CN108757343B - 风力发电机组及其运行工况的检测方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力发电机组及其运行工况的检测方法、装置及系统，该检测装置包括：激光发射器、光电感应板及检测设备，其中，激光发射器与光电感应板对应设置，激光发射器向光电感应板发射激光射线；光电感应板接收激光射线，根据激光射线生成光斑数据信号，并将光斑数据信号发送至检测设备；检测设备根据光斑数据信号判断风力发电机组的基础是否产生沉降，和/或风力发电机组的塔筒是否产生变形或倾斜。通过实施本发明，能够实现自动实时检测过程，无需人工参与，避免了由于人工检测带来的测量误差；同时，由于无需使用传感器进行测量，避免了温度对测量结果的影响，进一步提高了检测的精度，能够更加准确地反映风力发电机组的状态。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组及其运行工况的检测方法、装置及系统。
背景技术
伴随风力发电机组技术的发展，水平轴风力发电机组单机容量越来越大，风力发电机组的高度越来越高。对于风力发电机组来说，作为主要的结构布局的塔筒(或称塔架)和基础的安全性已经变得越来越重要。
风力发电机组的塔筒(或称塔架)承受着来自机组顶部的推力、弯矩和扭矩负荷等复杂多变的载荷。风力发电机组的塔筒(或称塔架)过大的变形/倾斜会影响风力发电机组的正常运行，严重的还会产生安全事故，因此，需要对塔筒(或称塔架)倾斜变形进行实时测量监测。
风力发电机组的基础也是风力发电机组中的重要承重部件之一。风力发电机组作为高耸的构筑物，对基础的沉降尤其是对不均匀沉降的要求很高，若基础不均匀沉降量过大，则会影响整个风力发电机组的正常工作甚至出现整机倒塌事故，为了防止出现事故，目前大部分风力发电机组需要定期对基础进行不均匀沉降观测。
目前，对于塔筒的变形/倾斜或对基础不均匀沉降的测量技术中，主要采用人工测量方法和设备测量法。其中，人工测量方法，是使用测量仪对塔筒或基础承台上进行高程测量，在观测及计算等一系列工作中，架设仪器、测量、记录、对比计算等过程中都有可能出现误差，对机组运行带来一定的隐患。而设备测量法，多是使用倾角和加速度传感器对塔筒的变形/倾斜或对基础不均匀沉降进行测量，但传感器受温度影响较大，必须做温度补偿，如果补偿不当容易造成测量数据的较大偏差。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种风力发电机组及其运行工况的检测方法、装置及系统，以解决现有的测量方法存在的误差较大的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种发电机组运行工况的检测装置，该检测装置主要包括：激光发射器、光电感应板及检测设备，该激光发射器与光电感应板对应设置，通过激光发射器向光电感应板发射激光射线；光电感应板接收到激光发射器发射的激光射线，根据激光射线在光电感应板上的光斑生成光斑数据信号，并将光斑数据信号发送至检测设备；检测设备则可根据光斑数据信号的位置信息来判断风力发电机组的基础是否产生沉降，和/或风力发电机组的塔筒是否产生变形或倾斜。
本发明实施例的风力发电机组运行工况的检测装置，能够实现自动实时检测过程，无需人工参与，避免了由于人工检测带来的测量误差；同时，由于无需使用传感器进行测量，避免了温度对测量结果的影响，进一步提高了检测的精度，能够更加准确地反映风力发电机组的状态。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，该光电感应板设置于发电机组的法兰维护平台上和/或基础承台上。其中，设置于法兰维护平台上的光电感应板主要用于检测发电机组塔筒的倾斜/变形情况；设置于基础承台上的光电感应板则主要用于检测发电机组基础的沉降情况。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，在初始安装时，激光发射器发射的激光射线与发电机组的纵轴轴线平行或重合，且激光射线在光电感应板的光斑位于光电感应板的基准点上。使得检测装置具有初始的检测状态，以光电感应板的基准点为参考，检测激光射线的投射点是否产生偏移。
结合第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，该检测装置还包括：支架，架设于光电感应板上方，激光发射器悬垂安装在支架顶端，与光电感应板相对应。该支架主要用于对基础承台进行检测时，通过连接线悬垂激光发射器。当基础承台因沉降产生细微的偏移时，能够通过悬垂状态及时反馈。
结合第一方面或第一方面任意一种实施方式，在第一方面第四实施方式中，光斑数据信号包括：激光射线在光电感应板的光斑在光电感应板上的位置信号，该检测设备包括：偏移量计算模块，用于根据位置信号计算发电机组的偏移量；工况判定模块，用于判断偏移量是否大于或等于预设值；当偏移量大于或等于预设值时，判定风力发电机组的塔筒产生变形/倾斜，和/或判定风力发电机组的基础产生沉降。基于光电感应板上的光斑信号的位置计算得到塔筒或基础承台的偏移量，从而能够及时检测出风力发电机组的塔筒产生变形/倾斜/倾斜或基础承台产生沉降的情况，当偏移量超过阈值范围时，则可判定机组的塔筒产生变形/倾斜，和/或基础承台产生沉降，有可能威胁到风力发电机组的正常运行。
