专利名称：一种风电机组结构健康监测系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种结构健康监测装置，更具体地是涉及一种风电机组结构健康监测装置，属于电器自动化测试领域。
背景技术：
目前我国土木工程事故频繁发生，如桥梁的突然垮塌、房屋骤然倒塌、大型风力发电结构折断倒塌等，造成了重大的人员伤亡和财产损失，己经引起人们对于重大工程安全性的关心和重视。近年来，随着我国大批兆瓦级新型风力发电机组匆忙投入规模化生产运行，质量和运行可靠性问题突出，也出现了很多运行故障，增加了技术和经济风险。由于风资源分布的限制，风力发电场多分布在远离城市的荒漠、山区、牧场；随着海上风能的开发和利用，近海或沿海滩涂风力发电场将成为未来风电的重要发展方向，这都给机组的运行管理和维护带来了极大的困难。风电工程结构损伤破坏可以发生于风电机组任何一部分，它可以从基础的破坏到桨叶，螺栓剪和承重塔架的损伤等，结构损伤破坏的例子在威尔士，苏格兰，西班牙，德国， 法国，丹麦，日本和新西兰等地的均有报道。损害最常见的类型是转子、叶片损坏和塔与基础支撑体系损伤。因此，对于受环境因素、载荷和自然灾害导致损伤、累积以及抗力衰减的工程结构，可以通过一定的检测手段与方法来判断结构是否存在损伤，并对损伤定位和评估来避免破坏，以实现对风力发电基础设施的损伤检测和识别的结构健康监测，已成为风电工程建设和安全运营重要内容之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种通过一定的检测手段与方法来判断结构是否存在损伤，并对损伤定位和评估来避免破坏，以实现对风力发电基础设施的损伤检测和识别的结构健康监测的风电机组结构健康监测系统。同时，本发明的另一目的在于提供一种风电机组结构健康监测方法。为了解决以上技术问题，提供所述系统包括数据存储分析装置和数据采集装置， 数据存储分析装置和数据采集装置通过无线信号通信，其中，所述数据存储分析装置包括
力学模型分析模块，用于分析风电机组的力学模型，确定结构安全监测传感器的类型、 数量和布设位置；
数据接收模块，用于接收数据采集装发送的数据，并进行解包处理； 结构安全判断模块，用于根据分析数据采集装置的数据判断损伤的位置与程度，评估结构的安全性，预测结构的性能变化和剩余寿命；
维管等级裁定模块，用于根据结构安全判断模块的数据裁定维管等级，确定是否需要维管；维管执行模块，用于发出维管通知并执行维管；
所述数据采集装置包括传感器组和数据发送模块，所述传感器组和数据发送模块通过线缆连接，其中传感器组的类型、数量和布设位置根据数据存储分析装置的力学模型分析模块的分析数据确定。对本发明的进一步限定方案为所述数据采集装置的传感器组中传感器的监测位置包括风塔基础的压力监测、塔基塔筒内螺栓的应力监测、机舱与塔筒连接部位的应力监测和浆叶的应力或变形监测。其中，风塔基础的压力监测得到各测点的压力-时间曲线，从而判断塔基沉降是否均勻；塔基、塔筒内螺栓的应力监测得到塔筒是否存在过大附加弯矩， 从而判断塔筒是否有折弯的可能；机舱与塔筒连接部位的应力监测可得到恶劣气象环境或地震等自然灾害时连接部位的安全性；浆叶的应力或变形监测可得到浆叶运转时的受力状况。进一步的，所述数据采集装置的传感器组中传感器类型包括光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器。按如下步骤进行
(1)数据存储分析装置的力学模型分析模块分析风电机组的力学模型，确定结构安全监测传感器的类型、数量和布设位置；
(2)布设传感器，并将传感器与数据采集装置的数据发送模块连接；
(3)数据采集装置利用传感器对风电机组结构损伤进行实时监测，并将检测数据通过数据发送模块发送给数据存储分析装置；
(4)数据存储分析装置的数据接收模块接收数据采集装置发送的数据，并将其解包；
(5)数据存储分析装置的结构安全判断模块根据损伤识别算法判断损伤的位置与程度，评估结构的安全性，如果安全则执行步骤(4)继续接收数据，如果不安全，执行步骤 (6)；
