CN206019996U - 一种风电机组的预警机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风电机组的预警机构，风电机组包括风机塔筒，风机塔筒包括塔筒和法兰组件，预警机构包括三向加速度传感器、振动信号实时调理系统、模态实时采集与谱分析系统、多个力传感器组件、多个应变信号实时调理系统、多个应变实时采集分析系统、实时频谱比较系统、实时应变比较系统、判断系统以及数据输出系统。本实用新型通过动静结合的监测方式，分别采用加速度传感器和螺栓紧固力传感器进行检测，通过在风力发电机组塔筒上部安装加速度传感器，定时发送检测信号，从而监测系统的模态变化情况，根据监测点检测到的模态变化情况，从而对系统故障做出预判断，分析其中是否包含由于螺栓松动引起的模态改变，据此确定是否有法兰螺栓松动问题。

Description

一种风电机组的预警机构

技术领域

本实用新型涉及风力发电机领域，具体涉及一种风电机组的预警机构。

背景技术

由于风电机组往往地处偏远，环境恶劣导致设备维护人员不能进行人工巡检，加之针对风机的现有监测手段落后以及维护人员经验不足，由此导致的风机损坏、倒塌事故常有发生。

塔筒作为风力发电机组支撑结构，其结构的稳定性决定了风机的安全性。运转过程中，塔筒要承受自身重力、风推力、叶轮的扭力等复杂交变载荷影响，塔筒各部分之间连接法兰的螺栓容易出现松动的现象，给风机带来很大的安全隐患。因此，为提高风机安全性能，监测法兰连接螺栓工作状态是非常必要的。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型的发明目的在于提供一种风电机组的预警机构，其实时监测塔筒振动形式和法兰螺栓工作状态，判断是否发生螺栓松动，并及时报警；还能够准确定位失效螺栓，缩短故障排查时间。

为实现上述发明目的，本实用新型提供以下的技术方案：一种风电机组的预警机构，所述风电机组包括风机塔筒，所述风机塔筒包括自下而上依次设置的多段塔筒和分别设置在相邻的两段塔筒之间的多层法兰组件，所述预警机构包括：

三向加速度传感器，其设置在位于最上方的塔筒的顶部，用于对整个所述风机塔筒的振动状态进行检测；

振动信号实时调理系统，其与所述三向加速度传感器电连接，用于对所述三向加速度传感器的信号进行调理；

模态实时采集与谱分析系统，其与所述振动信号实时调理系统电连接，用于对调理后的所述三向加速度传感器的信号进行实时采集和谱分析后得到实时频谱；

多个力传感器组件，其分别设置在所述多层法兰组件中，每个所述力传感器组件用于对其所在层的法兰的应变状态进行检测；

多个应变信号实时调理系统，其分别与所述多个力传感器组件电连接，每个所述应变信号实时调理系统用于对其所连接的力传感器组件的一组信号进行调理；

多个应变实时采集分析系统，其分别与所述多个应变信号实时调理系统电连接，每个所述应变实时采集分析系统用于对其所连接的应变信号实时调理系统调理后的力传感器组件的一组信号进行实时采集和相互对比后得到一个实时应力差值；

实时频谱比较系统，其与所述模态实时采集与谱分析系统电连接，用于将实时频谱与设定频谱进行对比后得到频谱比较结果；

实时应变比较系统，其与所述多个应变实时采集分析系统电连接，用于将多个所述实时应力差值与多个设定应力差值分别对比后得到应变比较结果；

判断系统，其分别与所述实时频谱比较系统和所述实时应变比较系统电连接，用于对所述频谱比较结果和应变比较结果同时与设定比较结果进行对比后得到判断结果；

数据输出系统，其与所述判断系统电连接，用于输出所述判断结果；

其中，每个所述力传感器组件包括沿水平环向设置在同一层法兰组件中的多个力传感器，每个所述应变信号实时调理系统与同一层法兰组件中的多个力传感器电连接。

上述技术方案中，所述法兰组件包括设置在位于上侧的塔筒的下端的上层法兰、设置在位于下侧的塔筒的上端的下层法兰、上下穿接所述上层法兰和所述下层法兰的螺栓以及与所述螺栓螺纹连接并且锁紧所述上层法兰和所述下层法兰的螺母，所述力传感器为设置在螺栓与螺栓孔之间的螺栓紧固力传感器和/或设置在上层法兰和下层法兰之间的压力传感器。

