CN116398379A - 基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置及方法，装置包括：监测模块采用一根光纤，粘覆在风机叶片外表面作为监测传感器及数据传输通道；光发射模块向光纤内发射脉冲激光；光探测模块探测从光纤射出的背向散射光信息；控制模块用于向光发射光探测模块发送指令及接收光探测模块获取的信息并解析出叶片的振动、应变及温度信息作为监测结果；通信模块用于各模块间的数据传输及将控制模块的监测结果发送机组主控系统或监测中心。本发明通过在叶片上布置光纤实现对风机整个叶片监测，监测精度及空间分辨率高，可连续分布式测量及精确定位，用一根光纤实现一台风机叶片的多参量融合的全方位精准监测。
Description
技术领域
本发明涉及风机叶片监测技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置及方法。
背景技术
近年来，风电机组的装机容量快速增长。随着风电装机容量的攀升及机组运行时间的增长，风电机组故障发生率也越来越高，严重影响风电场运行效率，如何降低设备故障率，提高机组利用率，减低设备运维成本，进而提升风电场的收益，成为风电场运营的主要目标。叶片作为捕获风能的关键部件，其运行状况直接影响到发电机组的发电效率及安全。
风机叶片常见的异常状态为结构损伤、覆冰、桨距角偏差及裂纹。目前，对于风电机组叶片的状态监测以及损伤判定，多依赖于SCADA运行参数分析和基于定期点巡检的人工目视法诊断。由于SCADA数据往往侧重于对风电机组的温度、部分振动和电气参数进行监测，无法表征叶片产生的机械结构故障，如叶片开裂等，具有极大的限制。对于目视法诊断而言，多依赖于现场运维人员的经验，且维护周期长，无法实时在线辨别叶片损伤。已经出现的一些叶片故障状态监测装置，主要基于声波、振动、图形等原理监测叶片运行状态，其监测参数单一或不够全面，在经济性与技术性层面没有达到最优，导致监测结果不够全面可靠。分布式光纤传感技术可实现长距离监测，但现有分布式光纤监测技术的监测参数较单一，无法进行多参量融合监测；另外，在基于光传感的风机叶片监测领域，目前都是基于光纤光栅传感器开展叶片的应变、振动等状态监测，其均需要在叶片布置光纤传感器，监测点取决于传感器布置数量，成本较高，而基于分布式光纤传感应用目前少见，专利公开号为CN105865360A提出了一种基于瑞利散射原理计算光纤的弯曲度从而监测叶片的形变，还未有同时实现叶片应变、振动、温度等参数监测的方案。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中对于风电机组叶片的状态监测不全面、效率低的缺陷，从而提供一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置及方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置，包括：监测模块、光发射模块、光探测模块、控制模块、电源模块及通信模块，其中：
监测模块采用一根光纤，粘覆在风机叶片外表面作为监测传感器及数据传输通道；
光发射模块用于向光纤内发射脉冲激光；
光探测模块用于探测从光纤射出的背向散射光信息；
电源模块用于给各模块提供电源；
控制模块均与光发射模块、光探测模块、通信模块、电源模块连接，用于向光发射模块、光探测模块发送控制指令，以及接收光发射模块、光探测模块获取的信息，解析出叶片的振动信息、应变信息及温度信息作为监测结果；
通信模块用于各个模块之间的数据传输，以及将控制模块的监控结果发送至机组主控系统或监测中心。
在一实施例中，所述光纤从风机叶片的叶根铺向叶尖时，粘覆在风机叶片外表面的前缘部分，从叶尖铺向叶根时，粘覆在叶片外表面腹板，光纤通过上述方式在叶片外表面进行一轮或多轮布置。
在一实施例中，风机叶片的多支叶片共同铺设完整的一根光纤，或每支叶片单独铺设一根光纤。
在一实施例中，光探测模块包括瑞利散射光探测单元、布里渊散射光探测单元和光开关，瑞利散射光探测单元和布里渊散射光探测单元的光路通过控制模块控制光开关进行切换，其中光开关的动作与光发射模块发射的脉冲激光进行协同配合，使得光开关的切换时间及光开关各状态保持时间满足以下要求：
(k-1)(t1+t2)≥ΔT (3)
