一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统及方法转让专利
申请号 : CN202010106201.5
文献号 : CN111397577B
文献日 : 2021-11-12
发明人 : 罗勇水 , 曹梦楠 , 卓沛骏 , 艾真伟
申请人 : 浙江运达风电股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统,其特征在于,包括塔顶传感器组(2.1)、基础传感器组(2.2)、数据单元(3)和主控系统(4),所述塔顶传感器组(2.1)、基础传感器组(2.2)通过数据单元(3)与主控系统(4)相连,一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统的工作方法,包括以下步骤:①测量获得塔顶和基础的倾斜角以及倾斜方向上的角速度;
②基于塔顶的动态特性采用Kalman方法建立滤波方程,并根据测量得到的塔顶倾斜角和角速度,获得塔顶动态倾斜角的最优估计;
③建立风电塔架的挠度曲线,根据塔顶动态倾斜角的最优估计,获得所述塔架晃动的动态位移量,根据塔架的结构和尺寸参数,通过仿真方法获得塔架挠度曲线方程:γ=f(v,h)
式中,γ为挠度,f(v,h)为风速v时所述塔架在高度h处的挠度仿真结果,根据所述塔架的挠度曲线,进一步获得塔顶动态倾角和位移的比例关系P,代入方程 求解获得塔架晃动的动态位移量,式中,sk为k时刻的塔顶晃动位移量,H为塔架高度, 为k时刻塔顶倾斜角的最优估计;
④基于基础的动态特性建立滤波方程,采用Kalman方法,根据测量得到的基础倾斜角和角速度,获得基础动态倾斜角的最优估计;
⑤根据基础动态倾斜角的最优估计,结合所述风电塔架尺寸参数,获得基础不均匀沉降量;
⑥主控系统对数据单元上传的数据进行分析并展示,判断塔顶晃动和基础不均匀沉降状态,当发现塔顶晃动和基础不均匀沉降超过限定值,则机组产生报警并停机。
2.根据权利要求1所述的一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统,其特征在于,所述塔顶传感器组(2.1)安装在塔架顶端壁面,包括塔顶双轴倾角传感器(2.11)和塔顶双轴陀螺仪(2.12)。
3.根据权利要求1所述的一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统,其特征在于,所述基础传感器组(2.2)安装在塔架基础位置,包括基础双轴倾角传感器(2.21)和基础双轴陀螺仪(2.22)。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统,其特征在于,所述数据单元(3)安装在塔基控制柜中,包括通用模块,分别与塔顶传感器组(2.1)、基础传感器组(2.2)、主控系统(4)相连。
5.根据权利要求1所述的一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统,其特征在于,所述步骤①在塔顶和基础位置,采用倾角传感器获得水平面内两个正交方向上的倾斜角,同时采用陀螺仪获得对应方向上的角速度。
6.根据权利要求1所述的一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统,其特征在于,所述步骤②根据风电塔架顶端的倾斜角和角速度的动态特性,建立塔顶传感器组的融合方程
即
式中,θt为倾角传感器测量得到的塔顶倾斜角,bt为塔顶陀螺仪的零点漂移,Δt为迭代步长, 为陀螺仪测量得到的塔顶倾斜角速度,wk为高斯分布的过程噪声,满足wk~(0,qk),其中, qθ和qb分别表示塔顶倾斜角预测和陀螺仪零偏的误差,其大小根据塔架动态特性和所用传感器性能进行设定,下角标k和k+1表示时刻。
7.根据权利要求1所述的一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统,其特征在于,所述步骤④根据风电塔架基础的倾斜角和角速度的动态特性,建立基础传感器组的融合方程
即
式中,θb为倾角传感器测量得到的基础倾斜角,bb为基础陀螺仪的零点漂移, 为陀螺仪测量得到的基础倾斜角速度,Wk为高斯分布的过程噪声,满足Wk~(0,Qk),其中,Qθ和Qb分别表示基础倾斜角预测和陀螺仪零偏的误差,其大小根据基础动态特性和所用传感器性能进行设定。
说明书 :
一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统及方法
技术领域
背景技术
140m以上的高塔机组已有成功的应用案例。随着塔架高度不断升高,人们对风电塔架安全
性的关注度越来越强,尤其是由二阶振动等因素导致的塔架非线性变形,塔架安全对机组
整体安全性的影响也越来越大。
架倾角测量时存在一定误差。同时,将风电塔架用线性变形曲线近似或当作悬臂梁结构,从
而根据倾角求解塔顶晃动的位移量,该方法仅在塔架高度较低时具有一定适用性,而对柔
性高塔的非线性变形做同样的近似将引入较大误差。
激光测距传感器和3个激光反射板组成,激光测距传感器用来测量传感器与反射板之间的
距离;当塔架出现倾斜或沉降时,传感器与反射板之间的距离即3个激光测距传感器的检测
数据发生改变,将检测数据通过信号处理运算单元中的算法处理,通信单元将运算得到结
果送到上位计算机进行实时显示得到的塔架倾斜角度及沉降距离。上述技术方案仅适用于
塔架高度较低的情况,对柔性高塔的非线性变形进行测量时误差较大。
发明内容
置分别设置一个传感器组,所述传感器组包含倾角传感器和陀螺仪,通过测量获得塔顶和
基础的倾斜角以及倾斜方向上的角速度,结合基础的结构和尺寸特征参数,提高监测精度,
减少因系统自身误差而导致的误判,同时能够及时将监测信息反馈给主控系统,以便现场
运维人员及时发现,保障机组安全。
述塔顶传感器组、基础传感器组通过数据单元与主控系统相连。传感器组在塔架顶端壁面
和基础位置各至少安装一组,用于采集塔架和基础倾斜的角度和角速度信息。数据单元用
于处理和分析传感器信号,并将数据上传至主控系统。主控系统用于对数据单元上传的数
据进行分析并展示,判断塔顶晃动和基础不均匀沉降状态,当发现塔顶晃动和基础不均匀
沉降超过限定值,则机组产生报警并停机。
致,获得所测位置在同一时刻、同一方向上的倾斜角度和角速度信息。
到机组控制系统之中。
致,获得所测位置在同一时刻、同一方向上的倾斜角度和角速度信息。
(0,qk),其中, qθ和qb分别表示塔顶倾斜角预测和陀螺仪零偏的误差,其大
小根据塔架动态特性和所用传感器性能进行设定,下角标k和k+1表示时刻。将上述融合方
程代入Kalman算法,根据测量得到的塔顶倾斜角和角速度,迭代求解获得塔顶动态倾斜角
的最优估计
求解获得塔架晃动的动态位移量,式中,sk为k时刻的塔顶晃动位移量,H为塔架高度, 为
k时刻塔顶倾斜角的最优估计。
Qθ和Qb分别表示基础倾斜角预测和陀螺仪零偏的误差,其大小根据基础
动态特性和所用传感器性能进行设定。
方向上的角速度,结合基础的结构和尺寸特征参数,提高监测精度,减少因系统自身误差而
导致的误判,同时能够及时将监测信息反馈给主控系统,以便现场运维人员及时发现,保障
机组安全。
附图说明
2.21基础双轴倾角传感器,2.22基础双轴陀螺仪,3数据单元,4主控系统。
具体实施方式
器组2.1、基础传感器组2.2通过数据单元3与主控系统4相连。塔顶传感器组2.1安装在塔架
顶端壁面,包括塔顶双轴倾角传感器2.11和塔顶双轴陀螺仪2.12。基础传感器组2.2安装在
塔架基础位置,包括基础双轴倾角传感器2.21和基础双轴陀螺仪2.22。传感器组在塔架顶
端壁面和基础位置各至少安装一组,用于采集塔架和基础倾斜的角度和角速度信息。数据
单元3安装在塔基控制柜中,包括通用模块,分别与塔顶传感器组2.1、基础传感器组2.2、主
控系统4相连。数据单元用于处理和分析传感器信号,并将数据上传至主控系统。数据单元
既可以独立工作,也可以作为附加功能,集成到机组控制系统之中。主控系统,以罗盘图方
式展示塔顶晃动和基础不均匀沉降的大小和方向,以曲线图方式展示塔顶晃动和基础不均
匀沉降大小随时间的变化趋势,根据系统预设的塔顶晃动和基础不均匀沉降限定值判断塔
架状态,当发现塔顶晃动和基础不均匀沉降超过限定值,则机组产生报警并停机。
由1.2表示。若将柔性高塔的非线性变形简化、近似成曲线1.3表示的悬臂梁变形曲线或者
曲线1.4表示的线性变形曲线,无疑会在塔架监测过程中引入额外的误差。
的角速度。
的动态特性,建立塔顶传感器组的融合方程
(0,qk),其中, qθ和qb分别表示塔顶倾斜角预测和陀螺仪零偏的误差,其大
小根据塔架动态特性和所用传感器性能进行设定,下角标k和k+1表示时刻。将上述融合方
程代入Kalman算法,根据测量得到的塔顶倾斜角和角速度,迭代求解获得塔顶动态倾斜角
的最优估计
求解获得塔架晃动的动态位移量,式中,sk为k时刻的塔顶晃动位移量,H为塔架高度, 为
k时刻塔顶倾斜角的最优估计。
动态特性,建立基础传感器组的融合方程
Qθ和Qb分别表示基础倾斜角预测和陀螺仪零偏的误差,其大小根据基础
动态特性和所用传感器性能进行设定。
础不均匀沉降超过限定值,则机组产生报警并停机。