CN212615177U - 一种风电机组高同步精度的分布式测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，相比较与国外昂贵的基于现场总线协议传输的风电机组分布式同步测量系统，结构简单、价格低廉的新型高精度分布测量系统，通过记录唯一时间戳以及采集数据的冗余传输，并在服务器后台进行冗余数据的剔除，保证在唯一和同一时间戳下获得机组各个位置的测量数据，实现风电机组高同步精度的分布式测量，降低了风电机组全方位全覆盖状态监测的成本，有利于机组全面状态监测的推广。

Description

一种风电机组高同步精度的分布式测量系统

技术领域

本实用新型属于风力发电技术领域，涉及一种风电机组高同步精度的分布式测量系统。

背景技术

风力发电机组运行条件恶劣，设备的可靠性严重制约风电机组的可利用率和发电量。对风电机组的运行状态进行在线监测可以及时发现机组设备的运行异常并进行提前预警，从而进行预防性维护可以有效提高风电机组的运行效益。

目前基于传动链振动监测系统(CMS)已经在风电机组上广泛应用，但针对风电机组整机的各个位置关键设备的状态监测和整体运行状态分析评估方法有待完善。建立风电机组高同步精度的分布式测量系统是整体分析评估的基础条件，只有获得机组不同位置的同步测量数据，才能结合机组运行状态以及各个位置的测量数据进行综合分析评价。国外有针对风电机组整机的分布式同步测量系统，一般采用现场总线通讯，价格昂贵，一般用于风电机组样机的形式实验和测试，严重制约了风电机组全面状态监测以及机组运行状态的综合分析评价技术的推广和应用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，解决了现有的风电机组的运行状态在线监测不能体现整体机组的运行状态，不能及时发现机组运行阶段的安全风险。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型提供的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，包括服务器，所述服务器连接有多个数据采集模块，所述多个数据采集模块分别为轮毂内高频率采集模块、机舱内高频率采集模块、塔顶高频率数据采集模块和塔底高频率数据采集模块，其中，轮毂内高频率采集模块用于采集叶根载荷应变数据、叶片振动数据和轮毂的姿态数据，并将采集到的数据进行时间标签打包；机舱内高频率采集模块用于采集机舱振动数据和机组控制系统中的运行数据，并将采集到的数据进行时间标签打包；所述塔顶高频率数据采集模块用于采集塔顶载荷应变数据和塔顶倾角数据，并将采集到的数据进行时间标签打包；所述塔底高频率数据采集模块用于采集塔底的载荷应变数据和塔底的动态倾角数据，并将采集到的数据进行时间标签打包；所述服务器用于将接收到的数据根据时间标签进行筛选、过滤处理，并对处理后的数据进行存储。

优选地，所述轮毂内高频率采集模块的输入端分别与第一应变传感器、第一振动传感器和第一姿态传感器连接；其中，所述第一应变传感器置于叶片根部，用于采集叶片根部的载荷应变数据信息；所述第一振动传感器置于叶片1/3处，用于采集叶片的振动数据；所述第一姿态传感器置于轮毂内，用于采集轮毂的姿态数据。

优选地，所述机舱内高频率采集模块的输入端分别与双轴振动传感器和机舱控制柜内IO卡件连接；所述双轴振动传感器布置在机组塔架上，用于采集机舱的振动数据；所述机舱控制柜内IO卡件布置在机舱控制柜内，用于采集机组控制系统的运行数据。

优选地，所述塔顶高频率数据采集模块的输入端分别与第二应变传感器和第一倾角传感器；其中，第二应变传感器布置在塔顶上，用于采集塔顶的载荷应变数据；所述第一倾角传感器布置在塔顶上，用于采集塔顶的倾角数据。

优选地，所述塔底高频率数据采集模块的输入端分别与第三应变传感器和第二倾角传感器连接；其中，第三应变传感器布置在塔底，用于采集塔底的载荷应变数据；所述第二倾角传感器布置在塔底，用于采集塔底的倾角数据。