式中，T1为光开关处于第一状态的持续时间，T2为光开关处于第二状态的持续时间，t1为脉冲激光的脉冲持续时间，t2为脉冲激光的间隔时间，k1为光开关处于第一状态所对应的激光脉冲个数，k2为光开关处于第二状态所对应的激光脉冲个数，L为光纤长度，n为光纤折射率，C为真空中光速，k为k1、k2中较小值，ΔT为光开关动作响应延时。
在一实施例中，控制模块包括机舱控制单元和轮毂控制单元，优先的，所述轮毂控制单元用户获取叶片的状态信息并发送机舱控制单元，机舱控制单元对接收到叶片的状态信息进行分析得到监测结果，机舱控制单元和轮毂控制单元之间通过有线或通过无线方式通讯。
在一实施例中，所述机舱控制单元包括：
相位敏感光时域反射分析单元，用于分析光信号解析叶片的振动信息；布里渊光时域反射分析单元，用于分析光信号解析叶片的应变、温度信息；根据光开关切换状态自动选择分析单元。
第二方面，本发明实施例提供一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测方法，基于第一方面任一实施例一所述的装置，包括：
S1：上电后控制模块内的监测程序开始运行并完成初始化，完成系统自检；
S2：光发射模块向光纤发射脉冲激光光信号；
S3：光探测模块中接收反射的光信号；
S4：控制模块计算入射光与接收到背向散射光的时间差进行散射点的定位，并分析解析出叶片的振动信息、应变信息及温度信息得到监测结果；
S5：控制模块将监测结果通过通信模块反馈给机组主控系统或监测中心；
S6：经过预设延时时间后，进入S2进行循环。
在一实施例中，所述振动信息用于分析诊断叶片的结构损伤、裂纹及覆冰厚度；所述应变信息用于分析诊断叶片的载荷、桨距角偏差及气动不平衡；所述温度信息用于分析诊断叶片的表面温度分布及覆冰情况。
在一实施例中，步骤S3中光探测模块采用瑞利散射光探测单元或布里渊散射光探测单元接收反射的光信号；
步骤S3、S4中控制模块控制光探测模块通过切换光开关，循环控制光探测模块的瑞利散射光探测单元或布里渊散射光探测单元接收反射的光信号，当切换至瑞利散射光探测单元时利用相位敏感光时域反射分析单元，分析光信号解析叶片的振动信息，当切换至布里渊散射光探测单元利用布里渊光时域反射分析单元，分析光信号解析叶片的应变、温度信息。
在一实施例中，所述控制模块通过背向瑞利散射光的强度分析光纤的损耗衰减特性，用于检测传感光纤的弯曲、断裂情况，并通过背向布里渊散射光的强度分析光纤的温度和微变形情况。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置及方法，采用光纤作为唯一传感器，光纤作为叶片表面监测的“传”和“感”部分，无需额外的传感器和复杂的供电和通讯线路，布线少，与传统电学传感器相比，不受雷击影响，不受电磁干扰，监测数据稳定性及监测精度高，适应于电磁环境复杂风电机组状态监测，根据叶片上光纤的布置情况，可实现对风机整个叶片的监测，监测空间分辨率高，可连续分布式测量、可精确定位，用一根光纤即可实现一台风机叶片的全方位精准监测，能够实现对风机叶片的应力、温度及振动等多参量的融合实时监测，监测信息全面。
2、本发明提供的一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置及方法，融合了瑞利散射光和布里渊散射光的检测，实现了通常情况下需要两套独立监测系统才能实现的监测功能，扩展了监测功能，大幅降低了成本，提升了监测效率。
3、本发明提供的一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置及方法，同时通过背向瑞利散射光的强度分析光纤的损耗衰减特性，用于检测传感光纤的弯曲、断裂情况，并通过背向布里渊散射光的强度分析光纤的温度和微变形情况，从而实现系统对光纤的自诊断功能，能够对光纤状态进行全面监测，使得监测结果准确可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置的功能模块图；
图2为本发明实施例中单支叶片光纤布置示意图；
图3为本发明实施例中另一基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置的功能模块图；
图4为本发明实施例中三支叶片光纤布置示意图；
图5为本发明实施例中光开关动作状态与激光脉冲关系示意图；