(6)数据存储分析装置的维管等级裁定模块根据结构安全判断模块的数据裁定维管等级，如果确定不需要维管，则执行步骤(4)继续接收数据，如果确定需要维管，执行步骤 (7)；
(7)数据存储分析装置的维管执行模块发出维管通知并执行维管。对本发明的进一步限定方案为步骤(1)中分析风电机组的力学模型的方法包括整体结构与局部结构的有限元分析方法、整体结构的稳定性分析方法和材料老化的结构安全与稳定性分析方法。进一步的，步骤(3)中的结构损伤实时监测综合利用局部法和整体法，其中，局部法包括红外线成像、声发射、超声波无损检测、光纤传感检测；整体法包括基于结构振动损伤检测与识别、基于静力的损伤检测与识别和GPS监测。进一步的，步骤(3)中的结构损伤实时监测还利用直接检测方法，直接检测方法包括动力指纹法和损伤力学法，其中，动力指纹法主要分为两个步骤
(1)结构损伤位置识别利用测试得到的结构模态参数，计算结构各个测试位置处的动力指纹值，根据动力指纹发生突变的情况，识别出结构的损伤位置，包括单处损伤和多处损伤两种情况；
5(2)结构损伤程度识别包括结构单处损伤程度识别和结构多处损伤程度识别，结构单处损伤程度识别的方法为
首先，利用测试得到的结构模态参数，计算结构各个测试位置处的动力指纹值； 其次，通过有限元法，获取结构损伤位置处损伤程度与动力指纹之间的对应关系； 再次，把实测分析得到的损伤位置处动力指纹值代入上述关系中，得到结构损伤位置处的损伤程度；
结构多处损伤程度识别方法为
在结构单处损伤程度识别方法的基础上，采用迭代算法，可以实现结构多处损伤程度的识别；
损伤力学法为设置损伤变量或，其中，分别为当前应变值和初始应变值，K，KO分别为结构当前弯曲刚度和初始弯曲刚度；通过力学分析模型的数值分析和现场检测，确定上述定义的损伤量的变化规律，统计模式识别方法采用遗传算法、人工神经网络方法、小波变换分析法、Hilbert-Huang变换方法。进一步的，步骤(5)中，结构安全判断模块评估结构的安全性之后，预测结构的性能变化和剩余寿命，并将预测的数据存储。本发明的有益效果是本发明对受环境因素、载荷和自然灾害导致的风电工程结构损伤、损伤累积、损伤的位置与程度进行监测，并及时有效地评估风电结构的安全性，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，较全面地把握结构建造与服役全过程的受力与损伤演化规律，对提高工程结构的运营效率，防止风电结构坍塌、局部破坏和延长使用寿命，保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。
图1为本发明的风电机组结构健康监测系统结构图。图2为本发明的风电机组结构健康监测方法的流程图。图3为风塔基础的压力监测得到各测点的压力-时间曲线。
具体实施例方式本实施例提供一种风电机组结构健康监测系统，系统结构图如图1所示，所述系统包括数据存储分析装置和数据采集装置，数据存储分析装置和数据采集装置通过无线信号通信，其中，所述数据存储分析装置包括
力学模型分析模块，用于分析风电机组的力学模型，确定结构安全监测传感器的类型、 数量和布设位置。数据接收模块，用于接收数据采集装发送的数据，并进行解包处理。结构安全判断模块，用于根据损伤识别算法判断损伤的位置与程度，评估结构的安全性，预测结构的性能变化和剩余寿命。维管等级裁定模块，用于根据结构安全判断模块的数据裁定维管等级，确定是否需要维管。维管执行模块，用于发出维管通知并执行维管。所述数据采集装置包括传感器组和数据发送模块，所述传感器组和数据发送模块通过线缆连接，其中传感器组的类型、数量和布设位置根据数据存储分析装置的力学模型分析模块的分析数据确定。传感器类型包括光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器。传感器的监测位置包括风塔基础的压力监测、塔基塔筒内螺栓的应力监测、机舱与塔筒连接部位的应力监测和浆叶的应力或变形监测。风电机组结构健康监测系统的工作方法，按如下步骤进行
