一种风电塔筒电缆在线监测方法、系统及装置与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种风电塔筒电缆在线监测方法、系统及装置。


背景技术：

2.风力发电机组的塔筒电缆由于隐藏在机组内部，所以不便于观察到其扭转、破损、过热及过载等异常现象，从而对风力发电机组产生巨大的安全隐患。
3.针对扭缆问题，现有技术中出现了如下保护方法，这些方法虽然能解决一些问题，但也各自存在着不足之处：
4.一种方法是采用钢丝绳与定滑轮组合，钢丝绳可扭缆圈数与钢丝绳的长度有关，在风电机组偏航的过程中，钢丝绳不断旋扭，其整体长度不断缩短，使钢丝绳末端的重锤逐渐提升；当末端重锤提升触及限位开关时，扭缆圈数达到极限，风电系统会上报故障并停机，以此方式来防止风机过度偏航扭断电缆。但是，当风机在大风天气或偏航振动较大的工况下运行时，因摆动幅度较大，容易导致偏航扭缆保护系统中的钢丝绳从定滑轮上脱落，从而误触限位开关，致使风电系统误报故障并停机，从而造成电量损失并降低了机组可利用率；
5.另一种方法是采用偏航扭缆开关，即凸轮计数器，所述凸轮的输入轴通过齿轮与电机相连，在所述齿轮旋转若干圈数后，凸轮便会触碰开关，从而启动风机停机动作。蜗轮与若干直齿轮结合成螺旋齿齿轮，共同作为传动装置。虽然该装置的限位开关由多对触点组合而成，可实现机舱偏航时的左右极限保护功能(旋转限位解缆)，但是该偏航扭缆保护系统仍存在如下缺陷：1、偏航动作的扭缆圈数是根据电缆扭缆可能发生的最大角度而提前设定的，限位开关的触点位置也是预先设定好的，所以不能反映出偏航扭缆的真实状态，且对于不同机型的风机，旋转圈数的差异较大，普适性不好；2、偏航扭缆开关(凸轮计数器内部的电器元件)的失效现象时有发生，导致触点出现误触，从而造成编码器损坏，致使风电系统误报故障并停机，造成了电量损失并降低了机组的可利用率；
6.此外，发明专利cn102625901a公开了一种用于沿着设置有识别标签的电缆检测扭转的监测方法和系统。方案是沿着电缆外表面纵向方向延伸粘贴多组能够发射标签电磁信号的射频标识标签，通过检测标签识别码和标签角位置的标签电磁信号，获取横向与纵向横截面的标签角位置。并通过设置多组识别标签，增加角位置的测量精度，精确识别线缆的扭转位置。该方法和系统的缺陷是：需在电缆表面粘贴射频标识标签，这样会对电缆绝缘层造成一定程度的破坏和污染。特别是当电缆数量多、位置空间紧张时，电缆间极易出现磨碰或挤压，导致电缆绝缘层上的射频标识标签出现磨损，严重影响射频标识监测装置的识别。
7.针对塔筒电缆的温度监测问题，目前仍处于空白状态，不能为风机的自动消防系统提供有效的参考依据，也无法为电缆过载过流预警提供有效的衡量指标。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种风电塔筒电缆在线监测方法、系统及装置，以解决现有技术中存在的至少一种上述技术问题。
9.为解决上述技术问题，本发明提供的风电塔筒电缆在线监测方法，包括：在风电塔筒电缆表面布设若干在线监测传感器，所述在线监测传感器用于探测风电塔筒电缆的扭矩及温度，所述在线监测传感器内置有蓄电池，并通过无线互感方式为所述蓄电池充电；通过无线通信方式为所述在线监测传感器与风机控制器之间建立信息通道；所述风机控制器接收到风电塔筒电缆的扭矩信号后，先进行初始零位标定再进行扭矩判断，当扭矩实测值的绝对值大于第一预设阈值且持续时间超过第二预设阈值时生成偏航扭缆警告信息，当扭矩实测值的绝对值大于第三预设阈值且持续时间超过第四预设阈值时生成偏航扭缆停机信息；所述风机控制器接收到风电塔筒电缆的温度信号后进行温度判断，依据判断结果生成超温停机信息。
10.通过上述方法，可以实现对风电塔筒电缆的扭矩及温度进行在线监测，并根据监测结果进行判断，发出报警信息及指令的功能。
11.进一步地，所述无线互感方式为先利用风电塔筒电缆与受电感应磁铁之间的电磁感应原理为蓄电池进行充电，再通过所述蓄电池为在线监测传感器供电。
12.通过无线互感方式，利于所述在线监测传感器以及其他耗电终端摆脱电源线束缚，灵活、长效地布设在塔筒电缆表面。
