一种海上风电机组一体化安全性载荷测试系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种海上风电机组一体化安全性载荷测试系统。

背景技术

近几年海上风电发展迅速，且风电机组向大型化发展，因此海上风电机组的安全性测试是尽可能避免风机安全事故的重要手段之一。为了对海上风电机组及基础的各个主要结构部件的载荷进行测试与监测，需要使用风电机组安全测试设备进行测试。目前的测试系统针对海上安全载荷测试不能满足要求，因此本发明对风电机组安全性载荷测试进行了改进优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种海上风电机组一体化安全性载荷测试系统，以解决现有的风机安全性载荷测试系统已不满足越来越大型化的海上风电机组的安全性载荷测试要求。

为此，本发明的目的在于提出一种海上风电机组一体化安全性载荷测试系统，包括：

信号采集模块，用于对海上风电机组的载荷信号和风向流浪信号进行采集；其中，载荷信号包括叶片载荷、机舱载荷、塔顶载荷、塔中载荷、塔底载荷及海上基础载荷；

信号处理模块，用于存储载荷信号和风向流浪信号，并基于载荷信号进行应力转化的计算分析，确定海上风电机组关键部位的载荷受力数据。

其中，信号采集模块包括：叶片载荷测试单元、机舱载荷测试单元、塔顶载荷测试单元、塔中载荷测试单元、塔底载荷测试单元、单桩等海上基础载荷测试单元、浪流测试单元、3D式激光雷达单元；

其中，叶片载荷测试单元用于测量叶片的应力信号；

机舱载荷测试单元用于测量主轴的应力信号；

塔顶载荷测试单元用于测量塔顶的应力信号；

塔中载荷测试单元用于测量塔中的应力信号；

塔底载荷测试单元用于测量塔底的应力信号；

海上基础载荷测试单元用于测量风机基础的应力信号；

浪流测试单元用于测量水文数据；

3D式激光雷达单元用于测量气象信号。

其中，叶片载荷测试单元设置于被测风力发电机组的叶片上，以采集叶片根部的挥舞、摆振弯矩及扭矩信号，和叶中的挥舞、摆振弯矩信号；

叶片载荷测试单元包括叶片数据采集器、开关电源、稳压电源、多组应变传感器；叶根测点选择在叶根圆柱体过渡段内，测点应尽量靠近挥舞和摆振方向，测点位置原则上应避开叶根螺栓至少1m以上，摆振方向应变片要避开合模缝。本发明中，叶片载荷测试单元用于采集3支叶片根部的挥舞、摆振及扭矩信号，和3个叶中的挥舞、摆振弯矩信号。

具体的，叶片根部测点设置于叶根圆柱体过渡段内，在叶根圆柱体过渡段截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的叶根弯矩应变片，构建叶根弯矩全桥电路，另外两个相对的四等分点设置2个相差180度的叶根扭矩应变片，构建叶根扭矩全桥电路，将叶根弯矩全桥电路和叶根扭矩全桥电路接入叶片数据采集器；

对于大尺寸的叶片，圆柱体过渡段可能较短，此时要优先考虑叶根螺栓的影响，通过贴片截面处周长选取四个等分点，根据叶片变桨刻度线0度位置确定4个贴片位置角度，作为四等分点。

由于叶片距离地面较远，叶片载荷测试数据采集完成后通过无线通信的方式发送至塔底服务器，通过网线及交换机进一步连接至数据处理模块。

叶中测点设置于叶片上距离叶根30％-50％的位置，在测点所在叶片两侧分别设置2个相差180度的叶中弯矩应变片，构建叶中弯矩全桥电路，将叶中弯矩全桥电路接入叶片数据采集器。

其中，机舱载荷测试单元安装于机舱，包括机舱数据采集器、开关电源、稳压电源、多组应力传感器，用于测量海上风电机组的俯仰弯矩、偏航弯矩及旋转扭矩；对于双馈型风电机组，主轴测点应该在轴承座之前，通常位于主轴喇叭口位置。对于直驱型风电机组，应力传感器安装于定轴上，直接测量。

若海上风电机组为双馈式风力发电机组，在双馈式风力发电机组主轴喇叭口位置指定坡度的截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的主轴弯矩应变片，构建主轴弯矩全桥电路，另外两个相对的四等分点设置2个相差180度的主轴扭矩应变片，构建主轴扭矩全桥电路，将主轴弯矩全桥电路和主轴扭矩全桥电路接入机舱数据采集器；

若海上风电机组为直驱型风力发电机组，在定轴圆柱状上下位置壳体截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的定轴弯矩应变片，构建定轴弯矩全桥电路，另外两个相对的四等分点设置2个相差180度的定轴扭矩应变片，构建定轴扭矩全桥电路，将定轴弯矩全桥电路和定轴扭矩全桥电路接入机舱数据采集器。

机舱载荷测试数据采集完成后通过网线及交换机连接至数据处理模块。

其中，塔顶载荷测试单元设置于塔顶平台、用于采集塔顶弯矩及扭矩载荷信号；包括塔顶数据采集器、开关电源、稳压电源、多组应力传感器；塔顶测点应远离偏航平台至少一个塔顶直径的距离，同时注意避让电缆与爬梯通道位置。

塔顶应变测点设置于远离塔顶至少一个塔筒直径的距离，在塔筒内截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的塔顶弯矩应变片，构建塔顶弯矩全桥电路，另外两个相对的四等分点设置2个相差180度的塔顶扭矩应变片，构建塔顶扭矩全桥电路，将塔顶弯矩全桥电路和塔顶扭矩全桥电路接入塔顶数据采集器。

塔顶应变测点应远离塔顶法兰至少一个塔顶直径的距离，同时注意避让电缆与爬梯通道位置，通过在塔筒内壁粘贴刻度尺确定四个90度位置，进行打磨、贴片、防护，实现应变信号的测量。数据处理模块通过交换机实现与塔顶载荷测试单元的通讯，每个塔顶数据采集器具有唯一可识别IP，保证通讯正常。

其中，塔中载荷测试单元设置于被测海上风电机组塔筒中部，用于测量塔筒中部弯矩；包括塔中数据采集器、开关电源、稳压电源、多组应力传感器；塔中测点应在塔筒中部最近的一个平台附近进行粘贴塔顶测点。

其中，塔中应变测点设置于塔筒中部，在塔筒中部截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的塔中弯矩应变片，构建塔中弯矩全桥电路，将塔中弯矩全桥电路接入塔中数据采集器。

塔筒中部的应变测点选择要远离连接法兰至少1m，通过在塔筒内壁粘贴刻度尺确定四个90度位置，进行打磨、贴片、防护，实现应变信号的测量。塔中载荷测试单元的塔中数据采集器IP保证与数据处理模块的工控机在同一网段内，实现与数据处理模块的数据传输。

其中，塔底载荷测试单元设置于被测海上风电机组塔筒底部，用于测量塔筒底部弯矩；包括塔底数据采集器、开关电源、稳压电源、多组应力传感器；塔底测点应远离门至少1m 以上且不能选在门的斜上方。通过在塔筒内壁粘贴刻度尺确定四个90度位置，进行打磨、贴片、防护，实现应变信号的测量。塔底载荷测试单元同时进行机组状态信号的采集，获取被测海上风电机组的转速、桨距角、功率等数据，通过光纤与交换机传输至数据处理模块。

其中，塔底应变测点设置于塔筒底部，在塔筒底部截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的塔底弯矩应变片，构建塔底弯矩全桥电路，将塔底弯矩全桥电路接入塔底数据采集器。

其中，海上基础载荷测试单元设置于海上风电机组的风机门平台，用于测量海上风电机组的基础受力情况；包括基础数据采集器、开关电源、稳压电源、多组应力传感器；

在海上风电机组吊装前，将电阻应变片、光纤应变片、或应力传感器安装在基础内部或表面，好放水防撞防腐蚀等保护措施后，将传感器接头留在外面，测试时将传感器接入基础数据采集器完成通道配置与数据采集。

浪流测试单元设置于被测海上风电机组主风向方向上，距离被测海上风电机组100m的海底，测量波浪、海流及水位变化情况，用于对海上风电机组基础受力的分析。通过无线通信方式与数据处理模块连接。

其中，还包括3D式激光雷达单元，设置于被测海上风电机组外围平台，通过雷达配置界面输入多个待测风位置的高度与距离，雷达自动调整每次的转动角度与俯仰角，以进行测量。

其中，信号处理模块包括数据接收单元、数据存储单元、数据整合单元和数据处理单元；

数据接收单元连接至叶片载荷测试单元的叶片数据采集器、机舱载荷测试单元的机舱数据采集器、塔顶载荷测试单元的塔顶数据采集器、塔中载荷测试单元的塔中数据采集器、塔底载荷测试单元的塔底数据采集器、海上基础载荷测试单元的基础数据采集器、浪流测试单元及3D式激光雷达单元，以进行数据接收；

数据存储单元用于对数据接收单元接收的数据进行存储；其中，将接收到的叶片载荷测试单元的叶片数据采集器、机舱载荷测试单元的机舱数据采集器、塔顶载荷测试单元的塔顶数据采集器、塔中载荷测试单元的塔中数据采集器、塔底载荷测试单元的塔底数据采集器及海上基础载荷测试单元的基础数据采集器传输的数据存储于载荷文件夹；将接收到的浪流测试单元传输的数据存储于浪流数据文件夹；将接收到的3D式激光雷达单元传输的数据存储于测风文件夹；

数据整合单元用于将载荷文件夹、浪流数据文件夹及测风文件夹中相同时间节点的数据进行数据整合；

数据处理单元用于对整合后的数据进行载荷计算分析和应力转化，得到海上风电机组对应部位的载荷受力数据，并传输至数据存储单元进行数据存储。

上述所有数据采集单元的通过作为数据接收单元的交换机、光纤通讯、无线通信等通讯方式把采集到的信号传输到工控机和边缘计算模块中的工控机中，作为数据存储单元的工控机将接收到的数据进行存储，并将原始数据传输至边缘计算单元进行分析，并把分析后的数据回传至工控机进行存储。

将收集到的叶片、轮毂、塔筒、基础载荷数据存储成10分钟一个载荷文件夹，载荷文件夹、测风文件夹和浪流数据文件夹将相同时间的数据传输至数据整合单元，将整合后的数据在载荷计算分析进行应力转化，得到风机各关键部件的载荷受力数据，将分析后的数据进行存储。

区别于现有技术，本发明提供的海上风电机组一体化安全性载荷测试系统，通过对海上风电机组的叶片载荷、机舱载荷、塔顶载荷、塔中载荷、塔底载荷及海上基础载荷信号和风向流浪信号进行采集；采集完成后，存储载荷信号和风向流浪信号，并基于载荷信号进行应力转化的计算分析，确定所述海上风电机组关键部位的载荷受力数据。本发明使用3D式激光雷达作为气象数据采集单元，且同时还增加了水文数据采集和风机基础应力采集，整合了风、浪、流等数据与风机本体和基础的载荷数据，实现海上风电机组一体化的载荷测试，分析不同环境条件下的风机和桩基的载荷情况，有助于海上风电机组在研发过程中如何进行成本把控。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明提供的一种海上风电机组一体化安全性载荷测试系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的一种海上风电机组一体化安全性载荷测试系统。

图1为本发明实施例所提供的一种海上风电机组一体化安全性载荷测试系统的结构示意图。包括：

信号采集模块，用于对海上风电机组的载荷信号和风向流浪信号进行采集；其中，载荷信号包括叶片载荷、机舱载荷、塔顶载荷、塔中载荷、塔底载荷及海上基础载荷；

信号处理模块，用于存储载荷信号和风向流浪信号，并基于载荷信号进行应力转化的计算分析，确定海上风电机组关键部位的载荷受力数据。

其中，信号采集模块包括：叶片载荷测试单元、机舱载荷测试单元、塔顶载荷测试单元、塔中载荷测试单元、塔底载荷测试单元、单桩等海上基础载荷测试单元、浪流测试单元、3D式激光雷达单元；

其中，叶片载荷测试单元用于测量叶片的应力信号；

机舱载荷测试单元用于测量主轴的应力信号；

塔顶载荷测试单元用于测量塔顶的应力信号；

塔中载荷测试单元用于测量塔中的应力信号；

塔底载荷测试单元用于测量塔底的应力信号；

海上基础载荷测试单元用于测量风机基础的应力信号；

浪流测试单元用于测量水文数据；

3D式激光雷达单元用于测量气象信号。

其中，叶片载荷测试单元设置于被测风力发电机组的叶片上，以采集叶片根部的挥舞、摆振弯矩及扭矩信号，和叶中的挥舞、摆振弯矩信号；

其中，叶片根部测点设置于叶根圆柱体过渡段内，在叶根圆柱体过渡段截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的叶根弯矩应变片，构建叶根弯矩全桥电路，另外两个相对的四等分点设置2个相差180度的叶根扭矩应变片，构建叶根扭矩全桥电路，将叶根弯矩全桥电路和叶根扭矩全桥电路接入一叶片数据采集器；

叶中测点设置于叶片上距离叶根30％-50％的位置，在测点所在叶片两侧分别设置2个相差180度的叶中弯矩应变片，构建叶中弯矩全桥电路，将叶中弯矩全桥电路接入叶片数据采集器。

其中，机舱载荷测试单元用于测量海上风电机组的俯仰弯矩、偏航弯矩及旋转扭矩；

若海上风电机组为双馈式风力发电机组，在双馈式风力发电机组主轴喇叭口位置指定坡度的截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的主轴弯矩应变片，构建主轴弯矩全桥电路，另外两个相对的四等分点设置2个相差180度的主轴扭矩应变片，构建主轴扭矩全桥电路，将主轴弯矩全桥电路和主轴扭矩全桥电路接入一机舱数据采集器；

若海上风电机组为直驱型风力发电机组，在定轴圆柱状上下位置壳体截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的定轴弯矩应变片，构建定轴弯矩全桥电路，另外两个相对的四等分点设置2个相差180度的定轴扭矩应变片，构建定轴扭矩全桥电路，将定轴弯矩全桥电路和定轴扭矩全桥电路接入机舱数据采集器。

其中，塔顶载荷测试单元设置于塔顶平台、用于采集塔顶弯矩及扭矩载荷信号；

塔顶应变测点设置于远离塔顶法兰至少一个塔筒直径的距离，在塔筒内截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的塔顶弯矩应变片，构建塔顶弯矩全桥电路，另外两个相对的四等分点设置2个相差180度的塔顶扭矩应变片，构建塔顶扭矩全桥电路，将塔顶弯矩全桥电路和塔顶扭矩全桥电路接入一塔顶数据采集器。

其中，塔中载荷测试单元设置于被测海上风电机组塔筒中部，用于测量塔筒中部弯矩；

其中，塔中应变测点设置于塔筒中部，在塔筒中部截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的塔中弯矩应变片，构建塔中弯矩全桥电路，将塔中弯矩全桥电路接入一塔中数据采集器。

其中，塔底载荷测试单元设置于被测海上风电机组塔筒底部，用于测量塔筒底部弯矩；

其中，塔底应变测点设置于塔筒底部，在塔筒底部截面周长设置四等分点，其中两个相对的四等分点设置2个相差180度的塔底弯矩应变片，构建塔底弯矩全桥电路，将塔底弯矩全桥电路接入一塔底数据采集器。

其中，海上基础载荷测试单元设置于海上风电机组的风机门平台，用于测量海上风电机组的基础受力情况；

在海上风电机组吊装前，将电阻应变片、光纤应变片、或应力传感器安装在基础内部或表面，测试时将传感器接入一基础数据采集器；

浪流测试单元设置于被测海上风电机组主风向方向上，距离被测海上风电机组100m的海底，测量波浪、海流及水位变化情况，用于对海上风电机组基础受力的分析。

其中，还包括3D式激光雷达单元，设置于被测海上风电机组外围平台，通过雷达配置界面输入多个待测风位置的高度与距离，雷达自动调整每次的转动角度与俯仰角，以进行测量。

其中，信号处理模块包括数据接收单元、数据存储单元、数据整合单元和数据处理单元；

数据接收单元连接至叶片载荷测试单元的叶片数据采集器、机舱载荷测试单元的机舱数据采集器、塔顶载荷测试单元的塔顶数据采集器、塔中载荷测试单元的塔中数据采集器、塔底载荷测试单元的塔底数据采集器、海上基础载荷测试单元的基础数据采集器、浪流测试单元及3D式激光雷达单元，以进行数据接收；

数据存储单元用于对数据接收单元接收的数据进行存储；其中，将接收到的叶片载荷测试单元的叶片数据采集器、机舱载荷测试单元的机舱数据采集器、塔顶载荷测试单元的塔顶数据采集器、塔中载荷测试单元的塔中数据采集器、塔底载荷测试单元的塔底数据采集器及海上基础载荷测试单元的基础数据采集器传输的数据存储于载荷文件夹；将接收到的浪流测试单元传输的数据存储于浪流数据文件夹；将接收到的3D式激光雷达单元传输的数据存储于测风文件夹；

数据整合单元用于将载荷文件夹、浪流数据文件夹及测风文件夹中相同时间节点的数据进行数据整合；

数据处理单元用于对整合后的数据进行载荷计算分析和应力转化，得到海上风电机组对应部位的载荷受力数据，并传输至数据存储单元进行数据存储。

具体的，针对叶片弯矩载荷的计算，设定Mbe和Mbf分别代表摆振和挥舞方向的弯矩，而Se、Sf分别代表摆振和挥舞方向应变片输出的信号，矩阵D和O为通过空转得到的标定系数。根据如下公式得到：

针对塔顶、塔中、塔底的塔架弯矩载荷：

M＝Ks*S+Zs

其中M为弯矩，S为信号输出值；然后根据偏航角将两组应变片的载荷转换到机舱坐标系下的前后和左右方向弯矩，转换关系如下：

Md1和Md2分别代表两组正交方向应变片测量的载荷值，yaw代表偏航角度，θd1和θd2 分别为偏航标定时对应信号处于峰值时的偏航角度。

针对塔顶、塔中、塔底的塔架扭矩载荷：

Mtt_tor＝Ks*S+Zn

S代表扭矩信号的输出值。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例的膝关节骨挫伤检测分类。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。