优选地，所述轮毂内高频率采集模块、机舱内高频率采集模块、塔顶高频率数据采集模块和塔底高频率数据采集模块均通过机组内交换机连接服务器。

优选地，所述轮毂内高频率采集模块与机组内交换机之间通过机舱内无线数据接收模块无线连接。

优选地，所述轮毂内高频率采集模块、机舱内高频率采集模块、塔顶高频率数据采集模块和塔底高频率数据采集模块均连接有高精度时间同步模块主站。

优选地，所述轮毂内高频率采集模块与高精度时间同步模块主站之间通过高精度时间同步模块从站无线连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，相比较与国外昂贵的基于现场总线协议传输的风电机组分布式同步测量系统，结构简单、价格低廉的新型高精度分布测量系统，通过记录唯一时间戳以及采集数据的冗余传输，并在服务器后台进行冗余数据的剔除，保证在唯一和同一时间戳下获得机组各个位置的测量数据，实现风电机组高同步精度的分布式测量，降低了风电机组全方位全覆盖状态监测的成本，有利于机组全面状态监测的推广。

附图说明

图1是本实用新型的系统构成及连接示意图；

图2是本实用新型中方法的流程图；

其中，1、轮毂内高频率数据采集模块 2、高精度时间同步模块从站 3、轮毂内的姿态传感器 4、叶片根部载荷应变传感器 5、叶片1/3处的振动传感器 6、机舱内高频率采集模块 7、塔架上的双轴振动传感器 8、高精度时间同步模块主站 9、机舱内无线数据接收模块 10、机舱控制柜内IO卡件 11、塔顶高频率数据采集模块 12、塔顶的载荷应变传感器13、塔顶动态倾角传感器 14、塔底高频率数据采集模块 15、塔底的载荷应变传感器 16、塔底动态倾角传感器 17、机组内交换机 18、场站端数据存储和分析服务器

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，包括多个高频率数据采集模块、高精度时间同步模块2、多个姿态传感器、多个应变传感器、多个振动传感器、无线数据接收模块、机舱控制柜IO卡件10、机组内交换机17和服务器18，其中，多个高频率数据采集模块分别布置于轮毂、机舱、塔顶、塔底及其它所需测量或与机组自身控制系统相连接的关键位置。

所述多个高频率数据采集模块均采用基于FPGA开发的嵌入式系统，系统平台为LINUX，程序开发语言为JAVA。

具体多个高频率数据采集模块分别为轮毂内高频率采集模块1、机舱内高频率采集模块6、塔顶高频率数据采集模块11和塔底高频率数据采集模块14。

所述轮毂内高频率采集模块1的输入端分别与第一应变传感器4、第一振动传感器5和第一姿态传感器3连接；用于按照毫秒级速率采集叶根载荷应变数据、叶片振动数据和叶轮方位角。

所述第一应变传感器4置于叶片根部，用于采集叶片根部的载荷应变数据信息。

所述第一振动传感器置于叶片1/3处，用于采集叶片的振动数据。

所述第一姿态传感器3置于轮毂内，用于采集叶轮方位角数据。

所述轮毂内高频率采集模块1分别连接高精度时间同步模块从站2和机舱内无线数据接收模块9，其中，所述高精度时间同步模块从站2通过无线方式连接高精度时间同步模块主站8；所述机舱内无线数据接收模块9通过无线方式连接机组内交换机17。

所述机舱内高频率采集模块6的输入端分别与双轴振动传感器7、机舱控制柜IO卡件10、设置在机舱顶的风速风向记19连接，用于按照毫秒级速率采集机舱振动数据、机组控制系统中的运行数据以及机舱外风速风向数据。