13.优选的，所述在线监测传感器的具体布设方式为在风机马鞍环平台上方的若干塔筒电缆处安装若干所述在线监测传感器，具体的，在由若干塔筒电缆组成的线捆中，靠外的塔筒电缆优先安装，靠内的塔筒电缆随机选装，并确保所述在线监测传感器之间保持有效间隔，不会发生摩擦碰撞。
14.通过上述布设方法，可以实现冗余测量，利于使检测结果更加准确可靠。
15.进一步地，探测风电塔筒电缆的扭矩及温度时，要将探测得到的模拟信号转换为数字信号后再进行计算及处理。
16.进一步地，所述无线通信方式为lora通信。
17.所述lora通信方式，为现有技术，是基于semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，具有远距离、低功耗、高速率、标准化的特点。通过lora通信方式，使在线监测传感器与风机控制器之间摆脱信号线束缚，有利于在线监测传感器的灵活布设。
18.进一步地，所述初始零位标定的具体方法是操控风机进行偏航运动，使风电塔筒电缆复原没有发生左右扭转的初始状态，并且在线监测传感器探测到的扭矩实测值为零时，在风机控制程序内标定为初始零位。
19.通过上述初始零位标定方法，用于为风机控制器确定基准，有利于量化后续偏航操作。
20.进一步地，所述第三预设阈值的设定方法是通过操控风机进行远离初始零位的偏航运动，当达到最大偏航扭矩且未对塔筒电缆造成损坏时标记为第三预设阈值。
21.通过上述第三预设阈值，有利于依据最大偏航扭矩，设定准确的偏航扭缆停机时机。
22.进一步地，所述第一预设阈值小于所述第三预设阈值，且按照所述第三预设阈值
的百分比进行设定。
23.通过上述第一预设阈值，有利于依据最大偏航扭矩，设定合理的偏航扭缆警告时机。
24.进一步地，在扭矩实测值的绝对值大于第三预设阈值且持续时间超过第四预设阈值时，还需满足触发次数要求，才能生成偏航扭缆停机信息。
25.优选的，所述触发次数为3次。
26.通过上述设置，将时间容错和次数容错机制结合到故障触发逻辑中，提高了信息处理的容错能力。
27.进一步地，所述风机处理器还可以将在线监测传感器采集的信息与风机原有的偏航扭缆保护装置的触点相结合，由偏航扭缆停机信息生成停机指令，使风机停机。
28.进一步地，所述温度判断的具体方法是：将风电塔筒电缆的温度与环境温度进行比较，当风电塔筒电缆的温度高于所述环境温度，且超过第五预设阈值时，生成超高温停机信息。
29.进一步地，所述温度判断的具体方法还可以是：将风电塔筒电缆的温度与正常工作温度范围进行比较，当风电塔筒电缆的温度超出所述正常工作温度范围，且超过第六预设阈值时，生成超温停机信息：当风电塔筒电缆的温度低于所述正常工作温度范围，且超过第六预设阈值时，生成超低温停机信息；当风电塔筒电缆的温度高于所述正常工作温度范围，且超过第六预设阈值时，生成超高温停机信息。
30.所述正常工作温度范围是指发电机组正常运行时风电塔筒电缆处的经验温度值范围。
31.通过上述温度判断方法，有利于在塔筒电缆温度指标出现异常的情况下，及时进行保护停机。
32.进一步地，生成超高温停机信息后还包括启动风机原有的自动消防系统的联调判断功能，及时发现并消除火灾险情。
33.进一步地，生成超高温停机信息后还包括启动风机原有的电缆过流过载衡量系统，及时发现并消除过流过载隐患。
34.优选的，多个在线监测传感器中，以最先触发风机控制器发出警告信息和/或停机信息的在线监测传感器为准。
35.另一方面，本发明还提供了一种采用上述的风电塔筒电缆在线监测方法的风电塔筒电缆在线监测装置，所述装置包括在线监测传感器、无线组网设备和风机控制器；
36.所述在线监测传感器包括内置蓄电池、互感充电器、应变传感器、温度传感器、数字信号处理器：所述互感充电器，用于向所述内置蓄电池充电；所述应变传感器，用于探测风电塔筒电缆的扭矩；所述温度传感器，用于探测风电塔筒电缆的温度；所述数字信号处理器，用于将所述应变传感器及所述温度传感器所探测到的模拟信号转换为数字信号，并进行计算和处理；
