海上风力机的安全监测系统及海上风力机的安全监测方法与流程

本公开涉及海上风力发电运维领域，尤其涉及海上风力机安全监测系统及方法。

背景技术：

风能作为一种清洁和可再生的新能源，近年来逐渐得到人们的关注。由于海上风资源丰富，具有发电量大、发电时间长、不占用土地、可大规模开发等优势，风电技术正从陆上逐步延伸到海上。海上风力发电机已经成为世界可再生能源发展领域的热点。

但是由于海上风电场较陆上风电场的工作环境更为恶劣，湿气和盐雾腐蚀、雷电和台风的破坏、冰雪和海浪以及海上冲击物(海冰)等恶劣天气会对海上风电机组运行带来风险。

传统的风机安全观测设备有水准仪、光纤光栅传感器等，水准仪因其受地理环境因素影响无法运用于海上风机观测；光纤光栅传感器观测在工程领域中应用广泛，技术最成熟，但由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用，即将传感器植入机组塔内部，这会造成对在日后的维护和维修中不易取出和再次植入的技术问题。

因此，大风、海啸等突发恶劣天气情况下对海上风力发电机进行实时的安全监测系统以及安全监测方法是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于，提供一种基于声学特征的海上风力发电机安全监测系统及方法，以解决现有技术存在的问题。通过本发明的海上风力发电机安全监测系统，能够实现在大风、海啸等突发恶劣天气情况下对海上风力发电机的实时安全监测系统。

根据本公开的第一方面，提供一种海上风力发电机安全监测系统，其包括：数据采集终端、数据处理终端；

所述数据采集终端包括：第一声波传感器、第二声波传感器、数据传输模块；所述第一声波传感器为浮筒式，设置在所述海上风电机的海桩与海平面相交的位置，用于获取海浪对所述海上风力机的所述海桩冲击产生的第一声学信号；所述第二声波传感器设置在所述海上风电机的所述海桩的海平面以下的位置，用于获取海底海流流过所述海上风电机的所述海桩产生的第二声学信号；所述数据传输模块用于将所述第一声学信号、第二声学信号发送到所述数据处理终端；

所述数据处理终端包括数据收集模块和安全监测模块；所述数据收集模块用于接收来自所述数据传输模块的所述第一声学信号、所述第二声学信号；所述安全监测模块用于监测所述第一声学信号是否达到或超过预置的第一预警声学值、以及、第二声学信号是否达到或超过预置的第二预警声学值，并且在所述第一声学信号达到或超过所述第一预警声学值或者所述第二声学信号达到或超过所述第二预警声学值时发出预警指令；

所述第一预警声学值是利用所述第一声波传感器收集到的海浪冲击所述海桩产生的第一阈值载荷对应的声学信号；所述第二预警声学值是利用所述第二声波传感器收集到的海浪冲击所述海桩产生的第二阈值载荷对应的声学信号。

本发明的海上风力机安全监测系统中，进一步包括执行设备和控制中心，

所述安全监测模块，用于在所述第一声学信号达到或超过所述第一预警声学值或者所述第二声学信号达到或超过所述第二预警声学值时向所述执行设备和所述控制中心发出预警指令；所述执行设备安装在所述海上风力机上，用于接收所述安全监测模块发出的所述预警指令并根据所述预警指令执行闪烁和/或蜂鸣操作，以及，用于接受所述控制中心发出的控制指令，并执行控制指令；所述控制中心与所述数据处理终端无线连接，用于接收所述预警指令，并根据所述预警指令对所述执行设备发出控制指令。

本发明的海上风力机安全监测系统中，所述控制指令包括：制动停机指令。

根据本公开的第二方面，提供一种海上风力机的安全监测方法，其利用本发明的海上风力机安全监测系统进行安全监测，

所述安全监测方法包括：

利用设置在所述海上风电机的海桩与海平面相交的位置的浮筒式的所述第一声波传感器获取海浪对海上风力机的所述海桩冲击产生的所述第一声学信号；

利用设置在所述海上风电机的所述海桩的海平面以下的位置的所述第二声波传感器，获取海底海流流过所述海上风电机的所述海桩产生的所述第二声学信号；

利用所述数据传输模块将所述第一声学信号、第二声学信号发送到所述数据处理终端；

利用所述数据收集模块接收来自所述第一声波传感器的所述第一声学信号、来自所述第二声波传感器的所述第二声学信号；

利用安全监测模块监测所述第一声学信号是否达到或超过预置的第一预警声学值、第二声学信号是否达到或超过预置的第二预警声学值，并且在所述第一声学信号达到或超过所述第一预警声学值或者所述第二声学信号达到或超过所述第二预警声学值时发出所述预警指令；