结合第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，该位置信号包括：光斑在光电感应板上的X轴方位信号及Y轴方位信号；偏移量计算模块包括：偏差距离计算子模块，用于根据X轴方位信号及Y轴方位信号计算光斑与光电感应板上XY轴交叉点的偏差距离。以光电感应板的XY轴交叉点作为基准点，检测激光射线在光电感应板上的X轴、Y轴的方位信号，并根据该方位信号计算偏差距离，从而得到偏移量，作为判断风力发电机组运行工况的依据。
结合第一方面第五实施方式，在第一方面第六实施方式中，该偏移量计算模块还包括：偏移角度计算模块，用于根据激光发射器、光电感应板间的实际距离及偏差距离计算偏移角度；偏移距离计算模块，用于根据偏移角度及实际距离计算水平偏移距离。结合根据X轴方位信号及Y轴方位信号计算光斑与基准点(XY轴交叉点)的偏差距离，以及激光发射器、光电感应板间的实际距离计算偏移角度，并进一步结合偏移角度计算水平偏移距离，能够计算得到风力发电机组的塔筒和/或基础承台的水平偏移量，能够更加准确地计算得到发电机组的实际偏移状况，使相关工作人员更加一目了然，清楚地了解风力发电机组的运行工况。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种发电机组，包括：基础承台、数据节点电路、塔筒法兰维护平台、多个塔筒段及如第一方面或第一方面任意一种实施方式所述的风力发电机组运行工况的检测装置，其中，各塔筒段之间通过连接法兰连接，底端的塔筒通过连接法兰与基础承台连接，该基础承台用以承载其上的多个塔筒段；塔筒法兰维护平台设置于各塔筒段中，用以作为工作人员检修连接法兰的平台；该风力发电机组运行工况的检测装置分别设置于各塔筒法兰维护平台上和/或基础承台上；数据节点电路与至少一对光电感应板及激光发射器连接，以将光斑数据信号发送至检测设备进行检测。
本发明实施例的风力发电机组，由于搭载有风力发电机组运行工况的检测装置，能够实现自动实时检测过程，无需人工参与，避免了由于人工检测带来的测量误差；同时，由于无需使用传感器进行测量，避免了温度对测量结果的影响，进一步提高了检测的精度，能够更加准确地反映风力发电机组的状态。
结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，上述的数据节点电路包括：供电电路、激光控制电路、控制管理电路及光电感应板信号处理电路，其中，供电电路与电源连接，用于对激光发射器、光电感应板和数据节点电路进行供电；激光控制电路与激光发射器连接，用于控制激光发射器的启停；光电感应板信号处理电路分别与光电感应板及控制管理电路连接，用于处理来自光电感应板的光斑数据信号，并将处理后的光斑数据信号发送至控制管理电路；控制管理电路与光电感应板信号处理电路连接，用于获取光电感应板信号处理电路传输的处理后的光斑数据信号，并将处理后的光斑数据信号传输至外接的控制器。通过数据节点电路中的各个子电路的协同工作，可控制激光发射器的工作和接收光电感应板的XY轴数据信号，同时根据XY轴数据信号计算激光斑在光电感应板上的位置及方位信息。
结合第二方面，在第二方面第二实施方式中，该风力发电机组还包括：机舱，通过偏航轴承与顶端的塔筒段的连接法兰连接；叶轮，与发电机连接；风机控制柜，风机控制柜中的风力发电机组的控制器通过通信数据总线连接各数据节点电路，获取各数据节点电路传输的光斑数据信号。
结合第二方面，在第二方面第三实施方式中，该风力发电机组还包括：监控设备，用于根据检测结果生成结果展示图，进行显示。在实际应用中，该监控设备可以是中央监控平台等，所显示的结果展示图可以是轨迹图，以便工作人员实时掌握发电机组的垂直度及不均匀沉降情况。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种风力发电机组运行工况的检测方法，包括：接收光电感应板根据激光发射器发射的激光射线生成的光斑数据信号；根据光斑数据信号判断风力发电机组的基础是否产生沉降，和/或风力发电机组的塔筒是否产生变形或倾斜。本发明实施例的风力发电机组运行工况的检测方法，所获取的数据是通过激光发射器发射的激光在光电感应板上形成的光斑数据信号，能够实现自动实时采集过程，无需人工参与，并且计算过程简单、高效，避免了由于人工检测带来的测量误差；同时，由于无需使用传感器进行测量，避免了温度对测量结果的影响，进一步提高了检测的精度，能够更加准确地反映风力发电机组的状态。
结合第三方面，在第三方面第一实施方式中，该光斑数据信号包括：激发激光射线在光电感应板上的光斑在光电感应板上的位置信号，根据光斑数据信号判断发电机组的基础是否产生沉降，和/或所述风力发电机组的塔筒是否产生变形或倾斜，包括：根据位置信号计算发电机组的偏移量；判断偏移量是否大于或等于预设值；当偏移量大于或等于预设值时，判定发电机组的基础产生沉降，和/或所述风力发电机组的塔筒产生变形或倾斜。基于光斑信号确定光斑和基准信号的偏移量，从而检测风力发电机组是否产生变形和/或不均匀沉降。
