CN209115268U - 一种风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及雷电观测领域，特别是涉及一种风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，其包括与中央控制模块电连接的图像采集模块、计时模块、存储模块、通讯模块，还包括分别电连接于所述中央控制模块和所述通讯模块的雷电图像采集系统，雷电流采集系统，雷电电场变化采集系统及雷电磁场变化采集系统，本实用新型具有雷击过程多物理量同步采集，数据保存及传输功能，分辨雷击类型、雷击位置，统计自然雷击波形和电荷、能量分布等特征参数、根据空间电磁效应实测数据，结合回击模型，可对雷击强度进行反演，以评估雷击损伤程度，提升检修工作的针对性。
Description
技术领域
本实用新型涉及雷电观测领域，特别是涉及一种风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统。
背景技术
风力发电作为电力系统中最为广泛应用的新能源发电技术，伴随着其装机容量和电场规模在近几年突飞猛进得增长，为了提升对风能资源和土地的利用效率，提高单台风力发电机的装机容量是唯一的解决方法，目前世界上已投运的最大单台装机容量的风力发电机高度接近200m。由于风电场一般坐落在野外较为空旷的平原或者近海区域，高度的不断增加使得风力发电机极易遭受雷击，导致风电机组设备的雷击故障极为突出。运行数据显示，美国德克萨斯州、堪萨斯州和伊利诺伊州近5年共304次风机叶片雷击故障进行了统计分析，得出其平均年雷击故障率高达11.9次/100台·年，即每8.4年即会遭受一次叶片雷击损坏事故。通过对我国云南、贵州和山西等4个典型风场近3年的防雷运行数据进行调查，统计结果表明我国风机叶片的年平均雷击损坏率为9.8 次/100台·年，与美国的统计数据相近。
长期以来，缺乏对于风机雷击过程全面科学认识是突破风电场雷击防护关键技术的主要瓶颈。风电场多建于雷电活动强烈山区，由于气象环境复杂，其雷击接闪过程可包括下行闪电、上行闪电，局部地闪密度与所在地区的平均地闪密度有显著差异。随着机组本体高度不断增加，机组引发的上行闪电数量明显增加，这些上行闪电由于辐射的电磁波形与传统下行闪电存在区别，因而不易被雷电定位系统探测到，只能通过现场图像观测的手段进行分辨。另一方面，上行闪电通常转移的电荷量很大，对机组本体构成严重威胁。目前缺乏风机上行闪电转移电荷量数据。综上所述，亟需对风电场雷击多物理量开展研究综合观测研究。
实用新型内容
本实用新型要解决的问题是提供一套用于风机叶片雷击多物理量同步采集的，具有数据自动采集，保存及传输的软硬件系统。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，包括与中央控制模块电连接的图像采集模块、计时模块、存储模块、通讯模块，还包括分别电连接于所述中央控制模块和所述通讯模块的雷电图像采集系统，雷电流采集系统，雷电电场变化采集系统及雷电磁场变化采集系统，其中：
所述雷电图像采集系统，用于采集雷电发展动态图像，对图像实时分析，筛选雷击图像，保存有效图像至本地硬盘，并将图像数据通过网络传输至远方控制中心；
所述雷电流采集系统，用于直接采集风机自然雷击电流数据，并将数据保存至本地硬盘，再通过网络传输至远方控制中心；
所述雷电电场变化测量系统，用于对自然雷击引起的电场进行采集，并将数据保存至本地硬盘，再通过网络传输至远方控制中心；
所述雷电磁场变化测量系统，用于对自然雷击引起的磁场进行采集，并将数据保存至本地硬盘，再通过网络传输至远方控制中心。
所述通讯模块，用于所述雷电图像采集系统，雷电流采集系统，雷电电场变化采集系统及雷电磁场变化采集系统与远方控制中心通讯，并实现数据传输。
进一步地，各子系统包含独立的中央控制模块，控制各子系统独立采集数据，并本地保存数据，再通过所述通讯模块将数据传输至远方控制中心。
进一步地，还包括所述各子系统还包括独立的GPS计时装置，对采集到的数据精确计时，实现多物理量的同步分析。
进一步地，所述雷电图像采集系统帧速为200帧/秒。
进一步地，所述雷电流采集系统包括罗氏线圈和数据采集卡。
进一步地，所述雷电电场变化测量系统包括电场变化测量仪。
进一步地，所述雷电磁场变化测量系统还包括磁场变化感应天线。
进一步地，所述罗氏线圈测量频段为1Hz～3MHz，量程为100kA；所述数据采集卡为4通道，50MHz采样率。
进一步地，所述电场变化测量仪为快天线与慢天线。
进一步地，所述磁场变化感应天线为低频(LF)天线，工作频段为 30kHz～300kHz。
采用这样的设计后，本实用新型至少具有以下优点：
1、应用于风电场雷击观测研究，达到了光学、电流、电场、磁场多物理量同步采集与分析目的，有利于深入了解雷电发展机制，总结风电场雷击特征参数变化规律。
2、图像采集系统中加入雷电图像实时检测算法，仅保留有效图像，避免无效数据占用大量存储空间。