所述第一预警声学值是利用所述第一声波传感器收集到的海浪冲击所述海桩产生的第一阈值载荷对应的声学信号；所述第二预警声学值是利用所述第二声波传感器收集到的海浪冲击所述海桩产生的第二阈值载荷对应的声学信号。

本发明的海上风力机的安全监测方法中，进一步包括，

在所述第一声学信号达到或超过所述第一预警声学值或者所述第二声学信号达到或超过所述第二预警声学值时利用所述安全监测模块向控制中心和执行设备发出预警指令；

利用安装在所述海上风力机上的执行设备接收所述安全监测模块发出的所述预警指令并根据所述预警指令执行闪烁和/或蜂鸣操作，以及，接受所述控制中心发出的控制指令并执行控制指令；

利用与所述数据处理终端无线连接的所述控制中心接收所述预警指令，并根据所述预警指令对所述执行设备发出控制指令。

本发明的海上风力机的安全监测方法中，所述控制指令包括：制动停机指令。

本申请的海上风力机的安全监测系统利用海浪冲击海桩在海平面附近的位置产生的声学信号与预警声学值比较、利用海浪冲击海桩在海平面以下的位置产生的声学信号与预警声学值比较的办法来进行安全状态监测，实现了基于声学特征的海上风力机的实时安全状态监测，提升了安全性和监测稳定性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是示例性示出的本发明的一个实施方式的海上风力机的安全监测系统的框图。

图2是示例性示出的本发明的另一实施方式的海上风力机的安全监测系统的框图。

图3是本发明的一个实施方式的海上风力机的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是示例性示出的本发明的一个实施方式的海上风力机的安全监测系统的框图。

如图1所示，在本发明的一个实施方式的海上风力机的安全监测系统，包括数据采集终端1和数据处理终端2。

所述数据采集终端1包括第一声波传感器101、第二声波传感器102、数据传输模块103，

第一声波传感器101为浮筒式，其设置在海上风电机的海桩与海平面相交的位置，用于获取海浪对海上风力机的海桩冲击产生的第一声学信号。由于第一声波传感器为浮筒式，因此，其始终处于海桩与海平面相交的位置。

第二声波传感器102设置在海上风电机的海桩的海平面以下的位置，用于获取海流流过海桩在第二声波传感器的位置产生的第二声学信号。

对于前述的第一声学信号、第二声学信号，其为例如声压值、将测得的声压信号经过高通滤波器处理得到调频噪声信号、将调频噪声信号通过db计算获得的即时噪声强度水平等信号。

数据传输模块103将第一声波传感器101获取的第一声学信号、第二声波传感器102获取的第二声学信号发送到数据收集模块201。这里的传输可以是物理传输，也可以是无线通信传输。

数据收集模块201接收前述数据传输模块103发送过来的第一声学信号、第二声学信号。

安全监测模块202从数据收集模块201调取第一声学信号、第二声学信号的数据，并分别与安全监测模块202中预置的第一预警声学值、第二预警声学值进行比较，判断前述第一声学信号是否达到或超过预置的第一预警声学值、第二预警声学值。在所述第一声学信号达到或超过所述第一预警声学值或者所述第二声学信号达到或超过所述第二预警声学值时发出预警指令。

本发明中的第一预警声学值是指，利用本发明的第一声波传感器接收到的海浪冲击海桩产生的第一阈值载荷对应的声学信号。这里的第一阈值载荷是指，根据海上风力机及其海桩以及附件海域的情况所预设的海上风力机的海桩在海平面位置所能承受的阈值载荷。第一阈值载荷的值根据海上风力机的结构、材质、海桩的形状结构以及附件海域的特点而各不相同，但其是本领域技术人员能够根据本领域的技术知识进行设定的。