结合第三方面第一实施方式，在第三方面第二实施方式中，该位置信号包括：光斑在光电感应板上的X轴方位信号及Y轴方位信号；根据位置信号计算风力发电机组的偏移量，包括：根据X轴方位信号及Y轴方位信号计算光斑与光电感应板上XY轴交叉点的偏差距离。以光电感应板的XY轴交叉点作为基准点，检测激光射线在光电感应板上的X轴、Y轴的方位信号，并根据该方位信号计算偏差距离，从而得到偏移量，作为判断发电机组运行工况的依据。
结合第三方面第二实施方式，在第三方面第三实施方式中，根据位置信号计算风力发电机组的偏移量，还包括：根据激光发射器、光电感应板间的实际距离及偏差距离计算偏移角度；根据偏移角度及实际距离计算水平偏移距离。结合根据X轴方位信号及Y轴方位信号计算光斑与基准点(XY轴交叉点)的偏差距离，以及激光发射器、光电感应板间的实际距离计算偏移角度，并进一步结合偏移角度计算该风力发电机组的水平偏移距离，能够计算得到风力发电机组的塔筒和/或基础承台的水平偏移量，能够更加准确地计算得到风力发电机组的实际偏移状况，使相关工作人员更加一目了然，清楚地了解风力发电机组的运行工况。
根据第四方面，本发明实施例提供了一种检测设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行第三方面或者第三方面的任意一种实施方式中所述的风力发电机组运行工况的检测方法。
根据第五方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令用于使计算机执行第三方面或者第三方面的任意一种实施方式中所述的发电机组运行工况的检测方法。
根据第六方面，本发明实施例提供了一种风力发电机组运行工况的检测系统，包括：数据节点电路、激光发射器、光电感应板、风机控制系统及中央监控系统，其中，激光发射器与光电感应板对应设置，激光发射器向光电感应板发射激光射线；光电感应板接收激光射线，根据激光射线生成光斑数据信号，并将光斑数据信号发送至数据节点电路；数据节点电路将光斑数据信号发送至风机控制系统；风机控制系统对光斑数据信号进行分析，生成分析结果，将分析结果发送至中央监控系统。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例的风力发电机组运行工况的检测装置的结构示意图；
图2示出了本发明实施例的光电感应板的示意图；
图3A及图3B示出了本发明实施例的激光发射器及光电感应板的应用原理图；
图4示出了本发明实施例的塔筒产生变形/倾斜时激光射线投射到光电感应板的光斑位置的示意图；
图5A及图5B示出了本发明实施例的检测设备的结构示意图；
图6示出了本发明实施例的计算塔筒偏移量的原理图；
图7示出了本发明实施例的连接法兰出现松动的示意图；
图8示出了本发明实施例的连接法兰出现松动时激光射线投射到光电感应板的光斑位置的示意图；
图9示出了本发明实施例的设置在基础承台上的检测装置的示意图；
图10示出了本发明实施例的基础产生沉降时的示意图；
图11A示出了本发明实施例的基础产生沉降时激光射线投射到光电感应板的光斑位置的示意图；
图11B示出了本发明实施例的计算基础承台偏移量的原理图；
图12示出了本发明实施例的风力发电机组的结构示意图；
图13示出了本发明实施例的数据节点电路的结构示意图；
图14示出了本发明实施例的风力发电机组运行工况的检测系统的示意图；
图15示出了本发明实施例的风力发电机组运行工况的检测方法的流程图；
图16示出了本发明实施例的检测设备的结构示意图。
附图标记
1机舱；2叶轮；3基础承台；4第一塔筒段；5第二塔筒段；6第三塔筒段；7塔筒连接法兰；8动力电缆；9风机控制柜；10塔筒法兰维护平台；11激光发射器；12光电感应板；13数据节点电路；14支架；15变流柜。
具体实施方式
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，本领域技术人员在没有作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。
本发明实施例提供了一种风力发电机组运行工况的检测装置，如图1及图9所示，该发电机组运行工况的检测装置包括：激光发射器11、光电感应板12及检测设备100。
激光发射器11与光电感应板12对应设置，激光发射器11向光电感应板12发射激光射线。在初始安装时，激光发射器11发射的激光射线与风力发电机组的纵轴轴线平行或重合，从而能够比较一致地体现风力发电机组的塔筒或基础承台3的位置。以激光发射器11向光电感应板12发射的激光光斑的位置作为基准位置，较佳地，如图2所示，该光电感应板12上可设置X轴及Y轴，该基准位置为X轴Y轴的交叉点(可认为是原点)，从而能够比较简便地获取该基准位置的位置信息(例如坐标数据等)。但实际应用中，并不以此为限。
光电感应板12接收激光射线，根据激光射线生成光斑数据信号，并将该光斑数据信号发送至检测设备100。光电感应板12由电荷藕合器件图像传感器元件阵列或光电二极管阵列或光电三极管阵列或光电池阵列等光电敏感元件构成。在实际应用中，该光电感应板12可以设置于风力发电机组的法兰维护平台上、或基础承台3上，或者是在法兰维护平台及基础承台3上分别设置。设置在法兰维护平台上的光电感应板12主要用以采集表征塔筒工作位置的激光射线的光斑数据信号，设置在基础承台3上的光电感应板12主要用以采集表征风力发电机组基础的工作位置的激光射线的光斑数据信号。可根据实际检测需求在法兰维护平台、基础承台3上设置光电感应板12及对应的激光发射器11。
检测设备100则根据光斑数据信号判断该风力发电机组的基础是否产生不均匀沉降，和/或判断该风力发电机组的塔筒是否产生倾斜/变形。
通过本发明实施例的风力发电机组运行工况的检测装置，能够实现自动实时检测过程，无需人工参与，避免了由于人工检测带来的测量误差；同时，由于无需使用传感器进行测量，避免了温度对测量结果的影响，进一步提高了检测的精度，能够更加准确地反映风力发电机组的状态。
在本发明的一些实施例中，如图3A、图3B、图9及图10所示，对于设置在塔筒法兰维护平台10上的光电感应板12及激光发射器11，该光电感应板12及激光发射器11可以是分别设置在两个塔筒段的两个塔筒法兰维护平台10的相对两个面上，使得该光电感应板12与激光发射器11能够相对设置，激光发射器11发射的激光射线能够投射到光电感应板12上。初始状态下，塔筒无任何变形并保持垂直，且基础承台3水平无沉降，每个塔筒段上安装的激光发射器11发射的激光射线都平行或重合于塔筒的纵轴轴线，激光光斑照射在光电感应板12的XY轴的交叉点上；当风力发电机组运行时，塔筒承受来自顶部的水平风力载荷和其它多种载荷后，塔筒会出现一定幅度的摇摆和扭曲等变形，塔筒的纵轴轴线会产生变形。此时由于激光发射器11和光电感应板12位置固定，激光发射器11和光电感应板12也会随塔筒出现相对方位变化，而且它们的方位变化有时是不一致的，但是激光发射器11的发出的光线是直的，这就会导致激光发射器11的光斑位置在光电感应板12的位置发生变化，光斑位置偏离XY轴的交叉点一定的距离，如图3A及图3B所示。此时，激光发射器11投射在光电感应板12上的激光光斑a的投射位置如图4所示，可见，其位置明显偏离了XY轴的交叉点O。
此时，如图5A所示，检测设备100主要可以包括：偏移量计算模块101，用于根据激光射线在光电感应板12上的位置信号计算风力发电机组塔筒的偏移量；工况判定模块102，用于判断偏移量是否大于或等于预设值；当偏移量大于或等于预设值时，判定风力发电机组的塔筒产生变形或倾斜。
具体地，如图6所示，偏移量计算模块101根据光电感应板12输出激光斑位于X和Y轴的方位信号，可以计算出光斑距离XY轴交叉点的偏差距离L。工况判定模块102根据该偏差距离L与一预设阈值相比较，当偏差距离L大于该预设阈值时，则可判定该塔筒产生变形或倾斜，需要进行检修。
进一步地，如图5B所示，检测设备100还包括偏移角度计算模块103，用于根据激光发射器11、光电感应板12间的实际距离及该偏差距离计算偏移角度；偏移距离计算模块104，用于根据偏移角度及实际距离计算水平偏移距离。在已知激光发射器11与光电感应板12的距离H(塔筒两层维护平台的距离)的情况下，偏移角度计算模块103可以通过三角函数计算出塔筒变形后轴线偏移角度θ，即：θ＝arc tan(L/H)，偏移距离计算模块104可通过三角形原理塔筒上一层平台倾斜角度为θ，根据三角函数可以计算出塔筒上一层维护平台的水平偏移距离S，即：S＝H sinθ。由于光电感应板12安装时X+方向指向正北方位，所以通过激光斑在光电感应板12上的位置标示出塔筒变形的方位角度。将每个塔筒段的光电感应板12上激光斑的位置信息进行统计，可以得到整个风力发电机组的塔筒变形方位或倾斜的信息，能够更加准确地计算得到风力发电机组的塔筒的实际偏移状况，使相关工作人员更加一目了然，清楚地了解风力发电机组的塔筒的运行工况。
可选地，在本发明的一些实施例中，上述的风力发电机组运行工况的检测装置也可以用于对塔筒各个螺栓连接法兰状态的检测。如图7所示，当各个塔筒段的连接法兰7上的螺栓有大量集中的松动时，风力发电机组运行过程中由于螺栓松动，两个塔筒段间的连接法兰7会出现局部的脱离分开现象，连接法兰7分开会导致塔筒段的整体倾斜，这样也会导致激光斑位置在光电感应板12的位置发生变化，光斑b的位置偏离XY轴的交叉点O一定的距离，如图8所示。基于该偏移距离计算塔筒的偏移量，并进行检测的过程与检测塔筒变形的过程一致，在此不再赘述。所不同的是，在实际应用中，由于连接法兰7的松动脱离产生的倾斜程度可能更大，因此，可以通过设置不同的预设阈值(对应于连接法兰的预设阈值更大)来判断是塔筒自身产生了倾斜，还是由于连接法兰松动脱离产生的倾斜。
在实际应用中，由于风力发电机组作为高耸的构筑物，对基础的沉降尤其是对不均匀沉降的要求很高，基础不均匀沉降超过2毫米时，风力发电机组是不允许安装的。由此可见，基础承台3的不均匀沉降产生的幅度相对于塔筒的变形、倾斜程度来说较小。
可选地，在本发明的一些实施例中，为了能够更加精确地反应基础承台3的细微变化，如图9所示，设置在基础承台3上的光电感应板12及激光发射器11还可配合设置有一支架14，该支架14架设于光电感应板12上方，激光发射器11悬垂安装在支架14顶端，与光电感应板12相对应。
