CN115798163A - 一种高湍流山地风场发电机组塔筒安全检测方法 - Google Patents

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党哲辉
罗兴宇
杨鹏诚
戴立伟
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Abstract

本发明公开了一种高湍流山地风场发电机组塔筒安全检测方法，该方法通过在塔筒法兰处安装加速度传感器感知塔筒振动情况；振动传感器数据通过信号线缆传输数据进入数据处理装置，由数据处理装置完成传感器数据采集和处理，数据处理装置将采集的原始数据和对其处理的中间或最终数据实时存入数据存储与管理装置，作为历史查询依据，经过数据处理装置进行处理的相关数据，预警报警装置结合风电机组状态数据，并对获取数据进一步分析判断，从而识别风机塔筒振动异常情况进行预警报警，针对塔筒振动异常情况需要及时传送至监控中心或则运维系统，为运维提供指导建议。本发明实现了风电机组塔筒状态的精确判断，为后续现场维护提供指导性意见。

Description

一种高湍流山地风场发电机组塔筒安全检测方法
技术领域
本发明涉及风力发电与设备监测技术领域，特别是一种高湍流山地风场发电机组塔筒安全检测方法。
背景技术
能源短缺，世界各国大力发展新能源技术，其中风力发电由于其成本、技术和建设周期等因素的优点，得到日趋重视。风力发电机组运行的环境情况复杂多变，工况较为恶劣，尤以山地风场为最。山地风场的高湍流、地质复杂等特点，对风电机组的塔筒安全检测提出了更高的要求。更为准确的检测塔筒状态，能够进一步的提高风电机组的安全性，从而提高风电机组的运行效率。
由于塔筒的形变和倾覆不是一蹴而就的，由于各种原因引起的缺点形成是一个从轻微逐步发展到严重和危险程度的一个过程。如果塔筒基础设计不达标、塔筒各节连接部位连接松动检测不及时，遇强风、大雨等恶劣天气时，容易发生晃动过大、倾覆、折断、直至倒塔等危险。
目前，国内外对塔筒安全的检测都是在线实时监测或对塔筒状态趋势进行分析，利用预先设定的位移故障报警阈值进行对比，若超过报警阈值，则报警。根据现有的数据采集策略，不能从风机的多方面反映塔筒安全状态。不能确定风机塔筒位移及塔基沉降安全报警是因为高湍流瞬时风速造成的，还是因为晃动或塔基沉降造成，不能够对故障报警分析提供更加有效的信息。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种高湍流山地风场发电机组塔筒安全检测方法，以解决上述技术问题。
本发明公开了一种高湍流山地风场发电机组塔筒安全检测方法，包括：
通过在塔筒法兰处安装加速度传感器感知塔筒振动情况；振动传感器数据通过信号线缆传输数据进入数据处理装置，由数据处理装置完成传感器数据采集和处理，数据处理装置将采集的原始数据和对其处理的中间或最终数据实时存入数据存储与管理装置，作为历史查询依据，经过数据处理装置进行处理的相关数据，进入预警报警装置，预警报警装置结合风电机组状态数据，并对获取数据进一步分析判断，从而识别风机塔筒振动异常情况，从而进行预警报警，针对塔筒振动异常情况需要及时传送至监控中心或则运维系统，为运维提供指导建议。
进一步地，所述加速度传感器安装于塔筒的每一层法兰面，通过传感器有效捕捉每层塔筒振动情况的变化，每一层塔筒传感器安装在与塔筒门垂直的方向上，在塔筒门右侧105°位置设置传感器安装板。
进一步地，所述数据处理装置对其采集的数据进行实时处理和时频域分析，以获取塔筒的晃动趋势、塔筒的固有频率变化、模态参数变化、塔筒有效的晃动位移和晃动数据长期分布点，从而利用分析推算法模型得到整个塔筒的振型；
所述数据处理装置利用曲线拟合方式，寻找出风电机组长期运行的塔筒振动的正常数据区间，结合机组仿真模型和振动标准，确定危险阈值判断区间，通过离散控制点是否处于正常区间之外，作为系统预警报警装置的输入参考数据。
进一步地：所述数据处理装置将实时采集的塔筒顶部晃动及位移信息和塔筒振动的加速度信息，进行数字滤波、时频域变换、自相关谱分析得到塔筒信号的真实信息，分析得到塔筒的固有频率、塔筒离群点数据，自动判断给出一维度预警报警数据。
进一步地，所述数据存储与管理装置存储数据处理装置的原始振动信号及经过模态分析的频域数据和分析结果数据，以备预警报警装置对历史数据进行提取，对所述加速度传感器采集的数据进行存储和数据融合管理。
进一步地，所述预警报警装置结合风机运行工况及长期的历史监视数据进行评估，判断当前塔筒振型变化、塔筒晃度离群点分布，判断塔筒预警边界；同时对塔筒模态参数动态自学习，分析塔筒在不同工况长期运行模态参数，找到模态参数偏移变化点从而进行预警报警。
