CN116517791A - 基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统及方法，包括机舱激光雷达、振动传感器、多激光雷达测风平台、中控服务器；所述多激光雷达测风平台包括第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达、振动台；第三激光雷达设置于振动台上；所述振动台包括振动控制器、振动执行器；激光雷达均设置有探测器、高速模数转换模块、数据处理模块。本发明通过对多个激光雷达的探测器数据进行对比，获取准确的振动偏移量，对机舱激光雷达原始数据进行修正，使激光雷达能够工作在多种复杂恶劣环境下，提高了激光雷达的适用性。

Description

基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统及方法

技术领域

本发明涉及测风监控技术领域，尤其涉及一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统及方法。

背景技术

风能作为可再生性能源的关键构成部分，因其技术的逐步完善、成本费持续降低，成为世界各国清洁能源的重要选择。为了提高风电效能，学界开展了风电机组的偏航控制、变桨控制、功率曲线修正等众多技术应用，而上述技术应用中的关键环节就是测风环节。激光雷达测风的原理是通过发射激光脉冲，当脉冲流过流体后发生散射，再通过分析发出的激光光束和散射光束之间的多普勒频移来计算出风速。

但是，风电场环境恶劣复杂，在风电机舱上方设置的激光测风雷达不但处于机舱工作带来的长期振动环境中，还时常要应对极端风况、冰雹敲打等偶发性恶劣环境。而激光测风雷达是一种精密的光电仪器，这种恶劣环境会影响激光测风雷达的精度。并且长时间的恶劣环境会导致误差累积，甚至导致激光雷达测风数据失准，这种情况下，将无法为偏航控制提供有效的前馈控制量，导致偏航控制的失败。

现有技术中发明专利CN115370535A提出一种大型风力发电机组偏航精准对风方法及系统，利用SCADA采集到的数据与激光雷达测风仪测的数据，将两个数据进行校核，再将数据下发至风电机组的SCADA控制系统，进行风机机组偏航精准对风，实现不降低风电机组输出功率，有效减少无效偏航次数，降低偏航机械部件磨损，延长使用寿命。但是，该发明未考虑多种环境下，尤其是极端天气对激光雷达测风的影响。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种环保数据在线实时监测系统及方法。

技术方案：

第一方面，本发明提出一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统，包括机舱激光雷达、振动传感器、多激光雷达测风平台、中控服务器；

可选地，所述多激光雷达测风平台包括第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达、振动台；

第三激光雷达设置于振动台上；

所述振动台包括振动控制器、振动执行器；激光雷达均设置有探测器、高速模数转换模块、数据处理模块；

其中，第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达均匀间隔布置于以预设测风位置点为圆心、以预设测风距离为半径的水平面圆周上；

将第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达的探测器方向均朝向所述预设测风位置。

可选地，机舱激光雷达设置于机舱上方、叶轮后方；

振动传感器设置于激光雷达主体上，用于采集三维振动数据；

中控服务器对三维振动数据进行分析处理，生成振动控制信息并发送至振动控制器。

可选地，所述探测器接收回波信号的检测数据；

所述高速模数转换模块对探测器检测数据进行模数转换；

所述数据处理模块对模数转换后的数据进行时频转换获取频域数据；

中控服务器根据频域数据获取振动偏移量，用于修正机舱激光雷达的原始数据。

第二方面，本发明还提供了一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控方法，可选地，该方法包括：

S1、采集机舱三维振动数据；

S2、分析处理三维振动数据，进行振动模拟；

S3、基于多激光雷达测风平台并分析振动偏移量；

S31、布置多激光雷达与振动台，获取激光雷达的探测器检测数据；

S32、获取方位偏移量；

高速模数转换模块对A1和A2进行模数转换处理；

数据处理模块对模数转换处理之后的数据进行傅里叶变换，获取频域数据B1和B2；

中控服务器对比两者的频域数据B1和B2，获得方位偏移量；

S33、获取振动偏移量；

高速模数转换模块对A2和A3进行模数转换处理；

数据处理模块对模数转换处理之后的数据进行傅里叶变换，获取频域数据B2和B3；

中控服务器对比两者的频域数据B2和B3，获得差异参数；

中控服务器基于差异参数与所述方位偏移量，获得振动偏移量；

S4、判断机舱激光雷达数据有效性；

S5、激光雷达数据处理模块设置数据有效性的标志位；

S6、修正机舱激光雷达的原始数据。

可选地，所述步骤S1包括：

于机舱上方、叶轮后方布置激光雷达，于激光雷达主体上设置振动传感器，采集三维振动数据，并将三维振动数据发送至中控服务器。

可选地，所述步骤S2包括：

中控服务器对三维振动数据进行分析处理；

获取高频振动数据与低频振动数据；

基于高频振动数据生成第一振动控制信息，将第一振动控制信息发送至振动控制器；

基于低频振动数据生成第二振动控制信息，将第二振动控制信息发送至振动控制器。

可选地，所述步骤S31包括：

将第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达均匀间隔布置于以预设测风位置点为圆心、以预设测风距离为半径的水平面圆周上；其中，仅第三激光雷达设置于振动台上；将第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达的探测器方向均朝向所述预设测风位置；

