CN211038930U - 风电场雷电定位系统及风电场 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种风电场雷电定位系统及风电场，风电场雷电定位系统包括至少一个场强分析仪、雷电处理装置以及至少三个雷电测量仪，场强分析仪安装在风电场中；至少三个雷电测量仪安装在风力发电机组的机舱上；雷电测量仪包括平板电磁场天线、第一环状天线和第二环状天线；平板电磁场天线水平设置；第一环状天线用于接收雷电回击信号在第一水平方向的电磁场分量；第二环状天线用于接收雷电回击信号在第二水平方向上的电磁场分量，第二水平方向与第一水平方向垂直；雷电处理装置与场强分析仪、雷电测量仪分别连接通信。根据本实用新型的风电场雷电定位系统及风电场可提供可靠的雷击位置，有效预测可能被雷电击中的风力发电机组的位置。
Description
技术领域
本实用新型属于风力发电领域，涉及一种风电场雷电定位系统及风电场。
背景技术
风力发电机组作为风能的捕捉者，经常设立于风能资源丰富的环境，而这些环境同时具有较强的复杂性与变化性。当风力发电机组在这样复杂多变的环境中运行时，雷电可能会对风力发电机组的叶片产生雷击伤害，导致叶片由于雷击而发生开裂现象，甚至断裂，从而影响整个机组的运行，造成发电量损失和机组维修负担。
现有的避雷方法通常使用接闪器，即，将接闪器置于叶片的顶部，利用其高出叶片的突出部分将雷电引向接闪器自身，承接直击雷放电。然而，在接闪器出现避雷失效的情况下，无法及时准确发现叶片被雷电击中情况和定位雷击出现位置。
实用新型内容
针对上述现有避雷方法无法及时准确发现叶片被雷电击中情况和定位雷击出现位置等问题，本实用新型提供一种风电场雷电定位系统及风电场。
本实用新型的一方面提供一种风电场雷电定位系统，风电场雷电定位系统包括至少一个场强分析仪、雷电处理装置以及至少三个雷电测量仪，场强分析仪安装在风电场中，用于测量风电场中的大气电磁场；至少三个雷电测量仪安装在风力发电机组的机舱上；雷电测量仪包括：平板电磁场天线、第一环状天线和第二环状天线；平板电磁场天线水平设置，用于接收雷电回击信号的在竖直方向的电磁场分量；第一环状天线用于接收雷电回击信号在第一水平方向的电磁场分量；第二环状天线用于接收雷电回击信号在第二水平方向上的电磁场分量，第二水平方向与第一水平方向垂直；雷电处理装置与场强分析仪、雷电测量仪分别连接通信，用于根据场强分析仪测量得到的大气电磁场来激活雷电测量仪，并根据雷电测量仪输出的电磁场分量输出雷电定位信息。
优选地，风电场雷电定位系统还可包括监测相机，监测相机与雷电处理装置通信，用于拍摄风力发电机组的叶片状态。
优选地，场强分析仪可安装在风电场中的地面上，场强分析仪对天空的探测仰角可大于120度。
优选地，场强分析仪可安装在机舱顶部远离轮毂的一侧。
优选地，至少三个雷电测量仪可在风电场内呈正多边形布置，正多边形的边数与雷电测量仪的数量可相等。
优选地，场强分析仪可位于正多边形的中心位置。
优选地，雷电测量仪还可包括：GPS天线，用于接收GPS授时信号，用作至少三个雷电测量仪的同步时间。
优选地，雷电测量仪可安装在机舱的测风支架上。
优选地，各雷电测量仪还可包括信道处理装置，在将平板电磁场天线、第一环形天线和第二环形天线测量得到的电磁场分量发送给雷电处理装置之前，用于对电磁场分量进行信道处理，信道处理包括前级放大、滤波、增益调整、积分还原和低频抑制中的至少一种。
本实用新型的另一方面提供一种风电场，风电场包括如上所述的风电场雷电定位系统。
根据本实用新型的风电场雷电定位系统及风电场，可通过应用定位算法提供可靠的雷击位置，有效预测可能被雷电击中的风力发电机组，并且可提前做出预防或检测措施，从而减少因雷击造成的损失。
此外，根据本实用新型的风电场雷电定位系统及风电场，可监测风场中不同位置电磁场强度，并在短时间内判断雷击发生位置。
此外，根据本实用新型的风电场雷电定位系统及风电场，可通过叶片影像监控定位叶片被雷击的严重性。
此外，根据本实用新型的风电场雷电定位系统及风电场，可综合雷电监控和叶片影像监控给出叶片雷击报告。
附图说明
图1是根据本实用新型的实施例的风电场雷电定位系统安装在风力发电机组的机舱上的部分的示意图。