37.所述无线组网设备，包括无线终端与无线网关，将所述数字信号处理器与风机控制器进行联网通信，形成星形拓补网络结构；
38.所述风机控制器，用于接收所述数字信号并进行判断，生成风机控制信息。
39.进一步地，所述应变传感器通过涂抹胶水的方式粘接在风电塔筒电缆表面，用于
使应变传感器的应变片准确可靠地探测电缆表面的扭矩变化。
40.优选的，所述胶水为西卡胶。
41.进一步地，传感器的外壳通过紧固件锁固于风电塔筒电缆表面，在所述外壳夹紧所述风电塔筒电缆的位置处布设胶皮，以便保护电缆绝缘层。
42.进一步地，所述无线组网设备为lora通信设备，包括lora终端和lora网关，所述lora终端设置于在线监控传感器和风机控制器的内部，所述lora网关设置于风机机舱内。
43.进一步地，所述内置蓄电池的供电输出回路设置有滤波和稳压电路，用于保护应变传感器、温度传感器和数字信号处理器免受电磁干扰。
44.进一步地，所述风机控制器包括存储器、处理器和总线，所述存储器存储可由处理器读取的指令及数据；所述处理器用于调用所述存储器中的指令及数据；所述总线连接各功能部件之间传送信息。
45.又一方面，本发明还提供了一种风电塔筒电缆在线监测系统，采用了上述风电塔筒电缆在线监测方法，包括信号采集模块、数字信号处理模块、无线通信模块和风机控制模块:
46.所述信号采集模块，包括应变单元和温度单元：所述应变单元，用于探测风电塔筒电缆的扭矩；所述温度单元，用于探测风电塔筒电缆的温度；
47.所述数字信号处理模块，用于将所述应变传感器及所述温度传感器所探测到的模拟信号转换为数字信号，并进行计算和处理；
48.所述无线通信模块，基于无线通信方式，组网连接所述数字信号处理模块与所述风机控制模块；
49.所述风机控制模块，用于接收所述数字信号并进行判断，生成风机控制信息。
50.采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
51.本发明提供的风电塔筒电缆在线监测方法、系统及装置，将在线监测传感器灵活布设在风电塔筒电缆表面，可对风电塔筒电缆的扭矩及温度进行在线监测，通过无线通信网络，将扭矩及温度信息传送至风机控制器进行判断，并发出报警信息及指令，有效减少风机的运行故障率，提高风机的发电质量，保证风机运行的安全性和稳定性。
附图说明
52.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
53.图1为本发明实施例提供的风电塔筒电缆在线监测方法流程图；
54.图2为本发明实施例提供的风电塔筒电缆在线监测传感器的布局示意图；
55.图3为本发明实施例提供的风电塔筒电缆在线监测传感器的结构示意爆炸图；
56.图4为图3的组装透视图；
57.图5本发明实施例提供的无线组网图；
58.图6为本发明实施例提供的风电塔筒电缆在线监测系统图。
59.附图标记：
60.1-塔筒爬梯；2-扭缆保护装置；3-塔筒电缆保护支架；4-塔筒电缆；5-塔筒电缆固定支架；6-风电塔筒；7-在线监测传感器；71-紧固件；72-传感器外壳；73-互感充电器；74-应变传感器；75-数字信号处理器。
具体实施方式
61.下面将结合附图对本发明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，本领域普通技术人员在没有做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。
62.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
63.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
64.下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。
65.如图1所示，本实施例提供的风电塔筒电缆在线监测方法，包括：
66.步骤1、在风电塔筒电缆表面布设若干在线监测传感器，所述在线监测传感器用于探测风电塔筒电缆的扭矩及温度，所述在线监测传感器内置有用于维持系统工作运行的蓄电池，并通过无线互感方式为所述蓄电池进行充电；