振动控制器按照第一振动控制信息控制振动执行器，采集第一激光雷达的探测器检测数据A1、第二激光雷达的探测器检测数据A2、第三激光雷达的探测器检测数据A3。

可选地，所述步骤S4包括：

包括：如果预设时段内振动偏移量的平均幅值小于第一阈值，则判断激光雷达数据有效，且不必对机舱激光雷达的原始数据进行修正；

如果预设时段内振动偏移量的平均幅值大于第二阈值，则进入步骤S5；

如果预设时段内振动偏移量的平均幅值在第一阈值与第二阈值之间，则判断激光雷达数据有效，且进入步骤S6。

可选地，所述步骤S6包括：

获取机舱激光雷达的原始数据，进行时频转换得到机舱激光雷达的原始频域数据；

选取振动偏移量中幅值超过预设值的频点数据，作为振动修正量；

将所述原始频域数据与振动修正量作差，得到修正后的机舱激光雷达频域数据；

分析修正后的机舱激光雷达频域数据的主频分量，获得多普勒频移；

根据多普勒频移获得风速监测数据。

可选地，在所述步骤S6之后还包括：

S7、判断相邻两时段内，高频振动数据的幅值的均值之差是否超过阈值，若是，则更新第一振动控制信息，重新计算振动偏移量。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明提供一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统及方法，即使在恶劣复杂的工作环境之下，也能够对激光雷达的测风数据进行修正，使激光雷达能够工作在多种环境下，提高了激光雷达的适用性。

2、本发明通过设置多激光雷达测风平台，通过对多个激光雷达的探测器数据进行对比，分析其间差异，从而提取出方位差异与振动差异，从频域数据的差异中滤除方位偏移量，获取准确的振动偏移量。

3、本发明基于振动偏移量判断数据有效性，根据数据有效性视情况选择进行数据修正，或者判断数据无效，能够保证偏航控制系统中前馈控制的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多激光雷达测风平台结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控方法流程图；

图4为本发明实施例提供的一种基于多激光雷达测风平台并分析振动偏移量的方法流程图。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例一：

本发明实施例提供一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统，具体请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统结构示意图，系统包括机舱激光雷达、振动传感器、多激光雷达测风平台、中控服务器；

可选地，关于多激光雷达测风平台，具体请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种多激光雷达测风平台结构示意图，所述多激光雷达测风平台包括第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达、振动台；

第三激光雷达设置于振动台上；

所述振动台包括振动控制器、振动执行器；激光雷达均设置有探测器、高速模数转换模块、数据处理模块；

其中，第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达均匀间隔布置于以预设测风位置点为圆心、以预设测风距离为半径的水平面圆周上；

将第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达的探测器方向均朝向所述预设测风位置。

可选地，机舱激光雷达设置于机舱上方、叶轮后方；

振动传感器设置于激光雷达主体上，用于采集三维振动数据；

中控服务器对三维振动数据进行分析处理，生成振动控制信息并发送至振动控制器。

可选地，所述探测器接收回波信号的检测数据；

所述高速模数转换模块对探测器检测数据进行模数转换；

所述数据处理模块对模数转换后的数据进行时频转换获取频域数据；

中控服务器根据频域数据获取振动偏移量，用于修正机舱激光雷达的原始数据。

实施例二：

本发明实施例还提供了一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控方法，具体请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控方法流程图，该方法包括步骤：

S1、采集机舱三维振动数据；

可选地，所述步骤S1包括：

于机舱上方、叶轮后方布置激光雷达，于激光雷达主体上设置振动传感器，采集三维振动数据，并将三维振动数据发送至中控服务器。

S2、分析处理三维振动数据，进行振动模拟；

可选地，所述步骤S2包括：

中控服务器对三维振动数据进行分析处理；

获取高频振动数据与低频振动数据；

基于高频振动数据生成第一振动控制信息，将第一振动控制信息发送至振动控制器；

基于低频振动数据生成第二振动控制信息，将第二振动控制信息发送至振动控制器。

本发明分别对高频振动和低频振动进行区分处理，其中，第一振动控制信息用于模拟风机工作时机舱产生的干扰振动，第二振动信息用于模拟极端天气下产生的偶发性干扰振动；这样，能够根据实际需要来分析不同原因造成干扰振动对激光雷达测风造成的影响。