具体地，可以是将激光发射器11使用柔性绳索悬垂安装在支架14的顶端，在正对激光发射器11的基础承台3表面安装一个光电感应板12，并调节光电感应板12使得光电感应板12水平放置。初始状态下调整光电感应板12的位置使得静止悬垂的激光发射器11发射的激光正对XY轴的交叉点。当风力发电机组的基础出现不均匀沉降时，基础承台3就会与水平地面出现一定的倾斜角度，如图10所示。由于支架14和光电感应板12安装在基础承台3上，所以支架14和光电感应板12会随着基础承台3一起倾斜，但是用柔性绳索悬垂安装的激光发射器11受重力作用会一直保持垂直，这样也会导致激光斑位置在光电感应板12的位置发生变化，光斑c的位置偏离XY轴的交叉点O一定的距离，如图11A所示。
此时，如图11B所示，偏移量计算模块101可根据光电感应板12输出激光斑位于X轴和Y轴的方位信号，计算出光斑距离XY轴交叉点的偏移距离m，工况判定模块102根据该偏差距离m与一预设阈值相比较，当偏差距离m大于该预设阈值时，则可判定该基础承台3产生变形或倾斜，需要进行检修。
进一步地，在已知支架固定激光发射器11的固定点距离光电感应板12距离h的情况下，偏移角度计算模块103可以通过三角函数计算出基础不均匀沉降后轴线偏移角度α，即：α＝arc tan(m/h)，偏移距离计算模块104可通过三角形原理可以得知基础沉降后与水平面的角度为α。由于光电感应板12安装时X+方向指向正北方位，所以通过激光斑在光电感应板12上的位置标示出风力发电机组基础沉降的方位角度，从而能够更加准确地计算得到风力发电机组的基础承台3的实际偏移状况，使相关工作人员更加一目了然，清楚地了解风力发电机组的运行工况。
本发明实施例还提供一种发电机组，在实际应用中，该发电机组可以是风力发电机组等，本发明并不以此为限。如图12所示，该发电机组主要包括：基础承台3、数据节点电路13、多个塔筒段以及上述任意实施例所述的风力发电机组运行工况的检测装置。
在本发明实施例中，是以三个塔筒段的风力发电机组为例，在每个塔筒段的法兰维护平台10的中心位置分别安装激光发射器11和光电感应板12，第一塔筒段4的激光发射器11安装在基础承台3的中心位置，第一塔筒段4的法兰维护平台10不安装激光发射器11，而是将激光发射器11安装在基础承台3上，并在第一塔筒段4中的法兰维护平台10设置一段空间，以使安装在基础承台3上的激光发射器11发出的激光射线能够投射到第二塔筒段5的法兰维护平台10的下表面所设置的光电感应板2上；第二塔筒段5的激光发射器11安装在其法兰维护平台10上，第三塔筒段6的激光发射器11安装在其法兰维护平台10上，如图12所示，需要说明的是，上述的激光发射器11与光电感应板12的设置方式仅为适应风力发电机组的结构所做的适应性调整，本发明并不以此为限。各塔筒段之间通过连接法兰7连接，底端的塔筒通过连接法兰7与基础承台3连接；基础承台3用以承载多个塔筒段；塔筒法兰维护平台10设置于各塔筒段中，与各塔筒段之间的连接法兰7相对应，使工作人员能够在法兰维护平台10进行连接法兰7的巡检及维护工作。
每个塔筒段各安装有一个数据节点电路13。数据节点电路13用于控制激光发射器11的工作和接收光电感应板12的XY轴数据信号，同时根据XY轴数据信号计算激光斑在光电感应板12上的位置及方位信息。一个数据节点电路13可以控制一个或多个激光发射器11，一个数据节点电路13也可以接收一个或多个光电感应板12的XY轴数据信号。
如图13所示，数据节点电路13是整个系统的重要部件之一，它包括四个部分的功能电路：供电电路131、激光控制电路132、控制管理电路133及光电感应板信号处理电路134。供电电路131用于对激光发射器11、光电感应板12和数据节点电路13内部进行供电。激光控制电路132与激光发射器11连接，用于控制该激光发射器11的启停；光电感应板信号处理电路134分别与光电感应板12及控制管理电路133连接，用于处理来自光电感应板12的光斑数据信号(例如模数转换等)，并将处理后的光斑数据信号发送至控制管理电路133；控制管理电路133与光电感应板信号处理电路134连接，用于获取光电感应板信号处理电路134传输的处理后的光斑数据信号，并将处理后的光斑数据信号传输至外接的控制器(例如PLC等)。
具体实施时，若无法在法兰维护平台10的中心安装激光发射器11和光电感应板12时，也可以将激光发射器11和光电感应板12安装于靠近法兰维护平台10中心的位置。激光发射器11和光电感应板12安装后需要做一定的调整：首先，调整激光发射器11的水平度，保证初始安装时激光发射器11水平安装；其次，调节激光发射器11的射线与水平面垂直，并与塔筒的纵轴轴线平行或重合；最后，光电感应板12的X轴平行南北方向，X+指向正北方向，并且微调光电感应板12的位置使得激光照射到光电感应板12的XY轴的交点(基准点)上，保证初始安装时光电感应板12水平安装。
可选地，在本发明的一些实施例中，该风力发电机组还设置有机舱1，机舱1中设置有发电机，可选地，该发电机也可设置在机舱1外部。该机舱1通过偏航轴承与顶端的塔筒段的连接法兰7连接；叶轮2，与发电机连接；风机控制柜9，风机控制柜9中的风力发电机组的控制器通过通信数据总线连接各数据节点电路13，获取各数据节点电路13传输的光斑数据信号。
进一步地，本发明实施例的风力发电机组设置有变流柜15，该变流柜15设置于第一塔筒段4中，通过动力电缆8与机舱1上的发电机连接，将风力发电机组中发电机发出的电能进行转换输送到电网中。