图6为本发明实施例中基于分布式光纤传感的风机叶片状态监测方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置，如图1所示，包括：监测模块10、光发射模块20、光探测模块30、控制模块40、电源模块50及通信模块60，其中：监测模块10采用一根光纤，粘覆在风机叶片外表面作为监测传感器及数据传输通道；光发射模块20用于向光纤内发射脉冲激光；光探测模块30用于探测从光纤射出的背向散射光信息；电源模块50用于给各模块提供电源，控制模块40均与光发射模块20、光探测模块30、电源模块50、通信模块60连接，用于向光发射模块20、光探测模块30发送控制指令，以及接收光发射模块20、光探测模块30获取的信息解析出叶片的振动信息、应变信息及温度信息作为监控结果；通信模块60用于各个模块之间的数据传输，以及将控制模块40的监控结果发送至机组主控系统。
本发明实施例中，如图2所示，为单支叶片光纤布置示意图，光纤5布置于叶片外表面，从风机叶片的叶根3铺向叶尖4时，粘覆在风机叶片外表面的前缘1部分，从叶尖4铺向叶根3时，粘覆在叶片外表面腹板，即前缘1和后缘2中间的部分，光纤通过上述方式在叶片外表面进行一轮或多轮布置，多轮布置可以实现覆盖范围更广，得到的监测数据更精准。实际应用中风机叶片的多支叶片共同铺设完整的一根光纤，或每支叶片单独铺设一根光纤。本发明实施例采用光纤作为唯一传感器，光纤作为叶片表面监测的“传”和“感”部分，无需额外的传感器和复杂的供电和通讯线路，布线少，与传统电学传感器相比，不受雷击影响，不受电磁干扰，监测数据稳定性及监测精度高，适应于电磁环境复杂风电机组状态监测，根据叶片上光纤的布置情况，可实现对风机整个叶片的监测，监测空间分辨率高，可连续分布式测量、可精确定位，用一根光纤即可实现一台风机叶片的全方位精准监测。
在一具体实施例中，如图3所示，控制模块40分为机舱控制单元41和轮毂控制单元42，三支叶片光纤布置示意图如图4所示，其中轮毂控制单元42安装的位置位于叶根的汇集处，机舱控制单元41和轮毂控制单元42之间通过第一通信模块61进行通讯，实际应用中优选采用无线方式，使整体布线更简单，更好维护，控制模块40的监控结果通过第二通信模块62发送至机组主控系统，第一电源模块51为机舱控制单元41供电，第二电源模块52为轮毂控制单元42供电，光探测模块30包括瑞利散射光探测单元31和布里渊散射光探测单元32，光路可通过光开关33进行切换。光开关切换时间与系统的数据处理速度有关，在不受系统处理速度的限制下，可根据实际情况进行设定；由于切换时间可以很短(切换时间可小至毫秒级)，感观上可实现瑞利散射光和布里渊散射光的同时探测分析。
本发明实施例的光探测模块包含相对独立的瑞利散射光探测单元、布里渊散射光探测单元，通过高速光开关来切换光路实现不同类型散射光的获取，这样保留了不同散射光独立高质量捕获的优点，可获取纯净、准确的不同类型散射光，有利于后续的高精度监测结果解析。
为保证光探测模块能准确完整的接收到某种散射光信息，光开关的动作必须与脉冲激光进行协同配合，如图5所示，光开关的切换时间及光开关各状态保持时间必须满足以下要求：
(k-1)(t1+t2)≥ΔT (3)
式中，T1为光开关处于状态1的持续时间，T2为光开关处于状态2的持续时间，t1为脉冲激光的脉冲持续时间，t2为脉冲激光的间隔时间，k1为光开关处于状态1所对应的激光脉冲个数，k2为光开关处于状态2所对应的激光脉冲个数，L为光纤长度，n为光纤折射率，C为真空中光速，k为k1、k2中较小值，ΔT为光开关动作响应延时。需要说明的是，光开关处于状态1或状态2为瑞利散射光探测单元或布里渊散射光探测单元其中的任意一种，对应关系不做具体限制。
进一步的，机舱控制单元41包括：控制模块40包括：相位敏感光时域反射分析单元411，用于分析光信号解析叶片的振动信息；布里渊光时域反射分析单元412，用于分析光信号解析叶片的应变、温度信息；实际应用中根据光开关切换状态自动选择分析单元，可以设置在机舱控制单元41或轮毂控制单元42中，图3中以设置在机舱控制单元41中作为示例，但是并不以此为限。
本发明实施例基于分布式光纤传感的风机叶片状态监测装置，能够实现对风机叶片的应力、温度及振动等多参量的融合实时监测，监测信息全面；通过光探测模块中集成瑞利散射光探测模块和布里渊散射光探测模块，实现了通常情况下需要两套独立监测系统才能实现的监测功能，扩展了监测功能，大幅降低了成本，提升了监测效率。
实施例2