图2是根据本实用新型的实施例的风电场雷电定位系统在风场中的位置的示意图。
图3是示出地面上大气电磁场受遮挡物的影响的示意图。
图4是根据本实用新型的实施例的风电场雷电定位系统的场强分析仪的安装示意图。
图5是根据本实用新型的实施例的风电场雷电定位系统的连接关系的示意图。
图6是根据本实用新型的实施例的风电场雷电定位系统的定位计算原理的示意图。
附图标号说明：
10：场强分析仪，11：GPS接收机，20：雷电处理装置，30：雷电测量仪，31：平板电磁场天线，32：第一环状天线，33：第二环状天线，34：GPS天线，35：信道处理装置，40：监测相机，1：机舱，2：测风支架，3：风机环网。
具体实施方式
现在将参照附图更全面的描述本实用新型的实施例，在附图中示出了本实用新型的示例性实施例。在附图中，相同的标号始终表示相同的组件。附图可不按照比例绘制，为了清楚、说明及便利起见，可夸大附图中的元件的相对尺寸、比例和描绘。此外，为了清楚地示出部件之间的关系或内部构造等，在附图中，省略示出与本实用新型的描述不相关的部分或组件。
下面将参照图1至图4详细描述根据本实用新型的风电场雷电定位系统。
风电场雷电定位系统包括至少一个场强分析仪10、雷电处理装置20以及至少三个雷电测量仪30。
场强分析仪10可安装在风电场中，用于测量风电场中的大气电磁场。
一般来说，在形成雷电的过程中，雷雨云中发生电荷的积累并形成极性，使得雷雨云的上部和下部之间会形成电位差，当电位差达到一定程度后，会产生放电现象，即，产生雷电。由于雷电的发生时间较短，因此，场强分析仪10可在雷电来临前，通过感测风电场中的大气电磁场的变化情况来预判雷电的来临。
具体来说，场强分析仪10可感应云底部的电荷，在场强分析仪10的灵敏度范围内，场强分析仪10上的感应电荷强度与云底部附近的电荷成正比。因此，场强分析仪10可实时探测风场内的大气电磁场信号，以辅助下面将描述的雷电测量仪30进行雷电定位。
至少三个雷电测量仪30可安装在风力发电机组的机舱1上，例如，如图1所示，可安装在测风支架2上。雷电测量仪30可包括平板电磁场天线31、第一环状天线32和第二环状天线33。
平板电磁场天线31可水平设置(即，平行于水平面设置)，用于接收雷电回击信号的在竖直方向(即，垂直于水平面的方向)的电磁场分量。
第一环状天线32可用于接收雷电回击信号在第一水平方向的电磁场分量。第二环状天线33可用于接收雷电回击信号在第二水平方向上的电磁场分量，这里，第二水平方向与第一水平方向垂直。优选地，第一水平方向可为南北方向，第二水平方向可为东西方向。
具体来说，第一环状天线32可沿着第二水平方向设置，以接收第一水平方向上的电磁场分量，而第二环状天线33可沿着第一水平方向设置，以接收第二水平方向上的电磁场分量。
如此，基于平板电磁场天线31、第一环状天线32和第二环状天线33所接收到的各个方向上的电磁场变化，雷电测量仪30可计算出雷电发生位置。
雷电处理装置20可与上述场强分析仪10和雷电测量仪30连接通信，用于根据场强分析仪10测量得到的大气电磁场来确定是否激活雷电测量仪30，并在激活雷电测量仪30后，根据雷电测量仪30输出的电磁场分量输出雷电定位信息。例如，如图2所示，雷电处理装置20可通过风机环网3与场强分析仪10和雷电测量仪30进行通信。
雷电处理装置20可以是整个风电场雷电定位系统的数据存储和处理中心，通过分析来自场强分析仪10和雷电测量仪30的数据进行雷电定位并做出相应的控制操作。例如，雷电处理装置20可包括数据服务器，数据服务器用于对测试数据的保存，并对收集到的雷电数据进行分析，生成分析报告。
在使用本实用新型的风电场雷电定位系统进行雷电定位的过程中，场强分析仪10可持续监测大气电磁场变化，并且将监测到的电磁场变化信号发送给雷电处理装置20。当大气电磁场信号产生突变或者大气电磁场信号的变化量超过预定阈值时，雷电处理装置20可激活雷电测量仪30，使雷电测量仪30开始通过平板电磁场天线31、第一环状天线32和第二环状天线33测量各个方向上的电磁场，并将测量得到的各个方向的电磁场分量发送给雷电处理装置20，从而通过雷电处理装置20对该电磁场数据进行分析，以定位雷电。
