基于高精度北斗定位的风电基础沉降

强同波+胡从川+王谦+杨璐羽

摘 要： 设计一种基于北斗卫星导航系统高精度静态定位方法的风电基础沉降监测与无人值守自动预警方案。该方案在风电机组管控中心外的地质稳固点设定连续观测基准站，在风电机组塔筒上设置监测站，利用高精度北斗卫星导航接收机进行连续观测，并通过光纤通信将基准站和监测站的北斗卫星信号原始观测值（包括伪距、多普勒频率、载波相位、星历等）数据传到数据处理中心，利用软件后处理方式得到毫米级的高精度风电机组沉降形变数据，以实现风电机组沉降的自动监测与预警。

关键词： 风电机组； 塔筒； 北斗卫星系统； 沉降； 预警； 监测

中图分类号： TN967.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）23?0182?05

Abstract： A new wind power generator foundation settlement monitoring and unattended automatic warning scheme based on high?precision static positioning method of Beidou satellite （BDS） system was designed. With the scheme， the base station of continuous observation is located at the position with stable geology outside the wind power generator control center， and the monitoring station is located up on the tower of the wind power generator. The continuous observation is performed with the high?precision Beidou satellite navigation receiver. The original observation data （pseudo?range， Doppler frequency， carrier phase and ephemeris） of the Beidou satellite signal observed by base station and monitoring station is transmitted to the data processing center by means of fiber communication. The software postprocessing method is used to obtain the millimetre?sized deformation data of the high?precision wind power generator settlement to realize the automatic monitoring and warning of the wind power generator settlement.

Keywords： wind power generator； tower； Beidou satellite system； settlement； warning； monitoring

0 引 言

随着全球经济工业活动的日益增长，能源消耗正以惊人的速度增长，煤炭、石油等不可再生能源的存量总有一天会用尽。为解决目前人类面临的能源难题，高效有序地开发新能源和可再生能源具有重要的社会意义和经济价值。风能是一种绿色环保的可再生能源，我国的风能资源储备丰富，在陆地和海上均有大量可供开发的风能储备区域。近年来，我国风力发电行业迅猛发展，风电装机量逐年攀升，因此，对风电机组建设及运营过程中的稳定性和安全性监测管理工作都提出了更高的要求。

风电机组由于受到高空风力作用，其机舱、桨叶等部件在风荷载作用下会向塔体和塔筒传递推力及扭力矩作用[1]，再加上由于自身重量、海潮等多种作用力的影响，风电杆塔及基础存在倾斜沉降的可能。当杆塔出现严重形变时，很容易导致风电机组设备发生倒塌等故障，造成巨大的人员和经济损失。因此，必须实时对风电塔杆及其基础进行沉降监测，建立一套科学、先进、有效的风电基础沉降监测方法与安全预警系统成为亟待解决的问题。

北斗卫星导航系统（BDS）是我国独立研发的全球卫星导航系统，具有集导航定位、授时、用户监测及短报文通信于一体的特点，已广泛应用于我国的国防建设、森林防火、抗震救灾、海洋渔业、形变预警监测等领域并发挥了重要的作用[2]。相较于传统的利用传感器等手段实现的形变监测方法[3?4]，基于北斗卫星导航系统的形变监测方法具有全天候全时段连续工作，精度高，监测误差不随时间累积，无需系统校正等优点[5]，可实现长时间无人值守功能，特别适用于对地质形变沉降等现象进行持续监测预警[6?8]。

本文针对风电基础沉降的特点，利用基于北斗卫星导航的高精度静态定位方法，设计了一种采用软件后处理方法的风电基础沉降监测系统，并提出了一种无人值守的基础沉降自动预警方法。

1 北斗风电基础沉降监测原理

北斗卫星导航系统是一种无源定位系统，接收机对北斗卫星广播的导航信号进行持续性观测，测量信号由卫星到接收机的傳播时间，从而计算卫星与接收机之间的绝对距离，并利用三角定位原理计算接收机的精确位置[9]。