所述双轴振动传感器7布置在机舱支架上，用于采集机舱的双向振动数据。

所述机舱控制柜IO卡件10布置在机舱控制柜内，用于采集机组控制系统的运行数据。

所述塔顶高频率数据采集模块11的输入端分别与第二应变传感器12和第一倾角传感器13，用于按照毫秒级速率采集塔顶载荷应变数据和塔顶倾角数据。

其中，第二应变传感器12布置在塔顶上，用于采集塔顶的载荷应变数据。

所述第一倾角传感器13布置在塔顶上，用于采集塔顶的倾角数据。

所述塔底高频率数据采集模块14的输入端分别与第三应变传感器15和第二倾角传感器16连接，用于按照毫秒级速率采集塔底的载荷应变数据和塔底的动态倾角数据。

其中，第三应变传感器15布置在塔底，用于采集塔底的载荷应变数据。

所述第二倾角传感器16布置在塔底，用于采集塔底的倾角数据。

机舱内高频率采集模块6、塔顶高频率数据采集模块11和塔底高频率数据采集模块14还连接有高精度时间同步模块主站8。

其中，所述高精度时间同步模块主站8布置在机舱内，用于通过通讯网络获取标准时间，并将获取的标准时间通过无线方式按设定的固定时间间隔传输至高精度时间同步模块从站2，同时通过RS485线缆和串口方式有线方式按设定的固定时间间隔传输至机舱内高频率采集模块6、塔顶高频率数据采集模块11和塔底高频率数据采集模块14。

所述高精度时间同步模块从站2布置在轮毂处；用于通过RS485线缆和串口方式按设定的固定时间间隔将标准时间传输至轮毂高频率数据采集模块1。

所述轮毂内高频率采集模块1、机舱内高频率采集模块6、塔顶高频率数据采集模块11、塔底高频率数据采集模块14均与机组内交换机17连接；所述机组内交换机17的输出端连接布置在场站端的服务器18。

所述服务器18用于将接收到的数据进行存储，并根据时间标签对接收到的数据进行筛选过滤处理，之后对处理后的机组测量数据和运行数据进行分析。

如图2所示，工作流程：

部署在机舱内的高精度时间同步模块主站8通过通讯网络或卫星授时方式定期获取当前标准时间，如信号正常能够获得时间，则通过无线方式按设定的固定时间间隔将标准时间通过位于轮毂处的高精度时间同步模块从站2传输至轮毂内高频率采集模块1；同时通过RS485线缆和串口方式按设定的固定时间间隔将标准时间传输至位于至机舱内高频率采集模块6、塔顶高频率数据采集模块11和塔底高频率数据采集模块14，如因为信号原因无法获得信号时间，则输出非标准时间格式，表示由于信号原因无法获得标准时间。

高精度时间同步模块主站的标准时间来源可采用CMDA、4G等通讯网络授时形式，也可采用GPS、北斗等卫星授时形式。

所述高频率数据采集频率大于等于50HZ。

高精度数据采集模块收到时间同步模块的系统时间后，如为正常时间格式，则对比采集模块系统时间，当接收到的标准时间和自身系统时间误差在设定范围内时，将自身的系统时间设置为接收到的标准时间；当接收到的标准时间和自身系统时间误差在设定范围之外时，则进行报警；当接收到的时间信息为非正常的标准时间格式时，进行记录，如果在设定时间长度内无法接收到有效的标准时间，则进行报警。

时间误差的设定范围小于等于5ms。

由多个所述风电机组端高频率数据采集模块按照毫秒级的速率分别实时采集风电机组轮毂、机舱、塔顶和塔底传感器测量数据以及机组运行数据，将设定时间段内的采集数据连同采集模块的系统时间标签打包，分别采用无线发送-接收方式和有线连接方式，使用HTTP协议按照设定的时间间隔将数据包主动上传至服务器18。

所述风电机组段高频率数据采集模块是通过自身设定数据采集频率，执行高频率数据采集；通过设定数据上传时间间隔T及冗余时间Δt，将采集[(t-1)*T-Δt,t*T+Δt]时间内的数据，其中，t为数据上传的时间段编号，那么每个上传数据包的时间长度为(T+2Δt,)，以防止在相邻数据包连接位置处可能出现的数据丢失。