进一步地，该风力发电机组还设置有风机控制系统、光网交换机及中央监控系统。每塔筒段上安装的光电感应板12测量的激光光斑的位置数据通过数据线发送给数据节点电路13。每节塔筒段的数据节点电路13通过通信总线进行连接，每个数据节点电路13均提前设置好通信地址用于各个塔筒段数据和塔底基础倾斜数据的区分识别。所有数据节点电路13的数据均通过通信总线传输给风机的控制系统。通信总线可以是目前已经通用的几种现场数据总线之一，例如：Profibus DP总线、CAN总线、HART总线、modbus总线等，但不限于以上所述的这几种。
风力发电机组的控制系统实时地接收风力发电机组的塔筒内安装的每一个数据节点电路13的数据。风力发电机组的控制系统对收集到的数据进行计算处理，将数据按时间进行平均值计算或加权平均值计算，用以降低信号干扰带来的影响，并将数据按计算时间的不同加以区分并进行记录，例如：1分平均计算数据，10分平均计算数据，1小时平均计算数据等。
根据时间数据的类别，风力发电机组控制器内部分别设置警告限值和故障限值，故障限值大于警告限值。当风力发电机组测量计算的数据超过警告限值但没有超出故障限值时，风力发电机组保持运行状态同时向远程的风电场中央监控系统发送报警信号，用以提示远方的监控人员给予关注。
风力发电机组控制器的控制程序对警告信号进行计数，当风力发电机组测量计算的数据超过警告限值并达到一定次数时或者在单位时间内超过一定次数限值时，例如设定值为5次或者每24小时5次，风力发电机组进行保护停机并发出故障警告信号给风电场的中央监控系统，提示风电场的工作人员需要对风机进行登机检查，允许风电场的工作人员通过中央监控系统对机组进行远程复位并启动机组的操作。
对于安装有足够多的视频监控设备的风力发电机组，例如每段塔筒都安装有一个以上的360度全角度旋转高清视频摄像头，风电场的工作人员也可以通过视频监控系统对塔筒及监测设备进行视觉检查，以此来代替实际的登机检查。
当风力发电机组测量计算的数据超出故障限值时，风力发电机组进行保护停机并发出故障警告信号给风电场的中央监控系统，提示风电场的工作人员必须对风机进行登机检查，不允许风电场的工作人员通过中央监控系统对机组进行远程复位并启动机组的操作，工作人员必须就地对风力发电机组进行复位方可运行机组启动运行。每一个数据节点电路13的数据都按上述方式进行计算处理，并进行相应的方式对风力发电机组进行保护。
风力发电机组的控制器对于风力发电机组的停机保护有三种模式：正常停机保护模式、快速停机保护模式和紧急停机保护模式。
正常停机模式下，风力发电机组的变桨系统以2度/秒的速度进行顺桨操作，发电机转速下降到4.5转/分钟时变频系统停止工作；快速停机模式下，风力发电机组的变桨系统以4度/秒的速度进行顺桨操作，发电机转速下降到4.5转/分钟时变频系统停止工作；紧急停机模式下，风力发电机组的变桨系统以6度/秒的速度进行顺桨操作，无论发电机转速为多少变频系统立即停止工作。并且，停机保护模式可以有多种方式，不限于上述描述。
当风力发电机组因计算数据超过警告限值并达到一定次数时或者在单位时间内超过一定次数限值时，风力发电机组的控制器对于风力发电机组实施正常停机保护模式。
当风力发电机组因计算数据超过故障限值时，风力发电机组的控制器对于风力发电机组实施快速停机保护模式。
对于风力发电机组测量计算的数据超出故障限值引发的停机保护的情况，风电场的工作人员应该使用专用测量设备，例如水准仪、水平尺等，按照相应规程对塔筒、塔筒法兰连接和基础进行测量和检查，以便及早发现隐患及时进行排除。
此外，风力发电机组的控制系统实时发送风力发电机组的各个塔筒段测量数据和塔底基础倾斜测量数据给中央监控系统，风电场的运维和管理人员可以实时地通过中央监控系统查看到风电场内每一台风力发电机组的各个塔筒段测量数据和塔底基础测量数据，以及根据该塔筒段测量数据及塔底基础测量数据生成的轨迹图等结果展示图。
具体地，本发明实施例的风力发电机组中所构成的检测系统如图14所示，1#数据节点电路13用于监测风力发电机组的基础的不均匀沉降情况，2#、3#、4#数据节点电路13分别用于三个塔筒段的垂直度监测。其中，基础的沉降的监测信号和第一塔筒段的监测信号可以使用1个数据节点电路13进行控制和测量，即一个数据节点电路13连接2组激光发射器11和光电感应板12，如图12所示。同理，多个塔筒段的垂直度监测也可以使用一个数据节点电路13进行控制和监测，本发明并不以此为限。每台风力发电机组的测量数据都通过机组的控制系统连接的光网交换机和光缆网络输送给风电场的中央监控系统进行监视和存储，每台风力发电机组的各个塔筒段测量数据和塔底基础倾斜测量数据全部存储在风电场中央监控系统的后台数据服务器中。这些数据可以用于风力发电机组的运行状态的分析。后台存储的数据可以运用XY轴数据的轨迹分布情况进行分析判断，通过轨迹图可以及时发现风力发电机组塔架垂直度的变化和基础的沉降情况。
本发明实施例还提供一种风力发电机组运行工况的检测方法，如图15所示，该检测方法主要包括：
步骤S1：接收光电感应板12根据激发激光射线生成的光斑数据信号。其中，该激发激光射线是通过上述的激光发射器11发射至光电感应板12上，光电感应板12根据该激发激光射线生成相应的光斑数据信号。
步骤S2：根据光斑数据信号判断风力发电机组的基础是否产生沉降，和/或风力发电机组的塔筒是否产生变形或倾斜。
具体地，该光斑数据信号包括：激发激光射线在光电感应板12上的光斑在光电感应板12上的位置信号，该位置信号包括：光斑在光电感应板12上的X轴方位信号及Y轴方位信号，在本发明的一些实施例中，步骤S2，根据光斑数据信号判断风力发电机组的基础是否产生沉降，和/或风力发电机组的塔筒是否产生变形或倾斜，包括：
根据位置信号计算风力发电机组的偏移量；判断该偏移量是否大于或等于预设值；当偏移量大于或等于预设值时，判定风力发电机组的基础产生沉降，和/或风力发电机组的塔筒产生变形或倾斜。通过该偏移量即可判断风力发电机组的塔筒是否产生变形/倾斜，和/或基础承台3是否产生不均匀沉降。
进一步地，还可根据激光发射器11、光电感应板12间的实际距离及偏差距离计算偏移角度；并根据偏移角度及实际距离计算水平偏移距离，从而能够更加准确地计算得到风力发电机组的塔筒和/或基础承台3的实际偏移状况，使相关工作人员更加一目了然，清楚地了解风力发电机组的运行工况。
本发明实施例还提供了一种检测设备，如图16所示，该检测设备可以包括处理器161和存储器162，其中处理器161和存储器162可以通过总线或者其他方式连接，图16中以通过总线连接为例。
处理器161可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器161还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器162作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的风力发电机组运行工况的检测方法对应的程序指令/模块(例如，图5B所示的偏移量计算模块101、工况判定模块102、偏移角度计算模块103及偏移距离计算模块104)。处理器161通过运行存储在存储器162中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的发电机组运行工况的检测方法。
存储器162可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器161所创建的数据等。此外，存储器162可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器162可选包括相对于处理器161远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器161。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器162中，当被所述处理器161执行时，执行如图15所示实施例中的发电机组运行工况的检测方法。
上述检测设备100具体细节可以对应参阅图15所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (16)
1.一种风力发电机组运行工况的检测装置，其特征在于，包括：激光发射器（11）、光电感应板（12）及检测设备（100），其中，
所述激光发射器（11）与所述光电感应板（12）对应设置，所述激光发射器（11）向所述光电感应板（12）发射激光射线；
所述光电感应板（12）接收所述激光射线，根据所述激光射线生成光斑数据信号，并将所述光斑数据信号发送至所述检测设备（100）；
所述检测设备（100）根据所述光斑数据信号判断所述风力发电机组的基础是否产生沉降，和/或所述风力发电机组的塔筒是否产生变形或倾斜；
支架（14），架设于所述光电感应板（12）上方，所述激光发射器（11）悬垂安装在所述支架（14）顶端，与所述光电感应板（12）相对应；
所述光斑数据信号包括：所述激光射线在所述光电感应板（12）的光斑在所述光电感应板（12）上的位置信号，
所述检测设备（100）包括：
偏移量计算模块，用于根据所述位置信号计算所述风力发电机组的偏移量；
工况判定模块，用于判断所述偏移量是否大于或等于预设值；当所述偏移量大于或等于所述预设值时，判定所述风力发电机组的塔筒产生变形或倾斜，和/或，判定所述风力发电机组的基础产生沉降。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组运行工况的检测装置，其特征在于，所述光电感应板（12）设置于所述风力发电机组的法兰维护平台（10）上和/或基础承台（3）上。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组运行工况的检测装置，其特征在于，初始安装时，所述激光发射器（11）发射的激光射线与所述风力发电机组的纵轴轴线平行或重合，且所述激光射线在所述光电感应板（12）的光斑位于所述光电感应板（12）的基准点上。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组运行工况的检测装置，其特征在于，所述位置信号包括：所述光斑在所述光电感应板（12）上的X轴方位信号及Y轴方位信号；
所述偏移量计算模块包括：
偏差距离计算子模块，用于根据所述X轴方位信号及Y轴方位信号计算所述光斑与所述光电感应板（12）上XY轴交叉点的偏差距离。