式中：[diρ]表示接收机与第[i]颗卫星的距离测量值，下标[ρ]表示非真实距离；[di]为真实距离；[Ii]为信号传播途中由电离层作用造成的非线性传播误差；[Ti]为对流层误差；c为光速；[δtr]表示由接收机时钟漂移、抖动等造成的时间测量误差；[δtis]表示由第[i]颗卫星的时钟漂移、抖动等造成的时间测量误差；[εi]表示由于接收机天线端热造成引入的测量误差。endprint

对于北斗单点定位技术，其定位精度由于受到式（1）中各种误差源的影响，其定位精度[9]仅能达到5～10 m，无法满足高精度沉降监测的要求。因此，本文提出的风电基础沉降系统采用多频差分观测方法获得风电基础沉降测量数据。

如图1所示，北斗差分定位系统由一个精确位置已知的基准站和数个待定位的监测站组成。对于基准站，由于其位置已知，因此基准站接收机到卫星之间的几何距离可利用卫星星历精确计算获得。对比基准站接收机的实时测量结果和距离精确值，可获得基准站对该颗卫星的距离测量误差，即：

2 静态多频双差后处理方法

由于风电场中风机分布相隔距离较大，基准站与部分监测站的距离较大，其电离层误差的改正精度并不能完全满足形变监测的要求。经实测表明，若采用电离层改正模型，风电场中各监测站的双差距离观测残差峰值可达到20 cm，且最长持续10 min，这种监测数据已无法用于沉降自动预警。为解决上述问题，本系统采用无电离层延迟影响组合的多频双差算法[10]。

设在[t]时刻，接收机[i]对第[j]颗卫星的多频载波相位观测值为[?ifk，it]，其中下标[fk]表示第[k]个频点，对应的信号波长记为[λk]。对于电离层延迟，根据无线电信号传播规律，对于同一个卫星导航系统，其不同频点的导航信号电离层延迟误差存在如下关系：

不再具备整数特性，因此无法直接求得固定解，需要通过先分别求出各频点模糊度以消除IF观测值的模糊度，或使用三差观测方差以消除模糊度。

在本系统中，针对不同的风电机组，根据其与基准站的距离关系，采用不同的组合观测方法。对于与基准站距离较近的风电机组，其电离层改正模型的误差并不严重，因此不需要IF组合观测，仍然使用宽巷组合观测方法。

由于风电机组处于静止状态，其三维坐标在相当长的时间内仅会出现极小的变化，因此采用长时间静态观测方法进一步降低对监测站的三维定位误差，達到形变监测所需的精度。本系统中采用Kalman滤波方法实现静态观测，选取状态向量：

经Kalman滤波器进行数据处理后，对监测站北斗数据的长时间静态观测可获得平面精度优于3 mm，高程精度优于5 mm的形变监测数据。

3 风电基础沉降预警方法

针对风电基础沉降的自动预警系统主要设计思想为：利用测量获得的精确基础倾斜沉降形变数据，并结合当前由其他传感器群组获取的风速和风向数据，建立一套完整的倾斜角度、沉降量与风速、风向之间的映射关系，并利用长期观测及数据统计的方法，绘制风机塔筒的倾斜沉降曲线，提取曲线参数。

正常工作状态下，由于风速、风向对风机塔筒的作用力符合固定的力学规律，因此特定风机的倾斜沉降曲线参数的估计值应随时间保持收敛状态。当倾斜沉降曲线参数出现明显变化，或风机塔筒的形变数字超出正常范围，则可认为相应的风机将有很大的概率出现故障，需要作出预警，提醒管理人员及时进行现场勘查，排除险情。

整个风电基础沉降预警方法的算法流程框图如图2所示。

由于地基沉降变化基本符合随时间的对数函数关系，因此沉降关系曲线可使用时间来近似表示。在算法中，需要利用已测量的数据采用自学习的方法分别建立倾斜角度、沉降量与风速大小、风向和塔筒倾斜角，以及时间的关系模型，并提取出模型参数，从而得到未来沉降发展趋势的预测结果。进一步检测在规定的时间内，塔筒的倾斜角度或沉降量会不会超过安全范围，以判断是否发出告警信号。