3、图像采集系统中采用200帧速常速相机，相比高速图像采集系统降低了成本，同时保证了较高的空间分辨率。3、电流采集系统中罗氏线圈频段为1Hz～3MHz，兼顾了雷电流中的高频分量与低频分量，100kA量程可满足95％以上自然雷击电流测量需求。
4、电场变化测量系统采用快慢天线同步测量，快天线可反映微秒乃至亚微秒级别的电场变化，有助于了解先导、K变化等雷电子过程，慢天线可反映整个雷电过程电场变化总和。
5、磁场变化感应天线测量低频段雷电磁场，避免高频磁场沿地表传播时迅速衰减带来的测量不准。
6、各系统独立采集数据，为实现多物理量数据同步分析，采用高精度GPS 对各系统采集数据精确计时，计时精度达到50ns。
7、本系统自动完成数据采集，保存及传输工作，大大降低了人力成本。
综上所述，本实用新型风机叶片雷击多物理量同步观测系统主要应用于风电场自然雷击过程光学、电流、电场及磁场数据采集，并将本地保存数据通过网络传输至远方控制中心。
附图说明
上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
图1是本实用新型风机叶片雷击多物理量同步观测系统连接框图；
图2是本实用新型风机叶片雷击多物理量同步观测系统图像采集子系统框图；
图3是本实用新型风机叶片雷击多物理量同步观测系统电流采集子系统框图；
图4是本实用新型风机叶片雷击多物理量同步观测系统电场变化测量子系统框图；
图5是本实用新型风机叶片雷击多物理量同步观测系统磁场变化测量子系统框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸链接，或一体地连接；也可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如图1-图5所示，本实用新型提供一种风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，包括与中央控制模块电连接的图像采集模块、计时模块、存储模块、通讯模块，还包括分别电连接于所述中央控制模块和所述通讯模块的雷电图像采集系统，雷电流采集系统，雷电电场变化采集系统及雷电磁场变化采集系统，其中：
所述雷电图像采集系统，采用200帧速常速相机持续拍摄雷击高发风机，用于采集雷电发展动态图像，根据现有研究，雷电先导发展过程持续时间一般为35ms，利用200帧速相机拍摄约可以获得7张有效图像，保证了较高的时间分辨率。拍摄图像经单板机筛选，保存有效图像至本地硬盘，并将图像数据通过网络传输至远方控制中心。
所述雷电流采集系统，用于直接采集风机自然雷击电流数据，并将数据保存至本地硬盘，再通过网络传输至远方控制中心；优选的，所述雷电流采集系统安装于雷击高发风机叶片引下线合适位置处，根据引下线数量配备相同数量罗氏线圈，采集卡为4通道，满足多个罗氏线圈测量需求，当雷击叶片时，雷电流沿引下线导入大地，在罗氏线圈中感应出电压，罗氏线圈输出接采集卡，当感应电压超过采集卡触发电平时采集卡记录电压数据，根据电磁感应定律反推得到雷电流数据。
优选的，所述罗氏线圈频段为1Hz～3MHz，量程为100kA，采集卡采样率为 50MHz，保证数据采集的准确性。
所述雷电电场变化测量系统，用于对自然雷击引起的电场进行采集，并将数据保存至本地硬盘，再通过网络传输至远方控制中心；
所述雷电磁场变化测量系统，用于对自然雷击引起的磁场进行采集，并将数据保存至本地硬盘，再通过网络传输至远方控制中心。
所述通讯模块，用于所述雷电图像采集系统，雷电流采集系统，雷电电场变化采集系统及雷电磁场变化采集系统与远方控制中心通讯，并实现数据传输。
优选的，所述图像采集系统智能算法实时分析图像中是否有雷电通道，系统仅保存有雷电通道的图像，避免无效图像占据大量存储空间。
优选的，所述图像采集系统可观测距离观测点2千米范围内的风机，因此需将观测系统架设与被观测风机附近，一般安装于风电场升压站或测风塔。
进一步地，各子系统包含独立的中央控制模块，控制各子系统独立采集数据，并本地保存数据，再通过所述通讯模块将数据传输至远方控制中心。
进一步地，还包括所述各子系统还包括独立的GPS计时装置，对采集到的数据精确计时，实现多物理量的同步分析。
进一步地，所述雷电图像采集系统帧速为200帧/秒。
进一步地，所述雷电流采集系统包括罗氏线圈和数据采集卡。
进一步地，所述雷电电场变化测量系统包括电场变化测量仪。
进一步地，所述雷电磁场变化测量系统还包括磁场变化感应天线。
进一步地，所述电场变化测量仪为快天线与慢天线。
优选的，所述快天线积分常数2ms，可反映微秒乃至亚微秒级别的电场变化，有助于了解先导、K变化等雷电子过程；慢天线积分常数6s，可反映整个雷电过程电场变化总和。
优选的，所述电场变化测量系统采集卡采样率为10Msps，GPS计时精度优于40ns。
优选的，所述磁场变化测量系统安装于升压站楼顶，并通过磁场变化感应天线测量磁场变化，磁场变化感应天线输出电压经信号调理电路，增大输出增益并滤波，得到磁场变化感应数据，输出电压经采集卡采集并保存至本地，再通过网络传输至远方控制中心。
