專利名稱：一種風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
近年來隨著風(fēng)力發(fā)電不斷地發(fā)展，風(fēng)電場裝機容量逐年上升，風(fēng)力發(fā)電所占的比例越來越大，已逐漸成為了一種常規(guī)能源。隨著對風(fēng)電機組性能要求越來越高，作為支撐整個機組的重要基礎(chǔ)，風(fēng)電機組的塔筒在設(shè)計時的載荷計算也愈發(fā)重要。眾所周知，塔筒即由鋼材料構(gòu)成的一個圓形筒狀結(jié)構(gòu)，因此在相同材料和結(jié)構(gòu)條件下，塔筒壁厚度越厚，采用的鋼材料越多，其載荷等級就越高，但其成本也會急劇增加。因此，塔筒設(shè)計的關(guān)鍵，是要通過理論計算以及仿真和試驗，在獲得足夠載荷要求的前提下，盡量減少鋼材料的使用，以達到保證安全的前提下盡量減小成本。
在現(xiàn)行的塔筒設(shè)計中，由于受其尺寸等客觀條件的影響，其載荷測試多采用理論計算和仿真為主，然后再針對分節(jié)的塔筒部件進行模擬測試。對于塔筒整體的測試，尤其是在風(fēng)電場現(xiàn)場對塔筒整體載荷的測試，到目前仍未見相關(guān)的報道。然而，作為復(fù)雜控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機組的基礎(chǔ)性支撐部件，塔筒的整體載荷測試顯得尤為重要，尤其是在風(fēng)電場現(xiàn)場，對剛吊裝完成或運行較長時間的風(fēng)電機組塔筒進行載荷測試，將為風(fēng)電機組的進一步優(yōu)化提供可靠的試驗依據(jù)。由此可見，現(xiàn)有的風(fēng)電機組塔筒載荷測量技術(shù)，仍存在有不足和缺陷，而亟待加以進一步改進。如何實現(xiàn)在風(fēng)電場現(xiàn)場對塔筒整體載荷進行實時測量，實屬當(dāng)前業(yè)界極需改進的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)及方法，以實現(xiàn)在風(fēng)電場現(xiàn)場對塔筒整體載荷進行實時測量，從而克服現(xiàn)有的塔筒載荷測量采用理論計算和仿真模擬的不足。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)，包括多個測量子系統(tǒng)，每個測量子系統(tǒng)包括若干個安裝在塔筒內(nèi)壁同一水平面上的無線終端測量裝置，所述無線終端測量裝置用于測量相應(yīng)點的應(yīng)力數(shù)據(jù)，多個測量子系統(tǒng)沿塔筒高度方向依次分布；PC機系統(tǒng)，與各無線終端測量裝置通過無線傳輸連接，用于對所有無線終端測量裝置的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行采集和統(tǒng)計分析，得出整個塔筒的載荷數(shù)值。作為進一步的改進，所述無線終端測量裝置包括應(yīng)力傳感器，用于完成應(yīng)力信號采集，將其轉(zhuǎn)換為電信號；應(yīng)力處理電路，用于對應(yīng)力電信號進行采集、濾波和數(shù)字化處理；單片機系統(tǒng)，用于對數(shù)字化處理之后的應(yīng)力信號進行應(yīng)力計算、數(shù)據(jù)處理得到應(yīng)力數(shù)據(jù)，并完成整個無線終端測量裝置的邏輯控制；無線收發(fā)模塊，用于將經(jīng)單片機系統(tǒng)計算、處理得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送出去。
作為進一步的改進，所述應(yīng)力傳感器采用測量精度較高的全橋式應(yīng)力片連接方式。作為進一步的改進，所述單片機系統(tǒng)包括應(yīng)力計算模塊，用于對數(shù)字化處理之后的應(yīng)力信號進行應(yīng)力計算，得到應(yīng)力數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊，用于對應(yīng)力計算模塊得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行分析，得到處理后的應(yīng)力數(shù)據(jù)；電池模塊，用于無線終端測量裝置的能量供應(yīng)；邏輯控制模塊，用于控制電池模塊和控制處理后的應(yīng)力數(shù)據(jù)的發(fā)送。作為進一步的改進,所述無線收發(fā)模塊由Zigbee模塊構(gòu)成。作為進一步的改進，所述無線終端測量裝置通過在其底部配備的永久性磁鐵安裝在塔筒內(nèi)壁上。 作為進一步的改進，所述在塔筒內(nèi)壁同一水平面上的若干個無線終端測量裝置均勻分布。此外，本發(fā)明還提供了一種風(fēng)電機組塔筒載荷測量方法，包括以下步驟:A、分別測量風(fēng)電機組塔筒不同高度第i個位置上設(shè)置的j個點的應(yīng)力數(shù)據(jù)σ u，i取I n之間的自然數(shù)，η彡2，j取I m之間的自然數(shù)，m彡4 ;B、將所有測得的應(yīng)力數(shù)據(jù)(σ η、σ 12. . . σ lm) . . . ( ση1> On2. .. Onm)通過無線發(fā)送給PC機系統(tǒng)；C、PC機系統(tǒng)對所有測得的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行采集和統(tǒng)計分析，得出整個塔筒的載荷數(shù)值。作為進一步的改進，步驟A中所述應(yīng)力數(shù)據(jù)σ υ，是由測量位置的應(yīng)力信號在轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)濾波及數(shù)字化處理后計算分析得到的。作為進一步的改進，步驟B中所述無線發(fā)送由Zigbee無線通訊協(xié)議實現(xiàn)。作為進一步的改進，步驟C中所述整個塔筒的載荷數(shù)值的計算公式為應(yīng)力最大值σmax=max { ( σ η, σ 12· · · σ lm) · · · ( σ η1, σ . σ J }
j e=f7 j J= ^應(yīng)力平均值:CTave= —S
η /=1 J=I由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(I)通過沿塔筒高度方向依次分布多個測量子系統(tǒng)，實現(xiàn)了對風(fēng)電機組塔筒整體載荷的測量；(2)采用無線傳輸數(shù)據(jù)的方式，減少了塔筒內(nèi)長距離線路安裝的工作量；(3)無線終端裝置采用電池供電，解決了塔筒內(nèi)難以供電的問題；(4)無線終端裝置底部配備永久性磁鐵，可直接吸附在塔筒內(nèi)壁，減少了設(shè)備安裝的工作量；(5)本發(fā)明無需對風(fēng)電機組進行任何改造，也無需與風(fēng)電機組進行任何信息通訊，設(shè)備簡單可靠，拆裝容易，便于推廣。


上述僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，以下結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖I是無線終端測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是測量子系統(tǒng)在風(fēng)電機組塔筒中的安裝示意圖。圖3是本發(fā)明風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的一種風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)，包括沿塔筒高度方向依次分布的多個測量子系統(tǒng)，每個測量子系統(tǒng)包括若干個安裝在塔筒內(nèi)壁同一水平面上的無線終端測量裝置；PC機系統(tǒng)，與各無線終端測量裝置通過無線傳輸連接，用于對所有無線終端測量裝置的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出整個塔筒的載荷數(shù)值。其中，如圖I所示，無線終端測量裝置包括應(yīng)力傳感器、應(yīng)力處理電路、單片機系統(tǒng)和無線收發(fā)模塊。應(yīng)力傳感器由應(yīng)力片構(gòu)成，將風(fēng)電機組塔筒的應(yīng)力信號轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。為了測量精度，應(yīng)力片可以采用通用的全橋式連接方式。同時應(yīng)盡量選擇風(fēng)小的時 候，停機狀態(tài)下安裝應(yīng)力傳感器，以減小風(fēng)對塔筒載荷的影響。應(yīng)力處理電路將應(yīng)力傳感器測量的電信號進行采集、濾波和數(shù)字化處理，便于后續(xù)單片機系統(tǒng)運算和處理。單片機系統(tǒng)是由單片機組成的嵌入式系統(tǒng)，內(nèi)置應(yīng)力計算模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、邏輯控制模塊，并且由電池模塊進行供電。應(yīng)力計算模塊對應(yīng)力處理電路處理的應(yīng)力信號進行計算，得到應(yīng)力數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊對應(yīng)力數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，得到處理后的應(yīng)力數(shù)據(jù)σ，然后在邏輯控制模塊的控制下，將數(shù)據(jù)發(fā)送給后續(xù)的無線收發(fā)模塊。單片機系統(tǒng)的電池模塊由邏輯控制模塊進行管理，當(dāng)系統(tǒng)未進行應(yīng)力測量時，邏輯控制模塊控制電池模塊進行休眠，減少電能消耗，以延長測量工作時間。無線收發(fā)模塊可采用便于無線組網(wǎng)的Zigbee模塊實現(xiàn)。由于Zigbee無線通訊協(xié)議可以將每個模塊都設(shè)置成為終端設(shè)備或者路由設(shè)備，因此便于實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立。本發(fā)明中的無線終端測量裝置，均采用設(shè)置為終端的Zigbee模塊。每個無線終端測量裝置底部配備永久性磁鐵，可直接吸附安裝于塔筒內(nèi)壁。安裝時，無線終端測量裝置在塔筒內(nèi)壁均勻分布，且在同一水平面上。如圖2所示，圖中Sn、Si2、Si3、Si4為吸附安裝于塔筒第i個位置上的4個無線終端測量裝置，測量時，4個無線終端測量裝置同時進行測量，得到應(yīng)力數(shù)據(jù)σ η、σ i2、σ i3、σ i4。若干個無線終端測量裝置組成一個測量子系統(tǒng)，如圖3所示，以4個為例，位于塔筒內(nèi)不同高度的η個測量子系統(tǒng)(Sn、S12, S13、S14) . . . (Snl、Sn2, Sn3> Sn4)，將實時測量的應(yīng)力數(shù)據(jù)(σ η、σ 12、σ 13、σ 14)…(σ η1、σ η2、σ η3、σ η4)通過由Zigbee模塊構(gòu)成的無線收發(fā)模塊發(fā)送給PC機系統(tǒng)。PC機系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析模塊和邏輯控制模塊，數(shù)據(jù)分析模塊采集無線收發(fā)模塊接收到的各無線終端測量裝置的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理分析，最終得出塔筒整體的載荷數(shù)值；邏輯控制模塊對載荷測量系統(tǒng)進行邏輯控制，包括啟動測量、停止測量等指令。本發(fā)明的一種風(fēng)電機組塔筒載荷測量方法，包括如下步驟:Α、分別測量風(fēng)電機組塔筒不同高度第i個位置上設(shè)置的j個點的應(yīng)力數(shù)據(jù)σ u，其中i取I η之間的自然數(shù)，η > 2，j取I m之間的自然數(shù)，m > 4，所述應(yīng)力數(shù)據(jù)σ ij;由測量位置的應(yīng)力信號在轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)濾波及數(shù)字化處理后計算得到；如圖2、3所示，其中m為4;B、將所有測得的應(yīng)力數(shù)據(jù)(σ η、σ 12、σ 13、σ 14)…(σ η1、σ η2、σ η3、σ η4)通過由Zigbee模塊構(gòu)成的無線發(fā)送給PC機系統(tǒng)；C、PC機系統(tǒng)對所有測得的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出整個塔筒的載荷數(shù)值。所述整個塔筒的載荷數(shù)值的計算公式為應(yīng)力最大值σΜχ=·χ{(σ η，σ 12，σ 13，σ14) (ση1，σ η2, σ η3, σ η4)}
I i=n I 戶 4應(yīng)力平均值σ_=_ Σ識)
H f=l I J=I通過上述系統(tǒng)和方法，可以實現(xiàn)風(fēng)電場現(xiàn)場塔筒的實時載荷測量，得到塔筒整體的應(yīng)力數(shù)據(jù)。同時，為后續(xù)塔筒載荷的深入研究和風(fēng)電機組的進一步優(yōu)化提供了可靠的試驗基礎(chǔ)。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)電機組塔筒載荷測量 系統(tǒng)，其特征在于，包括 多個測量子系統(tǒng)，每個測量子系統(tǒng)包括若干個安裝在塔筒內(nèi)壁同一水平面上的無線終端測量裝置，所述無線終端測量裝置用于測量相應(yīng)點的應(yīng)力數(shù)據(jù)，多個測量子系統(tǒng)沿塔筒高度方向依次分布； PC機系統(tǒng)，與各無線終端測量裝置通過無線傳輸連接，用于對所有無線終端測量裝置的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行采集和統(tǒng)計分析，得出整個塔筒的載荷數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)，其特征在于，所述無線終端測量裝置包括 應(yīng)力傳感器，用于完成應(yīng)力信號采集，將其轉(zhuǎn)換為電信號； 應(yīng)力處理電路，用于對應(yīng)力電信號進行采集、濾波和數(shù)字化處理； 單片機系統(tǒng)，用于對數(shù)字化處理之后的應(yīng)力信號進行應(yīng)力計算、數(shù)據(jù)處理得到應(yīng)力數(shù)據(jù)，并完成整個無線終端測量裝置的邏輯控制； 無線收發(fā)模塊，用于將經(jīng)單片機系統(tǒng)計算、處理得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送出去。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)，其特征在于，所述應(yīng)力傳感器采用全橋式應(yīng)力片連接方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)，其特征在于，所述單片機系統(tǒng)包括 應(yīng)力計算模塊，用于對數(shù)字化處理之后的應(yīng)力信號進行應(yīng)力計算，得到應(yīng)力數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)處理模塊，用于對應(yīng)力計算模塊得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行分析，得到處理后的應(yīng)力數(shù)據(jù)； 電池模塊，用于無線終端測量裝置的能量供應(yīng)； 邏輯控制模塊，用于控制電池模塊和控制處理后的應(yīng)力數(shù)據(jù)的發(fā)送。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)，其特征在于，所述無線收發(fā)模塊由Zigbee模塊構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 5任一項所述的風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)，其特征在于，所述無線終端測量裝置通過在其底部配備的永久性磁鐵安裝在塔筒內(nèi)壁上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I 5任一項所述的風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)，其特征在于，所述在塔筒內(nèi)壁同一水平面上的若干個無線終端測量裝置均勻分布。
8.一種風(fēng)電機組塔筒載荷測量方法，其特征在于，包括以下步驟 A、分別測量風(fēng)電機組塔筒不同高度第i個位置上設(shè)置的j個點的應(yīng)力數(shù)據(jù)σu，其中i取I η之間的自然數(shù)，η彡2, j取I m之間的自然數(shù)，m ^ 4 ； B、將所有測得的應(yīng)力數(shù)據(jù)(ση、σ 12· · · σ 1π) · · · (ση1, ση2... Onm)通過無線發(fā)送給PC機系統(tǒng)； C、PC機系統(tǒng)對所有測得的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行采集和統(tǒng)計分析，得出整個塔筒的載荷數(shù)值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)電機組塔筒載荷測量方法，其特征在于，步驟A中所述應(yīng)力數(shù)據(jù)σ u，是由測量位置的應(yīng)力信號在轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)濾波及數(shù)字化處理后計算分析得到的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)電機組塔筒載荷測量方法，其特征在于，步驟B中所述無線發(fā)送由Zigbee無線通訊協(xié)議實現(xiàn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)電機組塔筒載荷測量方法，其特征在于，步驟C中所述整個塔筒的載荷數(shù)值的計算公式為
全文摘要
本發(fā)明提供一種風(fēng)電機組塔筒載荷測量系統(tǒng)，包括多個測量子系統(tǒng)和PC機系統(tǒng)。每個測量子系統(tǒng)包括若干個安裝在塔筒內(nèi)壁同一水平面上的無線終端測量裝置，所述無線終端測量裝置用于測量相應(yīng)點的應(yīng)力數(shù)據(jù)，多個測量子系統(tǒng)沿塔筒高度方向依次分布；PC機系統(tǒng)，與各無線終端測量裝置通過無線傳輸連接，用于對所有無線終端測量裝置的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行采集和統(tǒng)計分析，得出整個塔筒的載荷數(shù)值。本發(fā)明還提供了進行風(fēng)電機組塔筒整體載荷測量的方法。本發(fā)明解決了在風(fēng)電場現(xiàn)場對塔筒整體載荷無法測量的問題，簡單可靠，便于推廣。
文檔編號G01M13/00GK102944395SQ20121043648
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者汪正軍, 紀(jì)國瑞, 潘磊 申請人:國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司