[发明专利]一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统及方法

说明书

本发明公开了一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统，包括塔顶传感器组、基础传感器组、数据单元和主控系统，所述塔顶传感器组、基础传感器组通过数据单元与主控系统相连。使用工作方法包括：获得塔顶和基础的倾斜角以及倾斜方向上的角速度；基于塔顶和基础的动态特性采用Kalman方法建立滤波方程，获得塔顶和基础动态倾斜角的最优估计；建立风电塔架的挠度曲线，获得塔架晃动的动态位移量；获得基础不均匀沉降量。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。

技术领域

本发明涉及风电监测领域，尤其涉及一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统及方法。

背景技术

有资料显示，随着风电市场发展的进一步深入，风电机组逐渐在向更高塔架的趋势发展。近些年，高度在100m以上的柔性高塔技术取得了突破性的进展，尤其是120m甚至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。

机组运行过程中的塔架变形，对应到的是塔架顶端晃动和基础倾斜，现有监测方法通常采用单一倾角传感器或加速度传感器等，受传感器原理及使用条件限制，在进行塔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。

中国专利文献CN105370506A公开了一种“风电机组塔架倾斜与沉降监测装置”。由激光发射接收单元、信号处理运算单元、通信单元和上位机组成；激光发射接收单元由3个激光测距传感器和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

本发明主要解决原有的测量高度较高塔架的倾角和位移误差较大的技术问题，提供一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统及方法，在风电塔架的顶端壁面和基础位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。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种倾角传感器和陀螺仪融合的塔架监测系统，包括塔顶传感器组、基础传感器组、数据单元和主控系统，所述塔顶传感器组、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。

作为优选，所述的塔顶传感器组安装在塔架顶端壁面，包括塔顶双轴倾角传感器和塔顶双轴陀螺仪。倾角传感器和陀螺仪成组安装在相同位置，同时采集，并且测量方向一致，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。

作为优选，所述的基础传感器组安装在塔架基础位置，包括基础双轴倾角传感器和基础双轴陀螺仪。

作为优选，所述的数据单元安装在塔基控制柜中，包括通用模块，分别与塔顶传感器组、基础传感器组、主控系统相连。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。