S3、基于多激光雷达测风平台并分析振动偏移量；具体请参考图4，图4为本发明实施例提供的一种基于多激光雷达测风平台并分析振动偏移量的方法流程图，包括：

S31、布置多激光雷达与振动台，获取激光雷达的探测器检测数据；

可选地，所述步骤S31包括：

将第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达均匀间隔布置于以预设测风位置点为圆心、以预设测风距离为半径的水平面圆周上；其中，仅第三激光雷达设置于振动台上；将第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达的探测器方向均朝向所述预设测风位置；

振动控制器按照第一振动控制信息控制振动执行器，采集第一激光雷达的探测器检测数据A1、第二激光雷达的探测器检测数据A2、第三激光雷达的探测器检测数据A3。

S32、获取方位偏移量；

高速模数转换模块对A1和A2进行模数转换处理；

数据处理模块对模数转换处理之后的数据进行傅里叶变换，获取频域数据B1和B2；

中控服务器对比两者的频域数据B1和B2，获得方位偏移量；

S33、获取振动偏移量；

高速模数转换模块对A2和A3进行模数转换处理；

数据处理模块对模数转换处理之后的数据进行傅里叶变换，获取频域数据B2和B3；

中控服务器对比两者的频域数据B2和B3，获得差异参数；

中控服务器基于差异参数与所述方位偏移量，获得振动偏移量；

理想情况下，第一激光雷达与第二激光雷达均未处于振动场景中，且两者对于相同的预设测风位置进行风速测量，A1与A2理论数据应当相同。但是激光雷达的测量原理是发射激光，经过大气分子和气溶胶粒子散射返回，通过探测器进行接收、处理分析。若两激光雷达处于不同的水平位置，从不同水平方位进行风速测量，则激光与大气分子和/或气溶胶粒子的移动方向的角度不同，则两激光雷达测量的数据之间存在一定的方位误差。因此，第一激光雷达的探测器检测数据A1、第二激光雷达的探测器检测数据A2之间存在方位偏移误差，同样道理，第二激光雷达的探测器检测数据A2、第三激光雷达的探测器检测数据A3也存在方位偏移误差。本发明通过设置多激光雷达测风平台来分析方位偏移量，从而获取准确的振动偏移量。第二激光雷达的探测器检测数据A2、第三激光雷达的探测器检测数据A3之间的差异不仅体现在方位偏移导致的差异，还体现在振动导致的差异。因此，为了获取振动偏移量，需要从A2与A3的差异参数中滤除方位偏移导致的差异。

本发明通过设置多激光雷达测风平台，通过对多个激光雷达的探测器数据进行对比，分析其间差异，从而提取出方位差异与振动差异，从频域数据的差异中滤除方位偏移量，获取准确的振动偏移量。

S4、判断机舱激光雷达数据有效性；

可选地，所述步骤S4包括：

包括：如果预设时段内振动偏移量的平均幅值小于第一阈值，则判断激光雷达数据有效，且不必对机舱激光雷达的原始数据进行修正；

如果预设时段内振动偏移量的平均幅值大于第二阈值，则进入步骤S5；

如果预设时段内振动偏移量的平均幅值在第一阈值与第二阈值之间，则判断激光雷达数据有效，且进入步骤S6。

S5、激光雷达数据处理模块设置数据有效性的标志位；

可选地，步骤S5包括，若预设时段内振动偏移量的平均幅值大于第二阈值，则判断机舱激光雷达数据无效，将数据有效性的标志位置0；

可选地，此时，将偏航系统的前馈控制中的激光雷达数据切出；

S6、修正机舱激光雷达的原始数据。

可选地，所述步骤S6包括：

获取机舱激光雷达的原始数据，进行时频转换得到机舱激光雷达的原始频域数据；

选取振动偏移量中幅值超过预设值的频点数据，作为振动修正量；

将所述原始频域数据与振动修正量作差，得到修正后的机舱激光雷达频域数据；

分析修正后的机舱激光雷达频域数据的主频分量，获得多普勒频移；

根据多普勒频移获得风速监测数据。

可选地，在所述步骤S6之后还包括：

S7、判断相邻两时段内，高频振动数据的幅值的均值之差是否超过阈值，若是，则更新第一振动控制信息，重新计算振动偏移量。

S8、基于修正后的机舱激光雷达的原始数据进行测风计算，并用于偏航系统的前馈控制，和/或用于变桨控制。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应该认为超出本发明的范围。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系属于仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其他任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (10)

