电机轴承振动进行监测，测点部署和数量可参考相关行业标准，目前基本已成风电机组标配。
叶片监测系统1包括音频系统6、螺栓传感器15、载荷传感器16、雷击传感器17、叶片振动传感器18和结冰传感器19；音频系统6安装在机舱5的顶部，由于风机发生严重故障时会发出异响，采用音频信号特征提取可以对风机状态进行初步判断，再结合其他传感监测手段实现对风机故障的精准定位。螺栓传感器15安装在叶片与轮毂4的连接处，根据连接叶片根部的螺栓与法兰之间的间隙或者螺栓应力分布情况来判定螺栓是否松动，用于对叶片根部螺栓松动的情况进行监测。载荷传感器16安装在叶片靠近轮毂4位置处，叶片一般在叶根处受载荷应力较大，易出现材料疲劳现象，因此在靠近叶片根部位置处部署载荷传感器16，用于对叶片载荷的情况进行监测。雷击传感器17安装在载荷传感器16一侧，用于对叶片雷击的情况进行监测；叶片振动传感器18安装在叶片距离叶片根部三分之一位置处，用于对叶片震动的情况进行监测；结冰传感器19安装在叶片前缘位置处，用于对叶片结冰的情况进行监测。音频系统6、螺栓传感器15、载荷传感器16、雷击传感器17、叶片振动传感器18和结冰传感器19均与无线传输模块8通过无线信号相连。
塔筒监测系统2包括视频系统7、塔筒应力传感器20、倾角传感器21、振动加速度传感器22和塔筒螺栓传感器23；视频系统7安装在机舱5的顶部，用来以图像的方式监测叶片与塔筒之间的距离，即净空。塔筒的底部和顶部分别安装一个倾角传感器21，用于监测塔筒倾斜程度和基础沉降。塔筒的顶部、中部和底部分别安装一个振动加速度传感器22，用于对塔筒的震动情况进行监测。塔筒应力传感器20根据塔筒有限元分析结果，根据塔筒不同位置处的集中应力分布情况进行安装。塔筒与叶片的法兰连接处安装有多个塔筒螺栓传感器23。
视频系统7、筒应力传感器20、倾角传感器21、振动加速度传感器22和塔筒螺栓传感器23与塔筒交换机11通过无线信号相连。
将塔筒沿轴线方向间隔划分有五个截面，分别是截面A、截面B、截面C、截面D和截面E。每个截面均沿0°、90°、180°、270°四个方向分别部署一个塔筒应力传感器20；截面A和截面E上还安装有倾角传感器21和振动加速度传感器22，截面C上还安装有振动加速度传感器22。
如图4所示，一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统的工作流程，包括：
叶片监测信号包括叶片振动、叶片载荷、叶片雷击、叶片结冰、叶根螺栓、音频信号，塔筒监测信号包括塔筒振动、塔筒载荷、塔筒倾角、塔筒螺栓、基础沉降、视频净空，CMS系统监测信号包括主轴承振动、齿轮箱振动、发电机轴承振动，覆盖风机关键核心部件的全状态监测。叶片信号首先通过无线传输模块8从轮毂4传输至机舱交换机9，CMS系统信号则直接接入机舱交换机9，再经由机舱交换机9、光纤环网10传输至塔底的塔筒交换机11，塔筒监测信号直接接入塔筒交换机11；塔筒交换机11连接一体化数据采集装置12，此装置具有多通道、宽频域、可拓展的特点，实现了多类型、多信号、多参量的一体化测量。
最后，风电机组全状态监测数据通过风电场以太网光纤环网接入风场集控中心14的服务器。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，其特征在于，包括：
叶片监测系统(1)、塔筒监测系统(2)、CMS检测系统(3)、无线传输模块(8)、机舱交换机(9)、塔筒交换机(11)、一体化数据采集装置(12)、服务器(13)和集控中心(14)；每个叶片上均设有叶片监测系统(1)，塔筒外侧设置多个塔筒监测系统(2)；CMS监测系统(3)和无线传输模块(8)均与机舱交换机(9)相连，机舱交换机(9)与塔筒交换机(11)相连，叶片监测系统(1)与无线传输模块(8)相连，塔筒监测系统(2)与塔筒交换机(11)相连；塔筒交换机(11)、一体化数据采集装置(12)、服务器(13)和集控中心(14)依次相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，其特征在于，所述CMS监测系统(3)和机舱交换机(9)均设置在机舱(5)内。
3.根据权利要求1所述的一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，其特征在于，所述无线传输模块(8)安装在轮毂(4)内。
4.根据权利要求1所述的一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，其特征在于，所述机舱交换机(9)通过光纤环网(10)与塔筒交换机(11)相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，其特征在于，所述叶片监测系统(1)包括音频系统(6)、螺栓传感器(15)和载荷传感器(16)；音频系统(6)、螺栓传感器(15)和载荷传感器(16)均与无线传输模块(8)相连；音频系统(6)安装在机舱(5)的顶部，螺栓传感器(15)安装在叶片与轮毂(4)的连接处，用于对叶片根部螺栓松动的情况进行监测；载荷传感器(16)安装在叶片靠近轮毂(4)位置处，用于对叶片载荷的情况进行监测。
6.根据权利要求5所述的一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，其特征在于，所述叶片监测系统(1)还包括雷击传感器(17)、叶片振动传感器(18)和结冰传感器(19)；雷击传感器(17)、叶片振动传感器(18)和结冰传感器(19)均与无线传输模块(8)相连；雷击传感器(17)安装在载荷传感器(16)一侧，用于对叶片雷击的情况进行监测；叶片振动传感器(18)安装在叶片距离叶片根部三分之一位置处，用于对叶片震动的情况进行监测；结冰传感器(19)安装在叶片前缘位置处，用于对叶片结冰的情况进行监测。
7.根据权利要求1所述的一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，其特征在于，所述塔筒监测系统(2)包括视频系统(7)和塔筒螺栓传感器(23)；视频系统(7)和塔筒螺栓传感器(23)均与塔筒交换机(11)相连；视频系统(7)安装在机舱(5)的顶部；塔筒与叶片的连接处安装有多个塔筒螺栓传感器(23)。
8.根据权利要求7所述的一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，其特征在于，所述塔筒监测系统(2)还包括塔筒应力传感器(20)、倾角传感器(21)和振动加速度传感器(22)；塔筒应力传感器(20)、倾角传感器(21)和振动加速度传感器(22)均与塔筒交换机(11)相连；塔筒的底部和顶部分别安装一个倾角传感器(21)，用于监测塔筒倾斜程度和基础沉降；塔筒的顶部、中部和底部分别安装一个振动加速度传感器(22)，用于对塔筒的震动情况进行监测；塔筒应力传感器(20)根据塔筒有限元分析结果和不同位置处的集中应力分布情况进行安装。
9.根据权利要求8所述的一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，其特征在于，所述塔筒沿轴线方向间隔划分有五个截面：截面A、截面B、截面C、截面D和截面E；每个截面均沿0°、90°、180°、270°四个方向分别部署一个塔筒应力传感器(20)。
10.根据权利要求9所述的一种基于多源传感的风电机组全状态监测系统，其特征在于，所述截面A和截面E上还安装有倾角传感器(21)和振动加速度传感器(22)，截面C上还安装有振动加速度传感器(22)。
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