进一步地，根据风电机组的风速、风向和有功功率判断机组当前载荷状态，结合风电机组运行主状态进行工况划分，当风电机组运行在该划分的工况下时，进行相似工况对等分析，获取二维度预警报警。
进一步地，所述预警报警装置对一维度预警报警和二维度预警报警进行权重划分；当一维度预警报警触发时，二维度预警报警未触发，则系统预警，现场运维处于待进行状态，若24小时出现三次系统预警，则升级为报警，需及时进行现场运维；当一维度预警报警触发时，二维度预警报警同时触发，则系统报警，现场运维需及时处理；当一维度预警报警未触发时，二维度预警报警触发，则系统预警，现场运维处于待进行状态，若24小时出现三次系统预警，则升级为报警，需及时进行现场运维，从而对风电机组塔筒状态进行预警报警。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：通过风电机组塔筒相似工况对等分析与实时监测塔筒位置状态信息相结合，从而实现了风电机组塔筒状态的精确判断，为后续现场维护提供指导性意见，保障风电机组能够正常运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实例的风力发电机组塔筒安全检测系统原理图；
图2是本发明实例的风力发电机组塔筒法兰加速度传感器数据采集装置的安装位置图；
图3(a)是本发明实例的风力发电机组安装在塔筒法兰处传感器的固定安装板主视图；
图3(b)是本发明实例的风力发电机组安装在塔筒法兰处传感器的固定安装板俯视图；
图3(c)是本发明实例的风力发电机组安装在塔筒法兰处传感器的固定安装板右视图；
图4(a)是本发明实施例的风力发电机组塔筒频域波形示意图；
图4(b)是本发明实施例的风力发电机组塔筒一阶振型示意图；
图4(c)是本发明实施例的风力发电机组塔筒固有频率提取趋势波形示意图；
附图标号：1-固定安装板螺栓，2-塔筒生根螺柱，3-L型固定传感器面板，4-直径为4毫米的安装孔，5-L型塔筒生根螺柱固定面板，6-直径为14毫米的安装孔。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
参见图1，本发明提供了一种高湍流山地风场发电机组塔筒安全检测方法的实施例，其包括：
塔筒法兰连接处的加速度传感器，实时感知塔筒受迫振动和自由振动时，塔筒振动的固有频率，分析每节塔筒的振型，推导出整个塔筒的振型；此处的加速度传感器可以为多个。
数据处理装置分析塔筒受迫振动和自由振动模态参数变化，对加速度传感器采集的数据进行实时处理和时频域分析，通过自相关谱、功率密度谱和寻峰算法，将特征明显的峰值频率记录下来，结合机组仿真模型设计参数和振动标准，确定塔筒危险运行阈值区间。将获取的塔筒的晃动趋势、塔筒的固有频率变化、模态参数变化、塔筒有效的晃动位移和晃动数据长期分布点，通过曲线拟合找出风机长期运行区间，用离群控制点作为系统预警报警参考。离群点超过危险阈值区间3％，一般提示；离群点在危险阈值区间3％-5％，报警提示；离群点在危险阈值区间5％-10％，危险停机；
预警报警装置结合风机运行工况及长期的历史监视数据进行评估，判断当前塔筒振型变化、塔筒晃度离群点分布，判断塔筒预警边界；同时对塔筒模态参数动态自学习，分析塔筒在不同工况长期运行模态参数，找到模态参数偏移变化点从而进行预警报警。
参见图2，本实施例中，塔筒监测设备分布在塔筒的每一层法兰面，有效捕捉每层塔筒变化信息，为保证监测准确判断，塔筒监测设备传感器位于垂直于塔筒同一直线位置的方向上。
参见图3(a)、图3(b)和图3(c)，本实例中为传感器设计了安装版传感器安装板安装位置在塔筒门右侧105°安装位置，此处为塔筒设计的主要载荷分布区。
本实施例中，系统还包括：
数据存储与管理装置对塔筒顶部的传感器、塔筒底部的倾角传感器和加速度传感器采集的数据进行存储和数据融合管理。
参见图4(a)，数据处理装置分别将实时采集的塔筒晃动塔筒振动的加速度信息，进行数字滤波、时频域变换得到塔筒监测数据的频域信号；
参见图4(b)，数据处理装置通过模态分析获得塔筒的振型信息；
参见图4(c)，数据处理装置通过自相关谱分析和峰值提取算法，将具有特征的峰值频率均筛选记录下来，分析得到塔筒的固有频率、塔筒离群点数据，自动判断给出一维度预警报警。
本实施例中，预警报警装置根据风电机组的风速、风向和有功功率判断机组当前载荷状态，结合风电机组运行主状态进行工况划分，当风电机组运行在该划分的工况下时，进行相似工况对等分析，获取二维度预警报警。