67.步骤2、通过无线通信方式为所述在线监测传感器与风机控制器之间建立信息通道；
68.步骤3、所述风机控制器接收到风电塔筒电缆的扭矩信号后，进行初始零位标定；
69.步骤4、所述风机控制器进行扭矩判断，当扭矩实测值treal的绝对值大于第一预设阈值twarning且持续时间超过第二预设阈值t1时生成偏航扭缆警告信息，当扭矩实测值treal的绝对值大于第三预设阈值terror且持续时间超过第四预设阈值t2时生成偏航扭缆停机信息；
70.步骤5、所述风机控制器接收到风电塔筒电缆的温度信号后进行温度判断，依据判断结果生成超温停机信息。
71.其中，所述步骤1的具体布设方式为在风机马鞍环平台上方的若干塔筒电缆处安装若干所述在线监测传感器，具体的，在由若干塔筒电缆组成的线捆中，靠外的塔筒电缆优先安装，靠内的塔筒电缆随机选装，并确保所述在线监测传感器之间保持有效间隔，不会发生摩擦碰撞。
72.所述步骤2采用lora通信方式，通过在线监测传感器内置的lora通信终端、风机控制器内置的lora通信终端及风机机舱内设的lora网关组建lorawan网络，采用星型拓扑结构，在线监测传感器与网关进行中继通信，将采集到的信息数据通过上行链路汇聚到网关，
网关将信息数据进行简单处理并转发至风机控制器，这样使在线监测传感器与风机控制器之间摆脱信号线束缚，有利于在线监测传感器的灵活布设。
73.所述步骤3的具体方法是操控风机进行偏航运动，使风电塔筒电缆复原没有发生左右扭转的初始状态，并且在线监测传感器探测到的扭矩实测值基本为零时，在风机控制程序内标定为初始零位。
74.在所述步骤4中，所述第三预设阈值terror的设定方法是操控风机进行远离初始零位的偏航运动，当达到最大偏航扭矩且未对塔筒电缆造成损坏时标记为第三预设阈值terror。所述第一预设阈值twarning小于所述第三预设阈值terror，且按照所述第三预设阈值terror的百分比a％进行设定。
75.所述步骤5的具体方法是：将风电塔筒电缆的温度与环境温度进行比较，当风电塔筒电缆的温度tinside高于所述环境温度toutside，且超过第五预设阈值th时，生成超高温停机信息。
76.另一方面，本发明实施例还提供了一种采用上述的风电塔筒电缆在线监测方法的风电塔筒电缆在线监测装置，所述装置包括在线监测传感器、无线组网设备和风机控制器；
77.所述在线监测传感器包括内置蓄电池、互感充电器、应变传感器、温度传感器、数字信号处理器：所述互感充电器，用于向所述内置蓄电池充电；所述应变传感器，用于探测风电塔筒电缆的扭矩；所述温度传感器，用于探测风电塔筒电缆的温度；所述数字信号处理器，用于将所述应变传感器及所述温度传感器所探测到的模拟信号转换为数字信号，并进行计算和处理；
78.所述无线组网设备，包括无线终端与无线网关，将所述数字信号处理器与风机控制器进行联网通信，形成星形拓补网络结构；
79.所述风机控制器，包括存储器、处理器和总线，所述存储器存储可由处理器读取的指令及数据；所述处理器用于调用所述存储器中的指令及数据；所述总线连接各功能部件之间传送信息，所述风机控制器用于接收所述数字信号并进行判断，生成风机控制信息。
80.具体地，如图2所示，在风电塔筒6的内部，分别设置有塔筒爬梯1、扭缆保护装置2、塔筒电缆保护支架3、塔筒电缆固定支架5以及若干条塔筒电缆4，在靠外的两条所述塔筒电缆4上安装有在线监测传感器7。
81.如图3所示，所述在线监测传感器7包括紧固件71、传感器外壳72、互感充电器73、应变传感器74以及数字信号处理器75：
82.所述应变传感器74为半环形结构，内壁设有应变片，通过西卡胶等材料粘贴在塔筒电缆4的表面(本实施例优选为粘贴方式，也可以采用紧固件固定等方式来实现)，所述半环形的内壁半径与所述塔筒电缆4的半径相近，以便确保所述应变片贴合在所述塔筒电缆4的表面；
83.所述互感充电器73为环形结构，分为左右两半并组合在一起套设在所述应变传感器74下部的塔筒电缆4的表面上(所述组合的方式本实施例优选为磁吸，也可以是紧固件、粘接等其他固定方式)；