1.一种基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统，包括机舱激光雷达、振动传感器、多激光雷达测风平台、中控服务器；

其特征在于，所述多激光雷达测风平台包括第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达、振动台；第三激光雷达设置于振动台上；所述振动台包括振动控制器、振动执行器；激光雷达均设置有探测器、高速模数转换模块、数据处理模块；

其中，第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达均匀间隔布置于以预设测风位置点为圆心、以预设测风距离为半径的水平面圆周上；第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达的探测器方向均朝向所述预设测风位置。

2.根据权利要求1所述的基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统，其特征在于，

机舱激光雷达设置于机舱上方、叶轮后方；

振动传感器设置于机舱激光雷达主体上，用于采集三维振动数据；

中控服务器对三维振动数据进行分析处理，生成振动控制信息并发送至振动控制器。

3.根据权利要求2所述的基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统，其特征在于，

所述探测器接收回波信号的检测数据；

所述高速模数转换模块对探测器检测数据进行模数转换；

所述数据处理模块对模数转换后的数据进行时频转换获取频域数据；

中控服务器根据频域数据获取振动偏移量，用于修正机舱激光雷达的原始数据。

4.一种应用于权利要求1-3中任一项所述基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控系统的基于激光测风雷达的多环境适用风速综合监控方法，其特征在于，该方法包括：

S1、采集机舱三维振动数据；

S2、分析处理三维振动数据，进行振动模拟；

S3、基于多激光雷达测风平台并分析振动偏移量；

S31、布置多激光雷达与振动台，获取激光雷达的探测器检测数据；

S32、获取方位偏移量；

高速模数转换模块对A1和A2进行模数转换处理；

数据处理模块对模数转换处理之后的数据进行傅里叶变换，获取频域数据B1和B2；

中控服务器对比两者的频域数据B1和B2，获得方位偏移量；

S33、获取振动偏移量；

高速模数转换模块对A2和A3进行模数转换处理；

数据处理模块对模数转换处理之后的数据进行傅里叶变换，获取频域数据B2和B3；

中控服务器对比两者的频域数据B2和B3，获得差异参数；

中控服务器基于差异参数与所述方位偏移量，获得振动偏移量；

S4、判断机舱激光雷达数据有效性；

S5、激光雷达数据处理模块设置数据有效性的标志位；

S6、修正机舱激光雷达的原始数据。

5.根据权利要求4所述的环保数据在线实时监测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

于机舱上方、叶轮后方布置激光雷达，于机舱激光雷达主体上设置振动传感器，采集三维振动数据，并将三维振动数据发送至中控服务器。

6.根据权利要求5所述的环保数据在线实时监测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

中控服务器对三维振动数据进行分析处理；

获取高频振动数据与低频振动数据；

基于高频振动数据生成第一振动控制信息，将第一振动控制信息发送至振动控制器；

基于低频振动数据生成第二振动控制信息，将第二振动控制信息发送至振动控制器。

7.根据权利要求6所述的环保数据在线实时监测方法，其特征在于，所述步骤S31包括：

将第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达均匀间隔布置于以预设测风位置点为圆心、以预设测风距离为半径的水平面圆周上；其中，仅第三激光雷达设置于振动台上；将第一激光雷达、第二激光雷达、第三激光雷达的探测器方向均朝向所述预设测风位置；

振动控制器按照第一振动控制信息控制振动执行器，采集第一激光雷达的探测器检测数据A1、第二激光雷达的探测器检测数据A2、第三激光雷达的探测器检测数据A3。

8.根据权利要求7所述的环保数据在线实时监测方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

包括：如果预设时段内振动偏移量的平均幅值小于第一阈值，则判断激光雷达数据有效，且不必对机舱激光雷达的原始数据进行修正；

如果预设时段内振动偏移量的平均幅值大于第二阈值，则进入步骤S5；

如果预设时段内振动偏移量的平均幅值在第一阈值与第二阈值之间，则判断激光雷达数据有效，且进入步骤S6。

9.根据权利要求8所述的环保数据在线实时监测方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

获取机舱激光雷达的原始数据，进行时频转换得到机舱激光雷达的原始频域数据；

选取振动偏移量中幅值超过预设值的频点数据，作为振动修正量；

将所述原始频域数据与振动修正量作差，得到修正后的机舱激光雷达频域数据；

分析修正后的机舱激光雷达频域数据的主频分量，获得多普勒频移；

根据多普勒频移获得风速监测数据。

10.根据权利要求9所述的环保数据在线实时监测方法，其特征在于，在所述步骤S6之后还包括：

S7、判断相邻两时段内，高频振动数据的幅值的均值之差是否超过阈值，若是，则更新第一振动控制信息，重新计算振动偏移量。