本发明中的第二预警声学值是指，利用本发明的第二声波传感器接收到的海浪冲击海桩产生的第二阈值载荷对应的声学信号。这里的第二阈值载荷是指，根据海上风力机及其海桩以及附件海域的情况所预设的海上风力机的海桩在海平面以下的第二声波传感器所设置的位置处所能承受的阈值载荷。第二阈值载荷的值根据海上风力机的结构、材质、海桩的形状结构以及附件海域的特点而各不相同，但其是本领域技术人员能够根据本领域的技术知识进行设定的。

这里的预警指令是指，监测接收到的声学信号超过了设定的最大阈值信号所给出的警示信息，第一声波传感器对应的预警信息包括，例如叶片可能开裂的预警、叶片一级污染的预警、叶片二级污染的预警、叶片净空危险的预警等。第二声波传感器对应的预警信息包括，海浪一级预警(低)、海浪二级预警(中)、海浪三级预警(高)等。

图2是示例性示出的本发明的另一实施方式的海上风力机的安全监测系统的框图。如图2所示，在前述实施方式的基础上，本发明的海上风力机的安全监测系统还可以进一步具有执行设备3和控制中心4。

在本实施方式中，安全监测模块202在第一声学信号达到或超过所述第一预警声学值或者所述第二声学信号达到或超过所述第二预警声学值时向执行设备3和控制中心4发出预警指令。

执行设备3安装在海上风力机上，在安全监测模块202发出预警指令时，其接收该预警指令并根据该预警指令执行闪烁和/或蜂鸣操作。另外，在控制中心4发出控制指令时，执行设备3接收该控制指令并执行控制指令。

控制中心4与数据处理终端2的安全监测模块202连接，这里的连接可以是物理连接或者是无线通信连接。在安全监测模块202发出预警指令时，控制中心4接受该预警指令，并根据该预警指令，进一步判断是否需要发出控制指令，在判断需要发出控制指令时，向执行设备发出控制指令。例如，该预警指令可以分为例如2个或2个以上的不同级别的指令，在该预警指令达到一定级别的情况下，控制中心4向执行设备3发出控制指令。在这种情况下，执行设备3根据控制中心4的控制指令执行相应的操作。

前述控制指令，例如，可以为制动停机指令等。在控制中心4向执行设备3发出制动停机指令的情况下，执行设备3接收到该指令后执行制动停机操作，使得风力机制动、停机，以保护风力机的设备的安全。

图3是本发明的海上风力机的示意图。如图3所示，本发明的海上风力机5设置在海上，风力机利用下部的海桩得以固定在海水中。海桩的一部分浸没在海水中，一部分露出海面。在海桩与海平面相交的位置，设置有第一声学传感器6，其为浮筒式传感器。第二声学传感器7设置在海桩位于海平面以下的位置。优选地，第二声学传感器设置在距离海平面的距离为海桩浸没在海水中的高度的一半的地方。即，海桩浸没在海水中的高度为2h的情况下，优选设置在距离海平面为h的位置。

对于数据传输模块、数据收集模块和安全检测模块的位置，没有特别的限定，其可以设置在海上风力机上，利用物理连接或者无线通信连接与本发明的安全监测系统的其他部件进行连接，也可以设置在距离海上风力机具有一定距离的远端，通过物理连接或者无线通信连接与本发明的安全监测系统的其他部件进行连接。

在具有执行设备和控制中心的情况下，执行设备设置在海上风力机上，可以设置在海上风力机的任何位置，可以与第一声学传感器或者第二声学传感器集成在一起，也可以分别设置，没有特别的限定。控制中心可以设置在海上风力机上，利用物理连接或者无线通信连接与本发明的安全监测系统的其他部件进行连接，也可以设置在距离海上风力机具有一定距离的远端，通过物理连接或者无线通信连接与本发明的安全监测系统的其他部件进行连接。

执行设备根据接收到的预警指令执行相应的操作。例如，在预警指令为执行闪烁和/或蜂鸣操作的情况下，执行设备执行相应的闪烁、蜂鸣操作。

控制中心根据预警指令判断是否发出控制指令，所述控制指令例如为制动停机指令。在判断需要发出如制动停机指令时则发出相应指令到执行设备。执行设备根据该执行指令执行相应的操作。

需要说明的是，本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。