84.所述数字信号处理器75为半环形结构，套设在所述应变传感器74的外部，并与所述应变传感器74固定连接为一体(所述固定连接的方式本实施例优选为粘接，也可以是紧固件固定等其他连接方式)；所述数字信号处理器75的下部与右半个所述互感充电器73的
端面进行固定连接(固定连接的方式本实施例优选为粘接，也可以是紧固件固定等其他连接方式)，所述数字信号处理器75的外径大于所述互感充电器73的外径；所述数字信号处理器75内部集成了温度传感器、lora终端和内置蓄电池，所述内置蓄电池的输入端与所述互感充电器73的输出端电连接，所述内置蓄电池的输出端与所述应变传感器74、数字信号处理器75的电源输入端电连接；
85.所述传感器外壳72为环形结构，其内部设有容纳所述塔筒电缆4、所述数字信号处理器75及所述互感充电器73的环形腔体；所述环形腔体的纵截面为阶梯形设置，所述阶梯形的大径处配合所述数字信号处理器75的外径，所述阶梯形的小径处配合所述互感充电器73的外径；通过所述阶梯形设置，有利于进一步保证所述数字信号处理器75与所述互感充电器73的空间位置稳定，不会沿着所述塔筒电缆4向下滑落或滑动；所述传感器外壳72分为左右两半并组合在一起套设在所述数字信号处理器75及所述互感充电器73的外部，并通过4组紧固件71锁紧于塔筒电缆4的表面，以便对所述数字信号处理器75、所述互感充电器73及所述应变传感器74进行保护，所述紧固件71包括螺钉与平垫(当然还可以增加弹垫等其他紧固件组合方式，以便防止螺钉松动)，设置于所述传感器外壳72纵截面的四角位置，所述螺钉通过与螺孔对配的方式进行锁固(当然还可以采用自攻螺钉与直孔相配合等方式进行锁固)；所述螺钉的安装位置处设置有沉孔，用于使所述螺钉的内六方头部(当然还可以采用十字沉头等其他螺钉头部形式)在锁紧后沉入至所述传感器外壳72的内部，避免所述内六方头部外露而割伤其他塔筒电缆4的外皮；进一步地，在安装时还可以在所述螺孔内增加螺纹胶，以便防止所述螺钉松动；所述传感器外壳72锁固后，外形为圆柱体，表面光滑且无凸起，所述圆柱体的边缘设有倒角，如图4所示，这样在若干个塔筒电缆4一起扭转的过程中，保证避免所述传感器外壳72割伤所述塔筒电缆4的外皮。进一步地，在安装完毕后，还可在传感器外壳72的外表面及其在塔筒电缆4的安装位置附近缠绕若干圈胶带，有利于所述在线监测传感器7防潮防尘，并进一步防止所述在线监测传感器7脱落。
86.如图5所示，由在线监测传感器7内置的lora通信终端、风机控制器内置的lora通信终端及风机机舱内设的lora网关组建成lorawan网络，在线监测传感器7与网关进行中继通信，将采集到的信息数据通过上行链路汇聚到网关，网关将信息数据进行简单处理并转发至风机控制器。
87.又一方面，如图6所示，本发明实施例还提供了一种风电塔筒电缆在线监测系统，采用了上述风电塔筒电缆在线监测方法，包括信号采集模块、数字信号处理模块、无线通信模块和风机控制模块:
88.所述信号采集模块，包括应变单元和温度单元：所述应变单元，用于探测风电塔筒电缆的扭矩；所述温度单元，用于探测风电塔筒电缆的温度；
89.所述数字信号处理模块，用于将所述应变传感器及所述温度传感器所探测到的模拟信号转换为数字信号，并进行计算和处理；
90.所述无线通信模块，基于lora无线通信方式，通过lora终端及lora网关进行组网，将所述数字信号处理模块与所述风机控制模块进行通信连接；
91.所述风机控制模块，用于接收所述数字信号并进行判断，生成风机控制信息，具体包括：
92.当扭矩实测值的绝对值大于第一预设阈值且持续时间超过第二预设阈值时生成
偏航扭缆警告信息，当扭矩实测值的绝对值大于第三预设阈值且持续时间超过第四预设阈值时生成偏航扭缆停机信息；
93.将风电塔筒电缆的温度实测值与环境温度进行比较，当风电塔筒电缆的温度高于所述环境温度，且超过第五预设阈值时，生成超高温停机信息。
94.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。