本实施例中，预警报警装置还对一维度预警报警和二维度预警报警进行权重划分；当一维度预警报警触发时，二维度预警报警未触发，则系统预警，现场运维处于待进行状态，若24小时出现三次系统预警，则升级为报警，需及时进行现场运维；当一维度预警报警触发时，二维度预警报警同时触发，则系统报警，现场运维需及时处理；当一维度预警报警未触发时，二维度预警报警触发，则系统预警，现场运维处于待进行状态，若24小时出现三次系统预警，则升级为报警，需及时进行现场运维，从而对风电机组塔筒状态进行预警报警。
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，其均应涵盖在本权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高湍流山地风场发电机组塔筒安全检测方法，其特征在于，包括：
通过在塔筒法兰处安装加速度传感器感知塔筒振动情况；振动传感器数据通过信号线缆传输数据进入数据处理装置，由数据处理装置完成传感器数据采集和处理，数据处理装置将采集的原始数据和对其处理的中间或最终数据实时存入数据存储与管理装置，作为历史查询依据，经过数据处理装置进行处理的相关数据，进入预警报警装置，预警报警装置结合风电机组状态数据，并对获取数据进一步分析判断，从而识别风机塔筒振动异常情况，从而进行预警报警，针对塔筒振动异常情况需要及时传送至监控中心或则运维系统，为运维提供指导建议。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加速度传感器安装于塔筒的每一层法兰面，通过传感器有效捕捉每层塔筒振动情况的变化，每一层塔筒传感器安装在与塔筒门垂直的方向上，在塔筒门右侧105°位置设置传感器安装板。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据处理装置对其采集的数据进行实时处理和时频域分析，以获取塔筒的晃动趋势、塔筒的固有频率变化、模态参数变化、塔筒有效的晃动位移和晃动数据长期分布点，从而利用分析推算法模型得到整个塔筒的振型；
所述数据处理装置利用曲线拟合方式，寻找出风电机组长期运行的塔筒振动的正常数据区间，结合载荷仿真数据和振动标准，确定危险阈值区间，通过离散控制点是否处于正常区间之外，作为系统预警报警装置的输入参考数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述数据处理装置将实时采集的塔筒顶部晃动及位移信息和塔筒振动的加速度信息，进行数字滤波、时频域变换、自相关谱分析得到塔筒信号的真实信息，分析得到塔筒的固有频率、塔筒离群点数据，自动判断给出一维度预警报警数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据存储与管理装置存储数据处理装置的原始振动信号及经过模态分析的频域数据和分析结果数据，以备预警报警装置对历史数据进行提取，对所述加速度传感器采集的数据进行存储和数据融合管理。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预警报警装置结合风机运行工况及长期的历史监视数据进行评估，判断当前塔筒振型变化、塔筒晃度离群点分布，判断塔筒预警边界；同时对塔筒模态参数动态自学习，分析塔筒在不同工况长期运行模态参数，找到模态参数偏移变化点从而进行预警报警。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据风电机组的风速、风向和有功功率判断机组当前载荷状态，结合风电机组运行主状态进行工况划分，当风电机组运行在该划分的工况下时，进行相似工况对等分析，获取二维度预警报警。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预警报警装置对一维度预警报警和二维度预警报警进行权重划分；当一维度预警报警触发时，二维度预警报警未触发，则系统预警，现场运维处于待进行状态，若24小时出现三次系统预警，则升级为报警，需及时进行现场运维；当一维度预警报警触发时，二维度预警报警同时触发，则系统报警，现场运维需及时处理；当一维度预警报警未触发时，二维度预警报警触发，则系统预警，现场运维处于待进行状态，若24小时出现三次系统预警，则升级为报警，需及时进行现场运维，从而对风电机组塔筒状态进行预警报警。
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