4 系统总体设计

风电基础沉降系统的总体设计框图如图3所示，包括监测点、基准站、控制中心、数据传输网络和监测客户端等部分。

系统中，监测点和基准站建设在风电场监测区域。其中，基准站建设在风电机组管控中心外地质稳固的地点，在设立后利用测绘方法获得基准站天线的精确位置，其位置测量精度优于1 mm；监测点安装在风电机组塔筒上。系统运行时，基准站和监测站上的高精度北斗卫星导航接收机实时采集当前可见北斗卫星信号的原始测量值，包括伪距、载波相位、多普勒频率和卫星星历，并通过数据传输网络将上述原始数据传输至远程控制中心。控制中心利用数据后处理系统对卫星信号原始测量值进行处理，以实现差分定位，获得各监测站的位置（三维坐标）精确测量结果。同时，控制中心的监测预警软件利用解算处的监测站精确坐标对监测站的微小位移进行长时间统计分析，并显示出相对应的图形及报表。当监测站的坐标偏移量出现明显变化或严重超出预警阈值时，将对不同管理人员进行预警提醒，以便及时对现场状况进行进一步勘查，执行故障防范应对措施。系统支持多种终端接入，以实现远程多级预警功能。

风电基础沉降监测站的具体硬件设计方案如图4所示。

监测站硬件包含以下部分：北斗卫星接收机、数据通信机及其他辅助部分。卫星定位接收机使用高精度北斗接收机，可同时处理三系统八频点卫星信号的原始数据观测和采集；数据传输系统用于将接收机采集的原始数据实时传输至远程控制中心，使用光纤通信网络方式实现；其他辅助部分主要包括辅助安防系统，用于辅助整个北斗风电基础沉降自动监测系统的正常运行，包括供电、防雷、综合布线及外场机柜等子系统。

预警软件的架构如图5所示，包括数据处理单元、数据传输与存储单元和数据分析单元。此三个部分是整个风电沉降安全预警系统的核心组成部分，它们既可独立工作，又可根据需要相互紧密配合以完成整个系统功能，所有操作均可人工提前设定后由软件自动完成，具备无人值守的长期工作能力。

5 结 论

本文针对风电基础沉降监测方法与安全预警技术，提出一种基于高精度北斗卫星定位方法的具体实施方案，实现了监控系统精度平面误差小于3 mm，高程误差小于5 mm的指标。风电场内安全预警软件完全自动运行，数据传输、数据处理及网平差、预警分析、报警及报表生成等工作均可无人值守自动运行，具有显著的经济价值和社会意义。

参考文献

[1] 任宇，朱斌，陈仁朋，等.大型风电机组群桩基础受荷特性及长期累积沉降控制[J].土木工程学报，2010，43（3）：75?80.

[2] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报，2010，39（1）：1?6.

[3] 任月龙，李如仁，张信.基于多传感器网的露天矿边坡形变监测[J].煤炭学报，2014，39（5）：868?873.

[4] 吕中云，庹先国，李怀良，等.一种新型滑坡体无线远程监测系统设计[J].金属矿山，2016（10）：128?131.

[5] 袁兵，熊寻安，龚春龙，等.顾及多路径误差改正的GNSS大坝形变监测研究[J].导航定位与授时，2016，3（1）：53?59.

[6] 谢秋生.GPS在矿山边坡变形监测中应用的探讨[J].矿业工程，2010（3）：1?6.

[7] 朱永辉.基于北斗卫星的地质灾害实时监测系统研究与应用[D].北京：清华大学，2010.

[8] 李和平，梁凌洁.BD2/GPS双系统滑坡监测预警系统设计与实现[J].电子制作，2014（12）：62?63.

[9] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

[10] 李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2010：110?116.endprint