上述技术方案中，所述振动信号实时调理系统包括用于对所述三向加速度传感器的信号进行放大的第一适调放大器和进行模数转换的第一ADC转换器，所述应变信号实时调理系统包括用于对力传感器组件的一组信号进行放大的第二适调放大器和进行模数转换的第二ADC转换器。

上述技术方案中，所述模态实时采集与谱分析系统包括用于采集、分析以及存储三向加速度传感器的信号的第一MCU微处理器和用于控制所述第一MCU微处理器的第一数据采集控制器，每个所述应变实时采集分析系统包括用于采集、比较以及存储同一层法兰的力传感器组件的一组信号的第二MCU微处理器和用于控制所述第二MCU微处理器的第二数据采集控制器。

上述技术方案中，所述数据输出系统为声讯报警器和/或光讯报警器。

上述技术方案中，所述三向加速度传感器、所述振动信号实时调理系统以及所述模态实时采集与谱分析系统构成现场模态检测单元，所述多个力传感器组件、所述多个应变信号实时调理系统以及所述多个应变实时采集分析系统构成现场应变检测单元，所述实时频谱比较系统、所述实时应变比较系统、所述判断系统以及所述数据输出系统构成远程监控单元，所述现场模态检测单元和所述现场应变检测单元通过数据传输网络与所述远程监控单元电连接。

上述技术方案中，所述现场模态检测单元和所述现场应变检测单元还配置有供电单元，所述供电单元包括电源管理PMU，所述电源管理PMU的输入端通过AC/DC转换器与现场的风电机组电源连接和/或通过DC/DC转换器与太阳能电源连接和/或与蓄电池直接连接，所述电源管理PMU的输出端分别与所述现场模态检测单元和所述现场应变检测单元电连接。

上述技术方案中，若干所述风机塔筒通过数据传输网络连接后构成一个风电群，每个所述风电群设置有一个用于打包本群所有数据的群控制器，所述群控制器的输出端通过数据传输网络与所述远程监控单元电连接。

上述技术方案中，若干所述风电群之间通过数据传输网络连接后再通过数据传输网络与所述远程监控单元电连接。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型通过动静结合的监测方式，分别采用两种传感器进行监测，即加速度传感器和螺栓紧固力传感器，通过在风力发电机组塔筒上部安装加速度传感器，定时发送检测信号，从而监测该系统的模态变化情况，根据监测点检测到的模态变化情况，从而对系统故障做出预判断，分析其中是否包含由于螺栓松动引起的模态改变，据此确定是否有法兰螺栓松动问题，通过在每层法兰沿圆周均布螺栓紧固力传感器，实时监测连接法兰部位的螺栓工作状态，其松动变化将直接导致其螺栓内部紧固力变化，固定于螺栓内的应变式传感器，将根据应变大小输出相应的电信号给数据采集分析设备，数据采集分析设备将会对采集的数据进行分析和比较，并通过网络传送给远程监控系统，远程监控人员根据传送来的数据结合加速度传感器采集信息分析结果做出预判断，从而做出对设备进行维护与否的定论。

附图说明

图1为本实用新型公开的风电机组的风机塔筒的结构示意图；

图2为本实用新型公开的法兰组件的连接示意图；

图3为本实用新型公开的预警机构的组成方框图；

图4为本实用新型公开的预警机构的振动信号实时调理系统、模态实时采集与谱分析系统、应变信号实时调理系统以及应变实时采集分析系统的连接示意图；

图5为本实用新型公开的供电单元的组成方框图；

图6为本实用新型公开的同一风电群中多个风机塔筒的连接示意图；

图7为本实用新型公开的多个风电群的连接示意图。

其中，110、塔筒；120、法兰组件；121、上层法兰；122、下层法兰；123、螺栓；124、螺母；201、三向加速度传感器；202、振动信号实时调理系统；202-1、第一适调放大器；202-2、第一ADC转换器；203、模态实时监测与谱分析系统；203-1、第一MCU微处理器；203-2、第一数据采集控制器；204、力传感器；205、应变信号实时调理系统；205-1、第二适调放大器；205-2、第二ADC转换器；206、应变实时检测分析系统；206-1、第二MCU微处理器；206-2、第二数据采集控制器；207、实时频谱比较系统；208、实时应变比较系统；209、判断系统；210、数据输出系统；211、电源管理PMU；212、AC/DC转换器；213、现场的风电机组电源；214、DC/DC转换器；215、太阳能；216、蓄电池；217、电源切换模块；218、群控制器；200a、现场模态检测单元；200b、现场应变检测单元；200c、远程监控单元；200d、数据传输网络；200e、供电单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