本发明实施例提供一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测方法，基于实施例1中的监测装置，如图6所示，包括：
S1:上电后控制模块内的监测程序开始运行并完成初始化，完成系统自检；
S2:光发射模块向光纤发射脉冲激光光信号；
S3:光探测模块中接收反射的光信号；
S4：控制模块计算入射光与接收到背向散射光的时间差进行散射点的定位，并分析解析出叶片的振动、应变及温度信息得到监测结果；具体的，振动信息用于分析诊断叶片的结构损伤、裂纹及覆冰厚度；所述应变信息用于分析诊断叶片的载荷、桨距角偏差及气动不平衡；所述温度信息用于分析诊断叶片的表面温度分布及覆冰情况。
S5：控制模块将监测结果通过通信模块反馈给机组主控系统或监测中心；
S6：经过预设延时时间后，进入S2进行循环。延时时间根据实际应用场景做合理设置，在此不做具体限定。
本发明实施例中步骤S3中光探测模块采用瑞利散射光探测单元或布里渊散射光探测单元接收反射的光信号；步骤S3、S4中控制模块控制光探测模块通过切换光开关，循环控制光探测模块的瑞利散射光探测单元或布里渊散射光探测单元接收反射的光信号，当切换至瑞利散射光探测单元时利用相位敏感光时域反射分析单元，分析光信号解析叶片的振动信息，当切换至布里渊散射光探测单元利用布里渊光时域反射分析单元，分析光信号解析叶片的应变、温度信息。
具体的，本发明实施例依据背向瑞利散射基本原理，结合φ-OTDR(相位敏感光时域反射)技术以及信号分析处理算法，实现了光纤振动传感监测。单根光纤探测距离最大可超过40公里，频率监测范围0.2Hz-1000Hz，定位精度可达1米。振动解析原理为：
背向瑞利散射光的功率中，包括不同散射点发出的背向瑞利散射光功率累加和不同散射点产生的背向瑞利散射光相干涉的功率两部分。其中不同散射点产生的背向瑞利散射光相干涉的功率可表示为：
其中，f为入射光的角频率，W为入射光脉冲宽度，N为散射点数，τi、τj分别为第i个和第j个散射点的光回波耗时，ai、aj分别为第i个和第j个散射光幅值，c为真空中光速，α为光纤损耗常数，ni为光纤的折射率，φij为第i个和第j个散射点之间的相对相位差，表示为：
由式(7)可知，干涉功率是关于f、ni和相邻散射点距离zj-zi的函数。当传感光纤上某点处发生振动时，该点处光纤的长度和折射率变化，引起相位调制，从而背向瑞利散射光强度发生相应改变，因此根据其变化量可判断有无振动以及振动发生的位置信息，并通过分析不同时刻散射光的变化，可解析获取振动信息，通过分析背向瑞利散射光的强度分析光纤的损耗衰减特性，用于检测传感光纤的弯曲、断裂情况。
本发明实施例通过探测背向布里渊散射光，基于BOTDR(布里渊光时域反射)技术，实现分布式光纤温度和微变形的实时监测。单根光纤探测距离最大可超过50公里，距离分辨率及定位精度最高可达1米，温度监测精度为1摄氏度，应变监测精度为20微应变。温度及应变解析原理为：
布里渊频移VB、功率PB与温度ΔT和应变Δε的关系模型为：
其中，VB0、PB0分别为参考温度、应变下的布里渊频移和功率；ΔT和Δε分别为温度和应变的变化量；CVT、CVε、CPT、CPε分别为布里渊频移、功率的温度和应变系数。
由此可得光纤上z处的温度T(z)和应变ε(z)可以表示为：
其中，T0和ε0是对应于(VB0,PB0)的参考温度和应变。
本发明实施例提供的基于分布式光纤传感的风机叶片状态监测方法，能够实现对风机叶片的应力、温度及振动等多参量的融合实时监测，监测信息全面；通过集成瑞利散射光探测模块和布里渊散射光探测模块，实现了通常情况下需要两套独立监测系统才能实现的监测功能，扩展了监测功能，大幅降低了成本，提升了监测效率；同时通过背向瑞利散射光的强度分析光纤的损耗衰减特性，用于检测传感光纤的弯曲、断裂情况，并通过背向布里渊散射光的强度分析光纤的温度和微变形情况，能够对光纤状态进行全面监测，使得监测结果准确可靠。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测装置，其特征在于，包括：监测模块、光发射模块、光探测模块、控制模块、电源模块及通信模块，其中：
监测模块采用一根光纤，粘覆在风机叶片外表面作为监测传感器及数据传输通道；
光发射模块用于向光纤内发射脉冲激光；
光探测模块用于探测从光纤射出的背向散射光信息；
电源模块用于给各模块提供电源；