优选地，风电场雷电定位系统还可包括监测相机40，监测相机40与雷电处理装置20通信，用于拍摄风力发电机组的叶片状态。在对雷电进行定位后，可通过监测相机40拍摄遭遇雷击的风力发电机组的叶片的情况，并将拍摄到的图像发送回雷电处理装置20或者直接发送给其他监测装置(例如，风电场的控制中心等)，从而可观察确认叶片是否出现损坏，以及时进行维护。
如图1所示，监测相机40可为安装在测风支架2上的单独设置的图像捕捉装置，但不限于此，例如，也可采用已有的叶片监控相机作为监测相机40，向雷电处理装置20反馈叶片状态。
在使用根据本实用新型的风电场雷电定位系统时，对于陆地风场而言，场强分析仪10可安装在风电场中的地面上。然而，对于海上风场或者不便于安装在地面上的情况下，场强分析仪10也可安装在风力发电机组的机舱上，例如，可安装在机舱的顶部的远离轮毂的一侧。
在场强分析仪10安装在地面上的情况下，由于场强分析仪10探测的是地表的大气电磁场，因此，其探测环境优选为四周没有遮挡的平坦安装场地，同时尽量远离如空调风机、建筑通风口等容易产生静电干扰的地点。如图3所示，当场强分析仪10的周边有遮挡或者安装在突出于地表的地方时，探测到的电磁场强度E与实际电磁场强度E0会有一定差别，如图3所示，E＝k·E0，其中，k为表征电磁场强度的改变的系数。因此，优选地，如图4所示，场强分析仪10对天空的探测仰角可大于120度，从而可准确地感测大气电磁场。
此外，场强分析仪10的设置数量没有特别限制，可根据风场的覆盖范围以及场强分析仪10的监测范围设置适当数量的场强分析仪10。作为示例，每个场强分析仪10的监测范围可为方圆2公里的区域。
如图1所示，根据本实用新型的雷电测量仪30可安装在机舱1的测风支架2上，从而更接近叶片的位置，使得测试数据更真实、准确。
优选地，在雷电测量仪30的四周30米内的水平线以上无遮拦物，在30米以外的10度仰角以上无较大遮拦物，以使雷电测量仪30的测量更加准确。此外，雷电测量仪30尽量远离长波电台、工频设备(如变电站、马达等)和产生甚低频段(1kHz～500kHz)干扰的设备。
如上所述，在整个风电场中，可设置有至少三个雷电测量仪30，优选地，至少三个雷电测量仪30在风电场内可呈正多边形布置，正多边形的边数与雷电测量仪30的数量相等。如此，雷电测量仪30可均匀分布，以便于雷电定位计算。
作为示例，如图2所示，每三个雷电测量仪30可两两之间布置距离相同，由此，每三个雷电测量仪30测得的电磁场数据负责预测这三个雷电测量仪30所形成的三角形范围内具体的雷击位置，可依照此方式逐个区域扩展布置多个雷电测量仪30直至覆盖整个风场的范围。然而，雷电测量仪30的分布方式不限于此，其也可非均匀分布，在此情况下，可利用三角函数计算某两个雷电测量仪30之间的距离。
在雷电测量仪30呈正多边形布置的情况下，场强分析仪10可位于正多边形的中心位置，以较好地监测该正多边形区域内的大气电磁场变化情况。
根据本实用新型的雷电测量仪30还可包括GPS天线34，用于接收GPS授时信号，用作至少三个雷电测量仪30的同步时间，并且还可用于接收GPS卫星的导航信号。
相应地，场强分析仪10可包括GPS接收机11，GPS接收机11可连接到GPS天线34，接收GPS天线34的GPS卫星定位信号。GPS接收机11可为微秒级或纳秒级授时型GPS接收机。此外，优选地，雷电测量仪30还可包括信道处理装置35，在将平板电磁场天线31、第一环形天线32和第二环形天线33测量得到的电磁场分量发送给雷电处理装置20之前，信道处理装置35可对这些电磁场分量进行信道处理，这里，信道处理可包括前级放大、滤波、增益调整、积分还原和低频抑制中的至少一种。通过信道处理，可对电磁场分量波形进行修整，以便于雷电处理装置20进行后续处理。
下面将参照图5和图6描述根据本实用新型的实施例的风电场雷电定位系统的雷电定位过程。
首先，可进行GPS授时，以进行时间同步。具体来说，从GPS天线34传输的GPS卫星导航信号可经过场强分析仪10的GPS接收机11处理与分析，并给出标准的1PPS同步信号和日历。由于雷电发生时间较短，因此优选地，时钟同步精度可以达到微秒或纳秒级别，例如其可精确到10微秒至7微秒，从而较为精密地记录雷电发生的过程。如此，雷电测量仪30本地可以以10MHZ高稳定恒温晶振为频率源，建有精度达到10微秒以下的精密时钟，因此，在1PPS同步信号的同步下，雷电测量仪30能够以同步精度为10微秒以下的精确程度进行计时。