步骤一数据存储分析装置的力学模型分析模块分析风电机组的力学模型，确定结构安全监测传感器的类型、数量和布设位置。分析风电机组的力学模型的方法包括
整体结构与局部结构的有限元分析方法包括动荷载(风荷)分析，静荷载分析。其中， 动荷载(风荷)分析为分析动荷下结构响应的振型、关键局部的动应力，结构疲劳效应等；静荷载分析为分析极限静荷载下结构的应力变形特征及危险部位确定。整体结构的稳定性分析方法分析风力扰动下塔体的稳定性特征及不同条件下的稳定系数。材料老化的结构安全与稳定性分析方法依据塔体材料的老化本构关系，分析塔体结构力学性能随时间变化规律，结合疲劳分析预估塔体寿命。步骤二 布设传感器，并将传感器与数据采集装置的数据发送模块连接；其中，传感器的类型包括光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器。传感器的监测位置包括风塔基础的压力监测、塔基塔筒内螺栓的应力监测、机舱与塔筒连接部位的应力监测和浆叶的应力或变形监测，其中，风塔基础的压力监测得到各测点的压力-时间曲线，如图3所示，从而判断塔基沉降是否均勻；塔基、塔筒内螺栓的应力监测得到塔筒是否存在过大附加弯矩，从而判断塔筒是否有折弯的可能；机舱与塔筒连接部位的应力监测可得到恶劣气象环境或地震等自然灾害时连接部位的安全性；浆叶的应力或变形监测可得到浆叶运转时的受力状况。其中，判断塔筒弯矩的方法为采用随机振动理论分析风力发电塔体在脉动风作用下的响应，主要指标为塔身顶点水平位移和基底弯矩。当主要评价指标超过结构的极限承载能力的某一临界值时，结构将发生过折弯现象，从而带来严重的安全问题。所以，通过现场实时监测，可获得塔体的各节点处的水平位移和基底的弯矩，应用理论计算的结果，将监测值与理论值进行对比分析，可提高结构过弯折现象判断的准确性。步骤三数据采集装置利用传感器对风电机组结构损伤进行实时监测，并将检测数据通过数据发送模块发送给数据存储分析装置。结构损伤实时监测综合利用局部法和整体法，其中，局部法包括有目测法、回弹法、染色法、光谱法、渗漏试验法、射线法、超声波探测、脉冲回波法、热相仪成像法、透地雷达法以及磁泄漏、磁粒子法、磁扰动法、涡流法，红外线成像法、声发射法、超声波无损检测法、光纤传感检测法。局部法应用于检查一定部件的裂缝位置、焊接缺陷、腐蚀磨损、松弛或失稳等，实际检测中经常几种技术联合使用来评价结构状态。整体法包括基于结构振动损伤检测与识别、基于静力的损伤检测与识别和GPS监测，其中，基于结构振动损伤检测与识别通常不必事先知道损伤位置，布置传感器时也不用布置在损伤位置附近，用有限的传感器就可以提供足够信息来确定损伤位置和损伤严重程度，甚至于大型结构和复杂结构也不例外，振动测量不需要大型设备，除非进行强迫振动测试，从检测振动特性变化的损伤识别方法已经发展了很多不同的分析技术，目前主要有基于振动参数(频率、模态变化，模态曲率、柔度曲率等)的方法；有限元模型更新方法；统计模型方法；遗传算法和人工神经网络方法；小波变换以及小波变换神经网络方法等；基于静力的损伤检测与识别仅利用静力进行激励和响应测量。结构在静荷载作用下，量测一处或多处典型位移和应变响应；GPS监测系统是一套实时监测系统，主要由四组系统组成，通过固定光纤网络传输数据而进行运作。这个系统分别是(1)测量系统；(2)信息收集系统； (3)信息处理和分析系统；(4)系统运作和控制系统。其硬件包括GPS测量仪，(其中包括 GPS天线和GPS接收器)，接驳站，信息收集总控制站，光纤网络，计算机系统，及显示屏幕等。结构损伤实时监测还利用直接检测方法，直接检测方法包括动力指纹法和损伤力学法，其中，动力指纹法主要分为两个步骤
(1)结构损伤位置识别利用测试得到的结构模态参数，计算结构各个测试位置处的动力指纹值，根据动力指纹发生突变的情况，识别出结构的损伤位置，包括单处损伤和多处损伤两种情况；
(2)结构损伤程度识别包括结构单处损伤程度识别和结构多处损伤程度识别，结构单处损伤程度识别的方法为
首先，利用测试得到的结构模态参数，计算结构各个测试位置处的动力指纹值； 其次，通过有限元法，获取结构损伤位置处损伤程度与动力指纹之间的对应关系； 再次，把实测分析得到的损伤位置处动力指纹值代入上述关系中，得到结构损伤位置处的损伤程度；
结构多处损伤程度识别方法为
在结构单处损伤程度识别方法的基础上，采用迭代算法，可以实现结构多处损伤程度的识别。假设结构共有P处损伤，则结构多处损伤程度识别具体做法如下 (1)设初值为零，对损伤位置进行编号；
(2)对第k轮迭代，取第i处的损伤程度等于(k-Ι)次迭代的损伤程度，按单处损伤识别的方法识别位置1处的损伤程度并记录；
(3)取第1处的损伤程度等于k次迭代的损伤程度，保持第i处的损伤程度等于(k-1) 次迭代的损伤程度，按单处损伤识别方法识别位置2处的损伤程度并记录；
(4)类似地继续进行计算，直至求出第k轮全部迭代值；
(5)判断收敛条件是小于收敛精度，若满足则停止迭代，否则返回步骤2)，进行下一轮迭代，直至收敛条件满足为止。损伤力学法为设置损伤变量或，其中，分别为当前应变值和初始应变值，K，KO 分别为结构当前弯曲刚度和初始弯曲刚度；通过力学分析模型的数值分析和现场检测，确定上述定义的损伤量的变化规律，统计模式识别方法采用遗传算法、人工神经网络方法、小波变换分析法、Hilbert-Huang变换方法。步骤四数据存储分析装置的数据接收模块接收数据采集装置发送的数据，并将其解包。
步骤五数据存储分析装置的结构安全判断模块根据损伤识别算法判断损伤的位置与程度，评估结构的安全性，如果安全则执行步骤四继续接收数据，如果不安全，执行步骤六；同时，预测结构的性能变化和剩余寿命，并将预测的数据存储。混凝土结构、钢结构以及其他工程结构，在在规划、设计、施工以及使用过程中其结构性和使用寿命能会受到各种各样的因素的影响，有来自结构自身的因素(比如材料等) 和外在因素(如环境因素、规划、设计、施工过程中的人为和非人为因素等)，会使结构性能发生变化(如混凝土结构的老化等)，影响使用寿命。所以对于混凝土结构或钢结构的结构性能的改变以及使用寿命预测可以从多方面结合来进行
(1)通过施工前对结构材料的质量进行检测，若检测不合格，则结构可能因强度过低而不满足使用寿命期间的要求；
(2)对于正处于服役期的混凝土结构和钢结构定期进行结构变形以及裂缝等相关指标的观测与检测，来对其结构性能的变化进行评估预测；
(3)通过对结构使用过程中有关环境因素(如温度、适度、酸碱度等指标)的观测，结合相关环境因素对结构性能的影响关系，预测结构性能的变化以及使用寿命。步骤六数据存储分析装置的维管等级裁定模块根据结构安全判断模块的数据裁定维管等级，如果确定不需要维管，则执行步骤四继续接收数据，如果确定需要维管，执行步骤七。步骤七数据存储分析装置的维管执行模块发出维管通知并执行维管。 除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.一种风电机组结构健康监测系统，其特征在于，所述系统包括数据存储分析装置和数据采集装置，数据存储分析装置和数据采集装置通过无线信号通信，其中，所述数据存储分析装置包括力学模型分析模块，用于分析风电机组的力学模型，确定结构安全监测传感器的类型、 数量和布设位置；数据接收模块，用于接收数据采集装发送的数据，并进行解包处理；结构安全判断模块，用于根据分析数据采集装置的数据判断损伤的位置与程度，评估结构的安全性，预测结构的性能变化和剩余寿命；维管等级裁定模块，用于根据结构安全判断模块的数据裁定维管等级，确定是否需要维管；维管执行模块，用于发出维管通知并执行维管；所述数据采集装置包括传感器组和数据发送模块，所述传感器组和数据发送模块通过线缆连接，其中传感器组的类型、数量和布设位置根据数据存储分析装置的力学模型分析模块的分析数据确定。
2.根据权利要求1所述的风电机组结构健康监测系统，其特征在于，所述数据采集装置的传感器组中传感器的监测位置包括风塔基础的压力监测、塔基塔筒内螺栓的应力监测、机舱与塔筒连接部位的应力监测和浆叶的应力或变形监测。