优选的，所述磁场变化感应天线工作频段为30kHz～300kHz的低频段，减少沿地表附近传播时的衰减，采集卡采样率为50MHz。
本实用新型应用于风电场雷击观测研究，达到了光学、电流、电场、磁场多物理量同步采集与分析目的，有利于深入了解雷电发展机制，总结风电场雷击特征参数变化规律。
本实用新型图像采集系统中加入雷电图像实时检测算法，仅保留有效图像，避免无效数据占用大量存储空间。
本实用新型图像采集系统中采用200帧速常速相机，相比高速图像采集系统降低了成本，同时保证了较高的空间分辨率。3、电流采集系统中罗氏线圈频段为1Hz～3MHz，兼顾了雷电流中的高频分量与低频分量，100kA量程可满足 95％以上自然雷击电流测量需求。
本实用新型电场变化测量系统采用快慢天线同步测量，快天线可反映微秒乃至亚微秒级别的电场变化，有助于了解先导、K变化等雷电子过程，慢天线可反映整个雷电过程电场变化总和。
本实用新型磁场变化感应天线测量低频段雷电磁场，避免高频磁场沿地表传播时迅速衰减带来的测量不准。
本实用新型各系统独立采集数据，为实现多物理量数据同步分析，采用高精度GPS对各系统采集数据精确计时，计时精度达到50ns。
本系统自动完成数据采集，保存及传输工作，大大降低了人力成本。
优选的，所述通讯模块，根据设备安装地点是否安装宽带，有4G无线路由器/光纤宽带两种可选。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，其特征在于：包括与中央控制模块电连接的图像采集模块、计时模块、存储模块、通讯模块，还包括分别电连接于所述中央控制模块和所述通讯模块的雷电图像采集系统，雷电流采集系统，雷电电场变化采集系统及雷电磁场变化采集系统，其中：
所述雷电图像采集系统，用于采集雷电发展动态图像，对图像实时分析，筛选雷击图像，保存有效图像至本地硬盘，并将图像数据通过网络传输至远方控制中心；
所述雷电流采集系统，用于直接采集风机自然雷击电流数据，并将数据保存至本地硬盘，再通过网络传输至远方控制中心；
所述雷电电场变化测量系统，用于对自然雷击引起的电场进行采集，并将数据保存至本地硬盘，再通过网络传输至远方控制中心；
所述雷电磁场变化测量系统，用于对自然雷击引起的磁场进行采集，并将数据保存至本地硬盘，再通过网络传输至远方控制中心；
所述通讯模块，用于所述雷电图像采集系统，雷电流采集系统，雷电电场变化采集系统及雷电磁场变化采集系统与远方控制中心通讯，并实现数据传输。
2.根据权利要求1所述的风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，其特征在于：所述雷电图像采集系统、所述雷电流采集系统、所述雷电电场变化测量系统、所述雷电磁场变化测量系统包含独立的中央控制模块，控制所述雷电图像采集系统、所述雷电流采集系统、所述雷电电场变化测量系统、所述雷电磁场变化测量系统独立采集数据，并本地保存数据，再通过所述通讯模块将数据传输至远方控制中心。
3.根据权利要求1所述的风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，其特征在于：所述雷电图像采集系统、所述雷电流采集系统、所述雷电电场变化测量系统、所述雷电磁场变化测量系统还包括独立的GPS计时装置，对采集到的数据精确计时，实现多物理量的同步分析。
4.根据权利要求1所述的风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，其特征在于：所述雷电图像采集系统帧速达到200帧/秒。
5.根据权利要求1所述的风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，其特征在于：所述雷电流采集系统还包括罗氏线圈和数据采集卡。
6.根据权利要求1所述的风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，其特征在于：所述雷电电场变化测量系统还包括电场变化测量仪。
7.根据权利要求1所述的风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，其特征在于：所述雷电磁场变化测量系统还包括磁场变化感应天线。
8.根据权利要求5所述的风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，其特征在于：所述罗氏线圈测量频段为1Hz～3MHz，量程为100kA；所述数据采集卡为4通道，50MHz采样率。
9.根据权利要求6所述的风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，其特征在于：所述电场变化测量仪为快天线与慢天线。
10.根据权利要求7所述的风电机组叶片雷击多物理量同步观测系统，其特征在于：所述磁场变化感应天线为低频(LF)天线，工作频段为30kHz～300kHz。
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