控制模块均与光发射模块、光探测模块、通信模块、电源模块连接，用于向光发射模块、光探测模块发送控制指令，以及接收光发射模块、光探测模块获取的信息，解析出叶片的振动信息、应变信息及温度信息作为监测结果；
通信模块用于各个模块之间的数据传输，以及将控制模块的监测结果发送至机组主控系统或监测中心。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤布置于叶片外表面，从风机叶片的叶根铺向叶尖时，粘覆在风机叶片外表面的前缘部分，从叶尖铺向叶根时，粘覆在叶片外表面腹板，光纤通过以上方式在叶片外表面进行一轮或多轮布置。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，风机叶片的多支叶片共同铺设完整的一根光纤，或每支叶片单独铺设一根光纤。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，光探测模块包括瑞利散射光探测单元、布里渊散射光探测单元和光开关，瑞利散射光探测单元和布里渊散射光探测单元的光路通过控制模块控制光开关进行切换，其中光开关的动作与光发射模块发射的脉冲激光进行协同配合，使得光开关的切换时间及光开关各状态保持时间满足以下要求：
(k-1)(t1+t2)≥ΔT (3)
式中，T1为光开关处于第一状态的持续时间，T2为光开关处于第二状态的持续时间，t1为脉冲激光的脉冲持续时间，t2为脉冲激光的间隔时间，k1为光开关处于第一状态所对应的激光脉冲个数，k2为光开关处于第二状态所对应的激光脉冲个数，L为光纤长度，n为光纤折射率，C为真空中光速，k为k1、k2中较小值，ΔT为光开关动作响应延时。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，控制模块包括机舱控制单元和轮毂控制单元，所述轮毂控制单元用户获取叶片的状态信息并发送机舱控制单元，机舱控制单元对接收到叶片的状态信息进行分析得到监测结果，机舱控制单元和轮毂控制单元之间通过有线或无线方式通讯。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述轮毂控制单元或机舱控制单元包括：
相位敏感光时域反射分析单元，用于分析光信号解析叶片的振动信息；布里渊光时域反射分析单元，用于分析光信号解析叶片的应变、温度信息，根据光开关切换状态自动选择分析单元。
7.一种基于分布式光纤传感的风电机组叶片状态监测方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一所述的装置，其特征在于，包括：
S1：上电后控制模块内的监测程序开始运行并完成初始化，完成系统自检；
S2：光发射模块向光纤发射脉冲激光光信号；
S3：光探测模块中接收反射的光信号；
S4：控制模块计算入射光与接收到背向散射光的时间差进行散射点的定位，并分析解析出叶片的振动信息、应变信息及温度信息得到监测结果；
S5：控制模块将监测结果通过通信模块反馈给机组主控系统或监测中心；
S6：经过预设延时时间后，进入S2进行循环。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述振动信息用于分析诊断叶片的结构损伤、裂纹及覆冰厚度；所述应变信息用于分析诊断叶片的载荷、桨距角偏差及气动不平衡；所述温度信息用于分析诊断叶片的表面温度分布及覆冰情况。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
步骤S3中光探测模块采用瑞利散射光探测单元或布里渊散射光探测单元接收反射的光信号；
步骤S3、S4中控制模块控制光探测模块通过切换光开关，循环控制光探测模块的瑞利散射光探测单元或布里渊散射光探测单元接收反射的光信号，当切换至瑞利散射光探测单元时利用相位敏感光时域反射分析单元，分析光信号解析叶片的振动信息，当切换至布里渊散射光探测单元利用布里渊光时域反射分析单元，分析光信号解析叶片的应变、温度信息。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制模块通过背向瑞利散射光的强度分析光纤的损耗衰减特性，用于检测传感光纤的弯曲、断裂情况，并通过背向布里渊散射光的强度分析光纤的温度和微变形情况。
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