5.根据权利要求4所述的风力发电机组运行工况的检测装置，其特征在于，所述偏移量计算模块还包括：
偏移角度计算模块，用于根据所述激光发射器（11）、光电感应板（12）间的实际距离及所述偏差距离计算偏移角度；
偏移距离计算模块，用于根据所述偏移角度及实际距离计算水平偏移距离。
6.一种风力发电机组，其特征在于，包括：基础承台（3）、塔筒法兰维护平台（10）、数据节点电路（13）、多个塔筒段及如权利要求1-5中任一项所述的风力发电机组运行工况的检测装置，其中，
各所述塔筒段之间通过连接法兰（7）连接，底端的塔筒段通过连接法兰（7）与所述基础承台（3）连接；
所述基础承台（3）用以承载所述多个塔筒段；
所述塔筒法兰维护平台（10）设置于各个所述塔筒段中；
所述风力发电机组运行工况的检测装置分别设置于各所述塔筒法兰维护平台（10）上和/或所述基础承台（3）上；
所述数据节点电路（13）与至少一对所述光电感应板（12）及激光发射器（11）连接，以将所述光斑数据信号发送至所述检测设备（100）。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组，其特征在于，所述数据节点电路（13）包括：供电电路、激光控制电路、控制管理电路及光电感应板信号处理电路，其中，
所述供电电路与电源连接，用于对所述激光发射器（11）、光电感应板（12）和数据节点电路（13）进行供电；
所述激光控制电路与所述激光发射器（11）连接，用于控制所述激光发射器（11）的启停；
所述光电感应板信号处理电路分别与所述光电感应板（12）及控制管理电路连接，用于处理来自光电感应板（12）的光斑数据信号，并将处理后的光斑数据信号发送至所述控制管理电路；
所述控制管理电路与所述光电感应板信号处理电路连接，用于获取所述光电感应板信号处理电路传输的处理后的光斑数据信号，并将所述处理后的光斑数据信号传输至外接的控制器。
8.根据权利要求6所述的风力发电机组，其特征在于，还包括：
机舱（1），所述机舱（1）通过偏航轴承与顶端的所述塔筒段的连接法兰（7）连接；
叶轮（2），与发电机连接；
风机控制柜（9）中的风力发电机组的控制器通过通信数据总线连接各所述数据节点电路（13），获取各所述数据节点电路（13）传输的光斑数据信号。
9.根据权利要求6所述的风力发电机组，其特征在于，还包括：
监控设备，用于根据所述检测结果生成结果展示图，进行显示。
10.一种风力发电机组运行工况的检测方法，其特征在于，应用于如权利要求6-9所述的风力发电机组，所述方法包括：
接收光电感应板根据激光发射器发射的激光射线生成的光斑数据信号；
根据所述光斑数据信号判断风力发电机组的基础是否产生沉降，和/或所述风力发电机组的塔筒是否产生变形或倾斜。
11.根据权利要求10所述的风力发电机组运行工况的检测方法，其特征在于，所述光斑数据信号包括：所述激光射线在所述光电感应板上的光斑在所述光电感应板上的位置信号，
所述根据所述光斑数据信号判断所述风力发电机组的基础是否产生沉降，和/或所述风力发电机组的塔筒是否产生变形或倾斜，包括：
根据所述位置信号计算所述风力发电机组的偏移量；
判断所述偏移量是否大于或等于预设值；
当所述偏移量大于或等于所述预设值时，判定所述风力发电机组的基础产生沉降，和/或所述风力发电机组的塔筒产生变形或倾斜。
12.根据权利要求11所述的发电机组运行工况的检测方法，其特征在于，所述位置信号包括：所述光斑在所述光电感应板上的X轴方位信号及Y轴方位信号；
所述根据所述位置信号计算所述风力发电机组的偏移量，包括：
根据所述X轴方位信号及Y轴方位信号计算所述光斑与所述光电感应板上XY轴交叉点的偏差距离。
13.根据权利要求12所述的发电机组运行工况的检测方法，其特征在于，所述根据所述位置信号计算所述风力发电机组的偏移量，还包括：
根据所述激光发射器、光电感应板间的实际距离及所述偏差距离计算偏移角度；
根据所述偏移角度及所述实际距离计算所述风力发电机组的水平偏移距离。
14.一种计算机设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求10-13中任一项所述的风力发电机组运行工况的检测方法。
15.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如权利要求10-13中任一项所述的发电机组运行工况的检测方法。
16.一种风力发电机组运行工况的检测系统，其特征在于，应用于如权利要求6-9所述的风力发电机组，所述系统包括：数据节点电路（13）、激光发射器（11）、光电感应板（12）、风机控制系统及中央监控系统，其中，
所述激光发射器（11）与所述光电感应板（12）对应设置，所述激光发射器（11）向所述光电感应板（12）发射激光射线；
所述光电感应板（12）接收所述激光射线，根据所述激光射线生成光斑数据信号，并将所述光斑数据信号发送至所述数据节点电路（13）；
所述数据节点电路（13）将所述光斑数据信号发送至所述风机控制系统；
所述风机控制系统对所述光斑数据信号进行分析，生成分析结果，将所述分析结果发送至所述中央监控系统。
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