接下来，场强分析仪10测量电磁场变化，如果发现大气电磁场产生突变或其变化量超过预定值，则雷电处理装置20激活雷电测量仪30，开始对天线上感应的电磁场进行分析，并且可通过雷电测量仪30的信道处理装置35对各个方向的电磁场分量信号进行信道处理，将处理后的电磁场波形输出到雷电处理装置20。
雷电处理装置20对从雷电测量仪30接收的天线上感应出的电磁场分量分别取峰，并对电磁场分量中信号较大的波形分量进行波形分析，鉴别其是否为云地闪回击信号。
当确定当前的电磁场信号为回击信号时，则雷电处理装置20控制雷电测量仪30继续进行后续测量；当确定当前的电磁场信号不是回击信号时，进入云闪鉴别与记数状态，雷电处理装置20控制雷电测量仪30停止测量，使雷电测量仪30处于等待工作状态。也就是说，雷电测量仪30在将所测量到的电磁场信号发送给雷电处理装置20后根据雷电处理装置20的处理结果而被控制为进行下一次测量或处于等待状态。
在上述过程中，当确定当前处理的电磁场信号为雷电回击信号时，雷电处理装置20将对从雷电测量仪30接收的电磁场信号进行定位算法，以确定发生雷击的位置，例如，雷电处理装置20可使用现有的三角定位法来计算雷击的具体位置。
三角定位法是一种常见的定位方法，其利用三角几何原理确定目标的位置和距离。
如图6所示，每个三角形的顶点分别安置一个雷电测量仪(如a、b和c三点)，计算每两个点之间的电磁场强度。在定位计算中，如果ab两点之间的电磁场强度大于ac之间的电磁场强度，则初步判定三角形abf雷击概率较大，三角形acf区域雷击概率较小。接着，计算ac和bc之间电磁场强度大小，如果ac之间的电磁场强度小于bc之间的电磁场强度，则进一步判断雷击出现位置在三角形bce内的可能性大于在三角形ace内的可能性。然后，比较bc和ba之间电磁场强度大小，如果bc之间的电磁场强度大于ba之间的电磁场强度，则更进一步判定雷击出现位置在三角形bcd内的可能性大于三角形bad内的可能性。根据三次判定结果，对可能性较大的三个区域取交集，雷击出现可能性最大的位置为交集部分的三角形bof。如此，得到雷击出现大概位置，从而可对重点位置的风力发电机组进行及时监测、防护和维修等工作，可以在短时间内实现高效机组维护工作，保证机组正常运行状态。
以上描述的使用三角定位法来计算雷击的具体位置的过程仅是示例，本实用新型不限于此，雷电处理装置20也可通过其他任何适合的方法对从雷电测量仪30接收的电磁场信号进行定位计算。
此外，为了便于示出，图5中仅示出了一个雷电测量仪30，但是如上所述，根据本实用新型的风电场雷电定位系统可包括至少三个雷电测量仪30，其中，每个雷电测量仪30的连接方式与图5中所示的相同。
本实用新型还提供一种风电场，风电场包括如上所述的风电场雷电定位系统。
如上面所阐述的，根据本实用新型的风电场雷电定位系统及风电场，可通过应用定位算法提供可靠的雷击位置，有效预测可能被雷电击中的风力发电机组，并且可提前做出预防或检测措施，从而减少因雷击造成的损失。
此外，根据本实用新型的风电场雷电定位系统及风电场，可监测风场中不同位置电磁场强度，并在短时间内判断雷击发生位置。
此外，根据本实用新型的风电场雷电定位系统及风电场，可通过叶片影像监控定位叶片被雷击的严重性。
此外，根据本实用新型的风电场雷电定位系统及风电场，可综合雷电监控和叶片影像监控给出叶片雷击报告。
虽然上面已经详细描述了本实用新型的示例性实施例，但本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，可对本实用新型的实施例做出各种的修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本实用新型的示例性实施例的精神和范围内。
Claims (10)
1.一种风电场雷电定位系统，其特征在于，所述风电场雷电定位系统包括至少一个场强分析仪(10)、雷电处理装置(20)以及至少三个雷电测量仪(30)，
所述场强分析仪(10)安装在所述风电场中，用于测量所述风电场中的大气电磁场；