3.根据权利要求1所述的风电机组结构健康监测系统，其特征在于所述数据采集装置的传感器组中传感器类型包括光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器、温度传感器、加速度传感器、位移传感器、压力传感器。
4.一种风电机组结构健康监测方法，其特征在于，按如下步骤进行(1)数据存储分析装置的力学模型分析模块分析风电机组的力学模型，确定结构安全监测传感器的类型、数量和布设位置；(2)布设传感器，并将传感器与数据采集装置的数据发送模块连接；(3)数据采集装置利用传感器对风电机组结构损伤进行实时监测，并将检测数据通过数据发送模块发送给数据存储分析装置；(4)数据存储分析装置的数据接收模块接收数据采集装置发送的数据，并将其解包；(5)数据存储分析装置的结构安全判断模块根据损伤识别算法判断损伤的位置与程度，评估结构的安全性，如果安全则执行步骤(4)继续接收数据，如果不安全，执行步骤 (6)；(6)数据存储分析装置的维管等级裁定模块根据结构安全判断模块的数据裁定维管等级，如果确定不需要维管，则执行步骤(4)继续接收数据，如果确定需要维管，执行步骤 (7)；(7)数据存储分析装置的维管执行模块发出维管通知并执行维管。
5.根据权利要求4所述的风电机结构健康监测方法，其特征在于，步骤(1)中分析风电机组的力学模型的方法包括整体结构与局部结构的有限元分析方法、整体结构的稳定性分析方法和材料老化的结构安全与稳定性分析方法。
6.根据权利要求4所述的风电机结构健康监测方法，其特征在于，步骤(3)中的结构损伤实时监测综合利用局部法和整体法，其中，局部法包括红外线成像、声发射、超声波无损检测、光纤传感检测；整体法包括基于结构振动损伤检测与识别、基于静力的损伤检测与识别和GPS监测。
7.根据权利要求4所述的风电机结构健康监测方法，其特征在于，步骤(3)中的结构损伤实时监测还利用直接检测方法，直接检测方法包括动力指纹法和损伤力学法，其中，动力指纹法主要分为两个步骤(1)结构损伤位置识别利用测试得到的结构模态参数，计算结构各个测试位置处的动力指纹值，根据动力指纹发生突变的情况，识别出结构的损伤位置，包括单处损伤和多处损伤两种情况；(2)结构损伤程度识别包括结构单处损伤程度识别和结构多处损伤程度识别，结构单处损伤程度识别的方法为首先，利用测试得到的结构模态参数，计算结构各个测试位置处的动力指纹值；其次，通过有限元法，获取结构损伤位置处损伤程度与动力指纹之间的对应关系；再次，把实测分析得到的损伤位置处动力指纹值代入上述关系中，得到结构损伤位置处的损伤程度；结构多处损伤程度识别方法为在结构单处损伤程度识别方法的基础上，采用迭代算法，可以实现结构多处损伤程度的识别；损伤力学法为设置损伤变量或，其中，分别为当前应变值和初始应变值，K，KO分别为结构当前弯曲刚度和初始弯曲刚度；通过力学分析模型的数值分析和现场检测，确定上述定义的损伤量的变化规律，统计模式识别方法采用遗传算法、人工神经网络方法、小波变换分析法、Hilbert-Huang变换方法。
8.根据权利要求4所述的风电机结构健康监测方法，其特征在于，步骤(5)中，结构安全判断模块评估结构的安全性之后，预测结构的性能变化和剩余寿命，并将预测的数据存储。
全文摘要
本发明公开了一种风电机组结构健康监测系统，所述系统包括数据存储分析装置和数据采集装置，数据存储分析装置和数据采集装置通过无线信号通信，其中，所述数据存储分析装置包括力学模型分析模块，数据接收模块，结构安全判断模块，维管等级裁定模块，维管执行模块；所述数据采集装置包括传感器组和数据发送模块，所述传感器组和数据发送模块通过线缆连接。该系统通过一定的检测手段与方法来判断结构是否存在损伤，并对损伤定位和评估来避免破坏，以实现对风力发电基础设施的损伤检测和识别的结构健康监测。同时，本发明的另一目的在于提供一种风电机组结构健康监测方法。
文档编号F03D11/00GK102330645SQ201110278230
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者吴建华, 庄亚明, 戴会超, 薛友宏 申请人:吴建华