基于数字孪生的风力机叶片状态监测方法和系统

技术领域

本申请涉及风力机监控技术领域，尤其是涉及基于数字孪生的风力机叶片状态监测方法和系统。

背景技术

因风能具有清洁、可再生等优势，使得用于生产风能的风力机装机量快速增长，同时，随着科技的发展，使得风力机逐渐朝向高效率、低成本、高质量的方向发展。

叶片作为风力机的核心大部件之一，占据风力机成本的20％以上，并且常在狂风、盐雾、雨水等复杂的自然环境中工作，面临着各种各样的损伤和挑战，若不能及时发现叶片的损伤并提供维修策略，将会导致大量的电量损失和高额的维修费用，其健康状态已成为整个风力机能否安全可靠运行的重要因素。

当前，风力机叶片的健康检查通常都采用费时费力的人工手段，如塔底望远镜勘察或叶片检修平台检查，大量的风力机与有限的作业窗口、有限的人力资源存在严重冲突。在这样的背景下，叶片运维的数字化和智能化成为行业发展的必然趋势。

发明内容

本申请提供一种基于数字孪生的风力机叶片状态监测方法和系统，具有提高风力机叶片状态监测效率的特点。

本申请目的一是提供一种基于数字孪生的风力机叶片状态监测方法。

本申请的上述申请目的一是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于数字孪生的风力机叶片状态监测方法，包括：

依据配置参数和划分模型将叶片划分为n个截面，n≥2；

依据机舱风速、叶片结构参数以及风场剪切指数计算每一个截面的截面风速U

根据叶片结构参数和重力加速度计算截面重力载荷f

根据叶片结构参数和风轮转速计算截面离心力载荷f

根据截面空气动力f

根据n个截面总载荷F

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述根据机舱风速、叶片结构参数以及风场剪切指数计算截面风速U

依据配置参数获取机舱距地高度Z

从监控数据中获取叶片方位角β，计算得到叶片各截面距地高度Z

根据机舱风速、机舱距地高度Z

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述根据叶片结构参数和重力加速度计算截面重力载荷f

依据叶片结构参数中的叶片第i个截面的截面质量m

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述根据叶片结构参数和风轮转速计算截面离心力载荷f

依据叶片结构参数中的叶片第i个截面的截面质量m

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述根据n个截面总载荷F

依据配置参数获取叶片的质量矩阵M，阻尼矩阵C，刚度矩阵K；

求解叶片动力学方程：

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述方法还包括：根据截面总载荷F

所述根据截面总载荷F

提取叶根截面的截面载荷F

依据配置参数获取叶根截面设计极限载荷F

计算叶根截面的载荷健康因子

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述得到所述叶根截面的载荷健康因子I

当I

当I

当I

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述得到所述运动数据后，所述方法还包括：计算叶尖截面的变形健康因子；

所述叶尖截面的变形健康因子包括：

提取叶尖截面的变形x

依据配置参数获取叶尖截面设计最大变形x

计算叶尖截面的变形健康因子

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述计算叶尖截面的变形健康因子后，所述方法还包括：

当J

当J

当J

本申请提供一种基于数字孪生的风力机叶片状态监测方法，首先，将叶片划分为多个截面；然后再计算每一个截面的截面总载荷和实时变形数据。由此可知，本申请无需新增应变、振动、距离、图像等测量传感器即可获得叶片的实时载荷、变形信息，从而节约硬件成本。同时，本申请能够实时在线监控，保障了对风力机的监控的即时性。另外，本申请还能够根据截面的截面总载荷和实时变形数据，判断叶片的健康状态，从而便于管理人员针对叶片的不同健康状态提出对应的解决策略，进而提升叶片的安全性。

本申请目的二是提供一种基于数字孪生的风力机叶片状态监测系统。

本申请的上述申请目的二是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于数字孪生的风力机叶片状态监测系统，包括：

数据处理模块，用于依据配置参数和划分模型将叶片划分为n个截面，n≥2；

第一计算模块，用于依据机舱风速、叶片结构参数以及风场剪切指数计算每一个截面的截面风速U

第二计算模块，用于根据叶片结构参数和重力加速度计算截面重力载荷f

第三计算模块，用于根据叶片结构参数和风轮转速计算截面离心力载荷f

第一生成模块，用于根据截面空气动力f

第二生成模块，用于根据n个截面总载荷F

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.首先，将叶片划分为多个截面；然后再计算每一个截面的截面总载荷和实时运动数据。由此可知，本申请无需新增应变、振动、距离、图像等测量传感器即可获得叶片的实时载荷、变形信息，从而节约硬件成本；

2.本申请还能够根据截面的截面总载荷和实时变形数据，判断叶片的健康状态，从而便于管理人员针对叶片的不同健康状态提出对应的解决策略，进而提升叶片的安全性。

附图说明

图1是本申请实施例的示例性运行环境示意图。

图2是本申请实施例的基于数字孪生的风力机叶片状态监测方法流程图。

图3是本申请方法施例中计算截面距地高度示例图。

图4是本申请实施例的基于数字孪生的风力机叶片状态监测系统框图。

附图标记说明：1、数据处理模块；2、第一计算模块；3、第二计算模块；4、第三计算模块；5、第一生成模块；6、第二生成模块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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全部其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例的示例性运行环境示意图，该运行环境包括风力机SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统、配置系统以及监控平台。

其中，风力机也称为风力发电机。风力机上安装有大量用于测量风速、风轮转速、叶片桨距角、偏航角和叶片方位角等的传感器。在实际应用中，这些传感器所采集到的数据都将汇集在风力机SCADA系统中。

配置系统中存储有风力机的配置参数，配置数据包含叶片几何参数、叶片翼型气动性能数据、叶片结构参数、机组参数、风力机所在的风场的风场剪切指数以及用于评估叶片健康状态的叶根截面设计极限载荷、叶尖截面设计最大变形量。其中，叶片几何参数包括叶片弦长、扭角、相对厚度等参数；叶片结构参数包括叶片质量、刚度、阻尼等参数；机组参数包括风机轮毂半径、机舱高度等参数。

监控平台包括处理组件和显示组件。处理组件具有计算功能，其由一台或者多台服务器组成。处理组件用于与风力机SCADA系统和配置系统进行数据通讯，并从风力机SCADA系统和配置系统处获取计算所需要的相关数据，例如，处理组件通过软网关方式实时获取风力机SCADA系统中的测量数据，还通过软件接口获取配置系统中存储的各项配置参数。处理组件获取到所需的数据后，再采用数字孪生的方法实现对叶片的无传感测量，即在不新增任何传感器的情况下，仅利用风力机SCADA系统中的测量数据和配置系统中的配置参数，通过数字孪生技术实时获得叶片的载荷和运动状态，并根据所获得的叶片的载荷和运动状态对其进行健康评估。

由于上述监控过程并未新增硬件设备即可获得叶片的实时载荷、变形信息，节省了新增应变、振动、距离、图像等测量传感器所需要的硬件成本以及后期的硬件设备的维护投入。同时，由监控平台实时在线监测、智能监测也能够保障叶片的健康评估的即时性，从而便于重点关注健康度下降的叶片。

另外，显示组件由一个或者多个显示器组成，显示组件用于显示处理组件输出的数据，如显示风力机叶片的健康评估结果，从而便于管理人员直观的查看到风力机叶片的健康状况。

为了说明监控平台监测风力机叶片的过程，本申请提供了一种基于数字孪生的风力机叶片状态监测方法，如图2所示，该监测方法的主要流程描述如下。

步骤S1：获取监控数据和配置数据。

监控数据是从风力机SCADA系统中获取到的，监控数据包括机舱风速、风轮转速、叶片桨距角和叶片方位角等参数。

配置数据是从配置系统中获取到的。配置参数包括叶片几何参数、叶片翼型气动性能数据、叶片结构参数、机组参数、风场剪切指数、叶根截面设计极限载荷、叶尖截面设计形变阈值。其中，叶片几何参数包括叶片弦长、扭角、相对厚度等参数。叶片结构参数包括叶片质量、刚度、阻尼等参数。机组参数包括风机轮毂半径、机舱高度等参数。风场剪切指数是指风力机所在的环境的风场剪切指数。叶根截面极限载荷是最靠近叶片的旋转中心的截面的设计最大承受载荷；叶尖截面形变阈值是距离叶片的旋转中心最远的截面的最大设计形变承受量。