所述至少三个雷电测量仪(30)安装在风力发电机组的机舱(1)上；所述雷电测量仪(30)包括：平板电磁场天线(31)、第一环状天线(32)和第二环状天线(33)；所述平板电磁场天线(31)水平设置，用于接收雷电回击信号的在竖直方向的电磁场分量；所述第一环状天线(32)用于接收所述雷电回击信号在第一水平方向的电磁场分量；所述第二环状天线(33)用于接收所述雷电回击信号在第二水平方向上的电磁场分量，所述第二水平方向与所述第一水平方向垂直；
所述雷电处理装置(20)与所述场强分析仪(10)、所述雷电测量仪(30)分别连接通信，用于根据所述场强分析仪(10)测量得到的大气电磁场来激活所述雷电测量仪(30)，并根据所述雷电测量仪(30)输出的电磁场分量输出雷电定位信息。
2.根据权利要求1所述的风电场雷电定位系统，其特征在于，所述风电场雷电定位系统还包括：监测相机(40)，所述监测相机(40)与所述雷电处理装置(30)通信，用于拍摄所述风力发电机组的叶片状态。
3.根据权利要求1所述的风电场雷电定位系统，其特征在于，所述场强分析仪(10)安装在所述风电场中的地面上，所述场强分析仪(10)对天空的探测仰角大于120度。
4.根据权利要求1所述的风电场雷电定位系统，其特征在于，所述场强分析仪(10)安装在所述机舱(1)顶部远离轮毂的一侧。
5.根据权利要求1所述的风电场雷电定位系统，其特征在于，所述至少三个雷电测量仪(30)在所述风电场内呈正多边形布置，所述正多边形的边数与雷电测量仪(30)的数量相等。
6.根据权利要求5所述的风电场雷电定位系统，其特征在于，所述场强分析仪(10)位于所述正多边形的中心位置。
7.根据权利要求1所述的风电场雷电定位系统，其特征在于，所述雷电测量仪(30)还包括：GPS天线(34)，用于接收GPS授时信号，用作所述至少三个雷电测量仪(30)的同步时间。
8.根据权利要求7所述的风电场雷电定位系统，其特征在于，所述雷电测量仪(30)安装在所述机舱(1)的测风支架(2)上。
9.根据权利要求5所述的风电场雷电定位系统，其特征在于，各所述雷电测量仪(30)还包括信道处理装置(35)，在将所述平板电磁场天线(31)、第一环形天线(32)和第二环形天线(33)测量得到的电磁场分量发送给所述雷电处理装置(20)之前，用于对所述电磁场分量进行信道处理，所述信道处理包括前级放大、滤波、增益调整、积分还原和低频抑制中的至少一种。
10.一种风电场，其特征在于，所述风电场包括如权利要求1-9中任一项所述的风电场雷电定位系统。
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|---|---|
| CN (1) | CN211038930U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112727710A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-04-30 | 北京天泽智云科技有限公司 | 一种基于音频信号的风场落雷密度统计方法及系统 |
| CN117929861A (zh) * | 2024-03-21 | 2024-04-26 | 云南能源投资股份有限公司 | 一种风电场的雷电检测方法、装置、设备及存储介质 |
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2019
- 2019-12-24 CN CN201922370537.8U patent/CN211038930U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112727710A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-04-30 | 北京天泽智云科技有限公司 | 一种基于音频信号的风场落雷密度统计方法及系统 |
| CN117929861A (zh) * | 2024-03-21 | 2024-04-26 | 云南能源投资股份有限公司 | 一种风电场的雷电检测方法、装置、设备及存储介质 |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |