判别风机塔筒形变和基础沉降的系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统检测技术领域，尤其涉及一种判别风机塔筒形变和基础沉降的系统及方法。

背景技术

光纤光栅传感器作为新兴的高新技术，具有传统传感器所不具备的优势。对于电力系统中的新能源风电场来说，设备顺利运行显得十分重要，一旦设备出现故障，将导致电能输送中断，影响巨大。塔筒是风机中一个重要组成部件，风机质量大，叶片长度长，塔筒的承重大，高度高，挠性也打，在风机运行过程中塔筒承受更加复杂多变的负荷。另外，受复杂的地质结构原因，基础也存在不均匀沉降，这些原因都可能造成塔筒形变。以上这些隐患如不能及时发现，可能发生风机倒杆的恶性事故。

目前，人工监测风机机组塔筒形变成本高、不及时、数据准确性受人为因素影响，而风机为高耸构筑物，高耸构筑物对基础的沉降及不均匀沉降要求很高，尤其是风机在运行中主要受到水平风荷载作用，目前风机基础沉降观测方法是定期通过测量仪器对观测点进行高程观测、整理观测数据、与原始数据进行对比及计算，得出基础的倾斜率，判断不均匀沉降是否超出规范要求，这一系列工作量极大，程序繁杂，不易操作。测量中极易产生认为误差、仪器误差等，对风机基础及上部设备的安全带来一定的隐患。

为更好的解决上述问题，且为提高风电场安全稳定运行水平，拟发明一种判别风机塔筒形变和基础沉降的方法。

发明内容

本发明提供一种判别风机塔筒形变和基础沉降的系统及方法，以解决人工监测风机机组塔筒形变成本高、不及时、数据准确性受人为因素影响，以及基础沉降观测工作量极大，程序繁杂，不易操作，测量中极易产生认为误差、仪器误差的问题。

第一方面，本发明提供一种判别风机塔筒形变和基础沉降的系统，包括：光纤光栅传感器、光纤光栅波长解调仪以及监控服务器。

所述光纤光栅传感器包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅位移传感器以及光纤光栅应变传感器，所述光纤光栅传感器与所述光纤光栅波长解调仪连接，所述光纤光栅波长解调仪与所述监控服务器连接。

所述光纤光栅传感器，用于实时获取风电机组的风机塔筒以及风机底部基础的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据。

所述光纤光栅波长解调仪，用于接收所述风电机组的风机塔筒以及风机底部的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据。对所述风电机组的风机塔筒以及风机底部的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行解调，得到解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据。将所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据发送至监控服务器。

所述监控服务器，用于接收所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据，对所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行可视化显示。

结合第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，所述光纤光栅传感器与所述光纤光栅波长解调仪之间还连接有光缆接续盒和分线盒，所述光纤光栅传感器与所述光缆接续盒连接，所述光缆接续盒通过传输光纤与所述分线盒连接，所述分线盒与所述光纤光栅波长解调仪连接。

结合第一方面，在第一方面的第二种可实现方式中，所述风机塔筒下段底部区域呈圆周方向设置有四组传感器，每组传感器包括两个光纤光栅应变传感器和一个光纤光栅温度传感器。

结合第一方面，在第一方面的第三种可实现方式中，所述风机底部基础设置有四组光纤光栅位移传感器，并配置四个光纤光栅温度传感器做温度补偿。

第二方面，本发明提供一种判别风机塔筒形变和基础沉降的方法，所述方法应用于光纤光栅传感器，所述方法包括：

实时获取风电机组的风机塔筒以及风机底部基础的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据，其中，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅位移传感器以及光纤光栅应变传感器。

将所述温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据传输至光纤光栅波长解调仪，以对所述风电机组的风机塔筒以及风机底部的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行解调，并将解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据发送至监控服务器，对所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行可视化显示。

第三方面，本发明提供一种判别风机塔筒形变和基础沉降的方法，所述方法应用于光纤光栅波长解调仪，所述方法包括：

接收风电机组的风机塔筒以及风机底部的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据，其中，所述温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据由光纤光栅传感器实时获取，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅位移传感器以及光纤光栅应变传感器。

对所述风电机组的风机塔筒以及风机底部的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行解调，得到解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据。

将所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据发送至监控服务器，以通过所述监控服务器对所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行可视化显示。

第四方面，本发明提供一种判别风机塔筒形变和基础沉降的方法，所述方法应用于监控服务器，所述方法包括：

接收所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据，其中，所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据由光纤光栅波长解调仪对光纤光栅传感器实时获取的风电机组的风机塔筒以及风机底部基础的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行解调所得到。

对所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行可视化显示。

由以上技术方案可知，本发明的判别风机塔筒形变和基础沉降的系统及方法，该系统通过光纤光栅传感器实时获取风电机组的风机塔筒以及风机底部基础的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据，并利用光纤光栅波长解调仪对所述风电机组的风机塔筒以及风机底部的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行解调，再将所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据发送至监控服务器，以对所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行可视化显示，从而实现判别风机塔筒形变和基础沉降，本发明可实现动态测量，具有较强的抗电磁干扰能力、绝缘性好、耐腐蚀，精度高，大量程测量兼有高分辨力，体积小、质量轻、适应被测环境能力强，可测参量多、对象广，与光纤兼容性强，适合远距离传输，灵敏度高，便于复用、组网。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为判别风机塔筒形变和基础沉降的系统的流程图。

图2为判别风机塔筒形变和基础沉降的方法的一实施例的流程图。

图3为判别风机塔筒形变和基础沉降的方法的一实施例的流程图。

图4为判别风机塔筒形变和基础沉降的方法的一实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅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。以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

请参阅图1，本发明提供一种判别风机塔筒形变和基础沉降的系统，包括：光纤光栅传感器1、光纤光栅波长解调仪2以及监控服务器3。

其中，所述光纤光栅传感器1包括光纤光栅温度传感器11、光纤光栅位移传感器13以及光纤光栅应变传感器12，所述光纤光栅传感器1与所述光纤光栅波长解调仪2连接，所述光纤光栅波长解调仪2与所述监控服务器3连接。

所述光纤光栅传感器1，用于实时获取风电机组的风机塔筒以及风机底部基础的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据。光纤传感器用光而不用电来作为敏感信息的载体，用光纤而不用导线来作为传递敏感信息的媒质。因而，它同时具有光纤及光学测量的一些极其宝贵的特点：传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋人大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好。与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高。具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作。可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。测量信息是波长编码的，所以，光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力。高灵敏度、高分辨力。正是由于具有这么多的优点，因此利用光纤光栅传感器技术来判别风机塔筒形变和基础沉降。

光纤光栅传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。本发明中分别应用了光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器和光纤光栅位移传感器三种类型。光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕，这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅成为反射光栅。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

光栅传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。

将主光栅与标尺光栅重叠放置，两者之间保持很小的间隙，并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ，当有光源照射时，由于挡光效应(对刻线密度≤50条/mm的光栅)或光的衍射作用(对刻线密度≥100条/mm的光栅)，与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹。

在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带。在两光栅刻线的错开的地方，形成暗带。这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。

莫尔条纹的间距与栅距W和两光栅刻线的夹角θ(单位为rad)之间的关系为：

注：(K称为放大倍数)。

当指示光栅不动，主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ，而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动。光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。

主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹也相应移动一个间距S。因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动的大小和方向，这要比直接对光栅进行测量容易得多。

当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距。当两个光栅刻线夹角θ较小时，由上述公式可知，W一定时，θ愈小，则B愈大，相当于把栅距W放大了1/θ倍。因此，莫尔条纹的放大倍数相当大，可以实现高灵敏度的位移测量。

所述光纤光栅波长解调仪2，用于接收所述风电机组的风机塔筒以及风机底部的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据。对所述风电机组的风机塔筒以及风机底部的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行解调，得到解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据。将所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据发送至监控服务器。

光纤光栅传感信号的解调核心工作，是依据对光纤光栅不同的中心波长返回值进行读取，变换，进而得到外界信息的变化量。宽带光源的光通过有一定带通的耦合器入射到传感光纤中。传感光纤中串有多个不同反射中心波长的传感器，不同反射中心波长的传感器因布拉格条件的作用，满足其条件的波长被反射，不满足的波长的光透射。此时，外界的参量就被调制到反射波长中，经由耦合器进入光纤光栅波长解调仪中进行解调。

所述监控服务器3，用于接收所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据，对所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行可视化显示。监控服务器提供监测风机的位移、温度、应变量，可具备报警及定位功能，可接入其他系统。

具体地，所述光纤光栅传感器1与所述光纤光栅波长解调仪2之间还连接有光缆接续盒4和分线盒5，所述光纤光栅传感器1与所述光缆接续盒4连接，所述光缆接续盒4通过传输光纤与所述分线盒5连接，所述分线盒5与所述光纤光栅波长解调仪2连接。

可选的，所述风机塔筒下段底部区域呈圆周方向设置有四组传感器，每组传感器包括两个光纤光栅应变传感器和一个光纤光栅温度传感器。

可选的，所述风机底部基础设置有四组光纤光栅位移传感器，并配置四个光纤光栅温度传感器做温度补偿。

本发明中风机塔筒形变判别的具体实施方案如下：

塔筒形变判别由光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅波长解调仪及监控服务器组成。光纤光栅作为传感器，实时监测塔筒变化情况。通过光纤光栅应变传感器的变化分析塔筒形变、扭转角度等情况。

第一步：布置光纤光栅传感器。

在风机塔筒下段底部区域选择一个圆周方向分别布置四组光纤光栅应变传感器，每组2个光纤光栅应变传感器(布置成应变花)，1个光纤光栅温度传感器。

第二步：光纤光栅传感器连接的主光纤进行熔接。

完成光纤光栅传感器布置后，将光纤光栅传感器通过住光纤，在光纤熔接盒内进行熔接，熔接后的尾纤以备连接解调仪。

第三步：与解调仪连接通讯。

光纤光栅传感器完成尾纤熔接后，通过尾纤与解调仪连接，进行通讯，光纤光栅传感器获取的相关变量通过解调仪进行解调、分析、梳理。

第四步：接入监控服务器。

解调仪将相关变量、数据等信息完成分析后，通过网线或光纤与监控服务器连接通讯，由监控服务器的界面将相关实时或报警信息展示给用户。从而实现实时监控、实时分析的功能。

本发明中风机基础沉降判别方法实施方案如下：

基础沉降判别由光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅波长解调仪及监控服务器组成。光纤光栅作为传感器，实时监测风机基础沉降变化情况。

风机底部基础布置四组光纤光栅位移传感器，并配置4个光纤光栅温度传感器做温度补偿。光纤光栅位移传感器测量基础自身伸缩变形及与周围地面的相对沉降变形。

第一步：布置光纤光栅传感器。

在风机基础布置四组光纤光栅位移传感器，并配置4个光纤光栅温度传感器做温度补偿。

第二步：光纤光栅传感器连接的主光纤进行熔接。

完成光纤光栅传感器布置后，将光纤光栅传感器通过住光纤，在光纤熔接盒内进行熔接，熔接后的尾纤以备连接解调仪。

第三步：与解调仪连接通讯。

光纤光栅传感器完成尾纤熔接后，通过尾纤与解调仪连接，进行通讯，光纤光栅传感器获取的相关变量通过解调仪进行解调、分析、梳理。

第四步：接入监控服务器。

解调仪将相关变量、数据等信息完成分析后，通过网线或光纤与监控服务器连接通讯，由监控服务器的界面将相关实时或报警信息展示给用户。从而实现实时监控、实时分析的功能。风机塔筒形变及基础沉降判别方法可共用同一个解调仪及监控服务器。

与传统技术的方式相比较，光纤传感器用光而不用电来作为敏感信息的载体。用光纤而不用导线来作为传递敏感信息的媒质。因此本发明具有以下优点：

(1)可实现动态测量：易于实现测量及数据处理的自动化。

(2)具有较强的抗电磁干扰能力、绝缘性好、耐腐蚀：对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格，光纤光栅传感技术有非传导的特性，不会给被测目标带来很大的影响，而且因为材料结构原因，其能在较强的电磁干扰环境、较强的腐蚀环境等中工作，因此在有关核工程的建设、煤矿建设、油田建设等工程都都可以稳定地应用此技术。光纤材料主要成分为二氧化硅，是本质安全的。因此光纤传感技术具有抗电磁干扰、防雷击、防水防潮、耐高温、耐腐蚀等特点。

(3)精度高：光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面，光栅式传感器属于精度最高的。

(4)大量程测量兼有高分辨力：感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点，但分辨力和精度都不如光栅式传感器。

(5)体积小、质量轻、适应被测环境能力强：

传感信号复用能力极强而且是波长调制，传感器的探头质量小，占用空间小，同时其外形较为柔软，因而可以在很多环境下进行测量工作。该技术不仅仅有传统光纤传感器的优势，同时解决了在测量过程中，因为光纤弯曲损耗、光源不稳定、仪器老化等问题导致测量结果不准确的问题，增强了抗干扰能力，也没有传统“干涉型”光纤传感器进行相位测量时结果模糊看不清的问题。同时由于光纤体积小、质量轻而且可以进行一定程度的弯曲，因此可以随被测物体形状改变走向，能最大限度地适应被测环境。非常适用于风电机组的测量、

(6)可测参量多、对象广：

因为光纤材料比较柔软，所以可以把一些光栅串接在一根光纤之上，并采取时分复和波分复技术，然后将其置于被测目标上，可以实现多个目标信息的采集工作。通过解调技术，光纤传感技术可以实现多种参量的传感。

(7)与光纤兼容性强，适合远距离传输：

光纤光栅传感器材料与光纤具有很强的兼容性，可以很好地与光纤相连，光纤的工频带宽而且光波在光纤中的传输损耗小、稳定性高、带宽大、适合长距离传感和远程监控。

(8)灵敏度高，便于复用、组网：

光纤光栅传感技术可以实现极高灵敏度的测量。由于光波问不会相互干扰，可在同一根光纤中同时传输很多光信号。而且光纤本身组网便利，有利于与现有光通信设备组成光纤传感网络。

如图2所示，本发明还提供一种判别风机塔筒形变和基础沉降的方法，所述方法应用于光纤光栅传感器，所述方法包括：

步骤S201，实时获取风电机组的风机塔筒以及风机底部基础的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据，其中，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅位移传感器以及光纤光栅应变传感器。

步骤S202，将所述温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据传输至光纤光栅波长解调仪，以对所述风电机组的风机塔筒以及风机底部的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行解调，并将解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据发送至监控服务器，对所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行可视化显示。

如图3所示，本发明还提供一种判别风机塔筒形变和基础沉降的方法，所述方法应用于光纤光栅波长解调仪，所述方法包括：

步骤S301，接收风电机组的风机塔筒以及风机底部的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据，其中，所述温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据由光纤光栅传感器实时获取，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅位移传感器以及光纤光栅应变传感器。

步骤S302，对所述风电机组的风机塔筒以及风机底部的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行解调，得到解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据。

步骤S303，将所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据发送至监控服务器，以通过所述监控服务器对所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行可视化显示。

如图4所示，本发明还提供一种判别风机塔筒形变和基础沉降的方法，所述方法应用于监控服务器，所述方法包括：

步骤S401，接收所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据，其中，所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据由光纤光栅波长解调仪对光纤光栅传感器实时获取的风电机组的风机塔筒以及风机底部基础的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行解调所得到。

步骤S402，对所述解调后的温度变化数据、位移变化数据以及应变变化数据进行可视化显示。

本发明实施例还提供一种存储介质，本发明实施例还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明提供的判别风机塔筒形变和基础沉降的方法的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：Read-OnlyMemory，简称：ROM)或随机存储记忆体(英文：RandomAccessMemory，简称：RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。