步骤S2：根据叶片几何参数和划分模型将叶片划分为n个截面。

具体地，得到叶片几何参数后，根据叶片几何参数中的叶片弦长将叶片等距划分为n个截面，n≥2，进而便于后续对每一个截面单独分析其健康状态，以提高判断风力机叶片的状态的准确度。在其他示例中，也可以将叶片划分为非等距的截面，以能够便于通过分析每一个截面从而得到叶片整体状态为准，本申请在此不做限制。

在实际应用中，划分截面时应使每一个截面的长度位于2米至4米之间，从而使得每一个截面的长度处于合适的长度。合适的长度是指：在单独分析每一个截面时不会耗费太多计算量，也不会由于截面过长而使得当将多个截面的分析结果作为叶片整体的分析结果时，所得的健康结果的准确度降低。

步骤S3：根据机舱风速、叶片结构参数以及风场剪切指数计算每一个截面的截面风速U

首先，由于叶片各截面距叶根距离L

然后，再根据机舱风速、机舱距地高度Z

最后，将截面风速U

步骤S4：根据叶片结构参数和重力加速度计算截面重力载荷f

具体地，获取叶片结构参数中的每一个截面质量m

步骤S5：根据叶片结构参数和风轮转速计算截面离心力载荷f

同样地，获取叶片结构参数中的每一个截面质量m

步骤S6：根据截面空气动力f

具体地，每一个截面的截面总载荷：F

步骤S7：根据截面总载荷F

首先，提取叶根截面的截面载荷F

需要说明的是，上述的[0,0.8)、[0.8,1.0)、1.0均是提前设定的范围值。

步骤S8：根据n个截面总载荷F

首先，从配置参数中获取叶片的质量矩阵M，阻尼矩阵C，刚度矩阵K，再将叶片的n个截面总载荷F

依据上述的叶片动力学方程计算得到叶片的运动数据，该运动数据包括每一个截面的截面变形x

步骤S9：根据叶片实时运动数据和叶尖截面设计最大变形x

首先，提取叶尖截面的变形数据x

最后判断J

本申请将监控平台依据叶尖变形生成的健康状态数据或关注状态数据或报警数据统一称为叶片变形状态监测结果，但是在管理人员接收到不同类型的叶片变形状态监测结果时，需要针对性的采取不同的解决措施。

本申请还提供了一种基于数字孪生的风力机叶片状态监测系统，该系统位于处理组件中，如图4所示，该系统包括数据处理模块1、第一计算模块2、第二计算模块3、第三计算模块4、第一生成模块5以及第二生成模块6。

数据处理模块1，用于依据配置参数和划分模型将叶片划分为n个截面，n≥2。

第一计算模块2，用于依据机舱风速、叶片结构参数以及风场剪切指数计算每一个截面的截面风速U

第二计算模块3，用于根据叶片结构参数和重力加速度计算截面重力载荷f

第三计算模块4，用于根据叶片结构参数和风轮转速计算截面离心力载荷f

第一生成模块5，用于根据截面空气动力f

第二生成模块6，用于根据n个截面总载荷F

描述于本申请实施例中所涉及到的模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括数据处理模块1、第一计算模块2、第二计算模块3、第三计算模块4、第一生成模块5以及第二生成模块6。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定，例如，数据处理模块1还可以被描述为“用于依据配置参数和划分模型将叶片划分为n个截面的模块”。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，所述描述的模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离前述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其他技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。