服务器18用于接收多个所述高频率数据采集模块上传的数据包，根据统一的时间标签，从各个数据包中进行筛选，抽取同一时间标签下的所有测量数据和机组运行数据，存入关系型数据库，为后续数据综合分析评估机组运行状态，提示机组运行的异常状态提供数据基础。

以上所述，仅为本实用新型较佳的指导性实施方式，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型所述的技术范围内，可轻易想到的对三个主要单元的零部件替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，其特征在于，包括服务器，所述服务器连接有多个数据采集模块，所述多个数据采集模块分别为轮毂内高频率采集模块(1)、机舱内高频率采集模块(6)、塔顶高频率数据采集模块(11)和塔底高频率数据采集模块(14)，其中，轮毂内高频率采集模块(1)用于采集叶根载荷应变数据、叶片振动数据和轮毂的姿态数据，并将采集到的数据进行时间标签打包；机舱内高频率采集模块(6)用于采集机舱振动数据和机组控制系统中的运行数据，并将采集到的数据进行时间标签打包；所述塔顶高频率数据采集模块(11)用于采集塔顶载荷应变数据和塔顶倾角数据，并将采集到的数据进行时间标签打包；所述塔底高频率数据采集模块(14)用于采集塔底的载荷应变数据和塔底的动态倾角数据，并将采集到的数据进行时间标签打包；所述服务器用于将接收到的数据根据时间标签进行筛选、过滤处理，并对处理后的数据进行存储。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，其特征在于，所述轮毂内高频率采集模块(1)的输入端分别与第一应变传感器(4)、第一振动传感器(5)和第一姿态传感器(3)连接；其中，所述第一应变传感器(4)置于叶片根部，用于采集叶片根部的载荷应变数据信息；所述第一振动传感器置于叶片1/3处，用于采集叶片的振动数据；所述第一姿态传感器(3)置于轮毂内，用于采集轮毂的姿态数据。

3.根据权利要求1所述的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，其特征在于，所述机舱内高频率采集模块(6)的输入端分别与双轴振动传感器(7)和机舱控制柜内IO卡件连接；所述双轴振动传感器(7)布置在机组塔架上，用于采集机舱的振动数据；所述机舱控制柜内IO卡件布置在机舱控制柜内，用于采集机组控制系统的运行数据。

4.根据权利要求1所述的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，其特征在于，所述塔顶高频率数据采集模块(11)的输入端分别与第二应变传感器(12)和第一倾角传感器(13)；其中，第二应变传感器布置在塔顶上，用于采集塔顶的载荷应变数据；所述第一倾角传感器布置在塔顶上，用于采集塔顶的倾角数据。

5.根据权利要求1所述的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，其特征在于，所述塔底高频率数据采集模块(14)的输入端分别与第三应变传感器(15)和第二倾角传感器(16)连接；其中，第三应变传感器(15)布置在塔底，用于采集塔底的载荷应变数据；所述第二倾角传感器布置在塔底，用于采集塔底的倾角数据。

6.根据权利要求1所述的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，其特征在于，所述轮毂内高频率采集模块(1)、机舱内高频率采集模块(6)、塔顶高频率数据采集模块(11)和塔底高频率数据采集模块(14)均通过机组内交换机(17)连接服务器(18)。

7.根据权利要求6所述的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，其特征在于，所述轮毂内高频率采集模块(1)与机组内交换机(17)之间通过机舱内无线数据接收模块(9)无线连接。

8.根据权利要求1所述的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，其特征在于，所述轮毂内高频率采集模块(1)、机舱内高频率采集模块(6)、塔顶高频率数据采集模块(11)和塔底高频率数据采集模块(14)均连接有高精度时间同步模块主站(8)。

9.根据权利要求8所述的一种风电机组高同步精度的分布式测量系统，其特征在于，所述轮毂内高频率采集模块(1)与高精度时间同步模块主站(8)之间通过高精度时间同步模块从站(2)无线连接。

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