参见图1至图7，如其中的图例所示，一种风电机组的预警机构：

上述风电机组包括风机塔筒，该风机塔筒包括自下而上依次设置的十段塔筒110和分别设置在相邻的两段塔筒110之间的九层法兰组件120，每层法兰组件120包括设置在位于上侧的塔筒的下端的上层法兰121、设置在位于下侧的塔筒的上端的下层法兰122、上下穿接该上层法兰和该下层法兰的均布的四个螺栓123以及与螺栓123螺纹连接并且锁紧上层法兰121和下层法兰122的四个螺母124。

上述预警机构包括：

一个三向加速度传感器201，其设置在位于最上方的塔筒的顶部，用于对整个风机塔筒的振动状态进行检测；

一个振动信号实时调理系统202，其与所述三向加速度传感器201电连接，用于对三向加速度传感器201的信号进行调理；

一个模态实时采集与谱分析系统203，其与振动信号实时调理系统202电连接，用于对调理后的三向加速度传感器201的信号进行实时采集和谱分析后得到实时频谱；

九个力传感器组件204，其分别设置在九层法兰组件120中，每组力传感器包括沿水平环向分布在同一层法兰组件的螺孔与螺栓之间的四个力传感器，每组力传感器204用于对其所在法兰层的应变状态进行检测；

九个应变信号实时调理系统205，其分别与九组力传感器205电连接，每个应变信号实时调理系统用于对其连接的四个力传感器测得的四个信号进行调理；

九个应变实时采集分析系统206，其分别与九个应变信号实时调理系统205电连接，每个应变实时采集分析系统对其连接的应变信号实时调理系统调理后的四个力传感器的四个信号进行对比后得到四个实时应力差值；

实时频谱比较系统207，其与模态实时采集与谱分析系统203电连接，用于将实时频谱与设定频谱进行比较后，得出整个风机塔筒是否因螺栓松动引起的模态改变的频谱比较结果；

实时应变比较系统208，其与九个应变实时采集分析系统204电连接，用于将九个实时应力差值与九个设定应力值进行比较后，得出螺栓松动所在的法兰层的应变比较结果；

判断系统209，其分别与实时频谱比较系统207和实时应变比较系统208电连接，用于对上述频谱比较结果和上述第二结果综合分析后得到判断结果；

数据输出系统210，其与判断系统209电连接，用于输出判断结果。

其中，对应连接的一力传感器组件、一应变信号实时调理系统、一应变实时采集分析系统构成可单独控制的控制通道，多个控制通道可集中控制。

其中，振动信号实时调理系统202包括用于对振动信号进行放大的第一适调放大器202-1和模数转换的第一ADC转换器202-2，应变信号实时调理系统205包括用于对应变信号进行放大的第二适调放大器205-1和模数转换的第二ADC转换器205-2。

模态实时采集与谱分析系统203包括用于采集、分析以及存储三向加速度传感器201的信号的第一MCU微处理器203-1和用于控制第一MCU微处理器203-1的第一数据采集控制器203-2，每个应变实时采集分析系统206包括用于采集、比较以及存储同一层法兰的四个力传感器的四个信号的第二MCU微处理器206-1和用于控制第二MCU微处理器206-1的第二数据采集控制器206-2。

三向加速度传感器201、第一适调放大器202-1、第一ADC转换器202-2、第一MCU微处理器203-1以及第一数据采集控制器203-2构成现场模态检测单元200a，九组力传感器204、九个适调放大器205-1、九个第二ADC转换器205-2、九个第二MCU微处理器206-1以及九个第二数据采集控制器206-2构成现场应变检测单元200b，实时频谱比较系统207、实时应变比较系统208、判断系统209以及数据输出系统210构成远程监控单元200c，现场模态检测单元200a和现场应变检测单元200b通过数据传输网络200d与远程监控单元200c电连接。

现场模态检测单元200a和现场应变检测单元200b还配置有供电单元200e，供电单元200e包括电源管理PMU 211，电源管理PMU211通过AC/DC转换器212与现场的风电机组电源213连接和/或通过DC/DC转换器214与太阳能电源215连接和/或与蓄电池216直接连接，最优的方式为，蓄电池216与电源管理211保持连接，现场的风电机组电源213和太阳能215通过电源切换模块217与电源管理PMU切换连接。

上述数据输出系统210为报警装置，根据判断结果不报警或报警。。

若干上述风机塔筒构成一个风电群，每个风电群设置有一个用于打包本群所有数据的群控制器，群控制器223与远程监控单元200c电连接，群内部可以为星型或者总线结构。

若干风电群之间通过数据传输网络连接后再通过数据传输网络与远程监控单元电连接，群与群之间为串行总线结构。

本实用新型通过制作塔筒缩比模型，通过输入相应的激励模拟其振动形式，按照实际情况松动每层某几颗螺栓并记录其振动形式变化，作为塔筒振动形式判据，从而可以判断塔筒的振动中是否包含由于螺栓松动引起的分量，并且根据试验数据对比得到松动螺栓位于哪层法兰，为之后的松动螺栓定位提供依据。作为比较，建立塔筒及其部件的有限元模型，模拟其工作环境，得到塔筒振动仿真结果。

本实用新型采用“动静结合”的判定方式，配合以高效的信息传输处理系统，并以试验数据作为参考阈值，最终达到监测各层法兰螺栓工作状态的目的。即首先进行缩比模型试验和仿真计算并收集相关试验和计算数据；现场通过在风机塔筒的特定位置加装加速度传感器，配备专用数据采集系统实时收集塔筒振动状态并对信号进行谱分析，将缩比模型试验和仿真计算结果作为参照，判断是否出现异常振动形式；同时在各层法兰特定位置布置力传感器监测螺栓紧固力，当加速度传感器判断出现螺栓松动之后，通过力传感器将其定位，为机组的维修提供指导和建议。

本实用新型的“动静结合”监测方式分别采用两种传感器进行监测，即加速度传感器和螺栓紧固力传感器。

通过在风力发电机组塔筒上部安装加速度传感器(直接螺接固定)，定时发送检测信号，从而监测该系统的模态变化情况；根据监测点检测到的模态变化情况，从而对系统故障做出预判断，分析其中是否包含由于螺栓松动引起的模态改变，据此确定是否有法兰螺栓松动问题。通过在每层法兰沿圆周均布4组螺栓紧固力传感器，实时监测连接法兰部位的螺栓工作状态，其松动变化将直接导致其螺栓内部紧固力变化，固定于螺栓内的应变式传感器将根据应变大小输出相应的电信号给数据采集分析设备，数据采集分析设备将会对采集的数据进行分析和比较，并通过网络传送给远程监控系统，远程监控人员根据传送来的数据结合加速度传感器采集信息分析结果做出预判断，从而做出对设备进行维护与否的定论。

关于供电单元：目前风电机组存在发电和停用两种工作状态，本实用新型采取的供电方式：风电筒直接供电+第二电源(太阳能+蓄电池)，PMU单元采用微处理器控制，可以实时监测供电状态，如果日照时间短的地区，可以采用微型风电供电。由于监控系统为低功耗设计，因此，10W以下的供电功率即可满足监控系统正常工作之需求。

模态实时检测与谱分析系统采用高精度24bit ADC及低功耗微处理器，现场模态检测单元和现场应变检测单元的内部之间的数据传输采用RS485网络。

单个风机塔筒的所有节点数据均由数据采集控制器控制进行本地存储，并进行实时数据分析，正常状态下，仅传输分析结果，也可以根据需要来传输单个节点的数据，远端监控计算机将实时接收各个风筒群的监控数据，一旦发现异常风筒，将及时进行报警。同时可以远程调取异常风筒的本地存储数据，供技术人员进行详细的分析。

其中上述数据采集控制器可以为单通道单独控制或多通道集中控制。

数据传输网络方式：考虑到风电网络的现状，可以采取3种方式，具体实施过程中，要根据风电场的实际情况而定。

1、采用现有的风电健康数据传输系统(光纤网、电力线载波、现有的无线数据传输网等)；

2、局域WIFI：可以用于节点－群控制器之间的数据传输；

3、移动GS多网络：可靠性高，成本较低，可以使用GPRS，仅适用于有手机网络的地区。

以上为对本实用新型实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种风电机组的预警机构，所述风电机组包括风机塔筒，所述风机塔筒包括自下而上依次设置的多段塔筒和分别设置在相邻的两段塔筒之间的多层法兰组件，其特征在于，所述预警机构包括：

三向加速度传感器，其设置在位于最上方的塔筒的顶部，用于对整个所述风机塔筒的振动状态进行检测；

振动信号实时调理系统，其与所述三向加速度传感器电连接，用于对所述三向加速度传感器的信号进行调理；

模态实时采集与谱分析系统，其与所述振动信号实时调理系统电连接，用于对调理后的所述三向加速度传感器的信号进行实时采集和谱分析后得到实时频谱；

多个力传感器组件，其分别设置在所述多层法兰组件中，每个所述力传感器组件用于对其所在层的法兰的应变状态进行检测；

多个应变信号实时调理系统，其分别与所述多个力传感器组件电连接，每个所述应变信号实时调理系统用于对其所连接的力传感器组件的一组信号进行调理；

多个应变实时采集分析系统，其分别与所述多个应变信号实时调理系统电连接，每个所述应变实时采集分析系统用于对其所连接的应变信号实时调理系统调理后的力传感器组件的一组信号进行实时采集和相互对比后得到一个实时应力差值；

实时频谱比较系统，其与所述模态实时采集与谱分析系统电连接，用于将实时频谱与设定频谱进行对比后得到频谱比较结果；

实时应变比较系统，其与所述多个应变实时采集分析系统电连接，用于将多个所述实时应力差值与多个设定应力差值分别对比后得到应变比较结果；

判断系统，其分别与所述实时频谱比较系统和所述实时应变比较系统电连接，用于对所述频谱比较结果和应变比较结果同时与设定比较结果进行对比后得到判断结果；

数据输出系统，其与所述判断系统电连接，用于输出所述判断结果；

其中，每个所述力传感器组件包括沿水平环向设置在同一层法兰组件中的多个力传感器，每个所述应变信号实时调理系统与同一层法兰组件中的多个力传感器电连接。

2.根据权利要求1所述的风电机组的预警机构，其特征在于，所述法兰组件包括设置在位于上侧的塔筒的下端的上层法兰、设置在位于下侧的塔筒的上端的下层法兰、上下穿接所述上层法兰和所述下层法兰的螺栓以及与所述螺栓螺纹连接并且锁紧所述上层法兰和所述下层法兰的螺母，所述力传感器为设置在螺栓与螺栓孔之间的螺栓紧固力传感器和/或设置在上层法兰和下层法兰之间的压力传感器。

3.根据权利要求1所述的风电机组的预警机构，其特征在于，所述振动信号实时调理系统包括用于对所述三向加速度传感器的信号进行放大的第一适调放大器和进行模数转换的第一ADC转换器，所述应变信号实时调理系统包括用于对力传感器组件的一组信号进行放大的第二适调放大器和进行模数转换的第二ADC转换器。

4.根据权利要求1所述的风电机组的预警机构，其特征在于，所述模态实时采集与谱分析系统包括用于采集、分析以及存储三向加速度传感器的信号的第一MCU微处理器和用于控制所述第一MCU微处理器的第一数据采集控制器，每个所述应变实时采集分析系统包括用于采集、比较以及存储同一层法兰的力传感器组件的一组信号的第二MCU微处理器和用于控制所述第二MCU微处理器的第二数据采集控制器。

5.根据权利要求1所述的风电机组的预警机构，其特征在于，所述数据输出系统为声讯报警器和/或光讯报警器。

6.根据权利要求1所述的风电机组的预警机构，其特征在于，所述三向加速度传感器、所述振动信号实时调理系统以及所述模态实时采集与谱分析系统构成现场模态检测单元，所述多个力传感器组件、所述多个应变信号实时调理系统以及所述多个应变实时采集分析系统构成现场应变检测单元，所述实时频谱比较系统、所述实时应变比较系统、所述判断系统以及所述数据输出系统构成远程监控单元，所述现场模态检测单元和所述现场应变检测单元通过数据传输网络与所述远程监控单元电连接。

7.根据权利要求6所述的风电机组的预警机构，其特征在于，所述现场模态检测单元和所述现场应变检测单元还配置有供电单元，所述供电单元包括电源管理PMU，所述电源管理PMU的输入端通过AC/DC转换器与现场的风电机组电源连接和/或通过DC/DC转换器与太阳能电源连接和/或与蓄电池直接连接，所述电源管理PMU的输出端分别与所述现场模态检测单元和所述现场应变检测单元电连接。

8.根据权利要求1所述的风电机组的预警机构，其特征在于，若干所述风机塔筒通过数据传输网络连接后构成一个风电群，每个所述风电群设置有一个用于打包本群所有数据的群控制器，所述群控制器的输出端通过数据传输网络与远程监控单元电连接。

9.根据权利要求8所述的风电机组的预警机构，其特征在于，若干所述风电群之间通过数据传输网络连接后再通过数据传输网络与所述远程监控单元电连接。