海上风电单桩基础桩监测装置

张庆丰

摘要：在海上风电场运行的过程中，基础结构的安全性直接影响着风机运行的安全稳定。而为了保障基础结构的安全，则需要对其受力状态、振动、腐蚀等进行严密的监测。考虑到现阶段海上风电基础结构型式多为单桩，因此本文对海上风电单桩基础桩的监测进行研究，提出一种基于物联网技术和云平台技术的监测系统，对其硬件设计部分进行详细阐述。

关键词：海上风电场；单桩基础；监测

近几年来，随着能源危机的不断加剧，风能、太阳能等新型可再生能源逐渐受到重视，风电产业因此获得了迅猛的发展，我国风电装机容量呈现出逐渐递增的趋势。由于海上风电项目相较于陆上风电项目具有显著优势，风电产业重心逐渐向海上风电项目倾斜。但近海区域的环境条件更加复杂，风电基础结构受到的威胁也更高，因此探究风电单桩基础桩监测装置具有重要意义。

1研究背景

不同于一般的建筑结构基础，海上风电基础在运行过程中需要承受风、海浪以及水流等方面产生的荷载作用，有時甚至会受到船舶的撞击。因此如何保障海上风电基础结构安全一直是从业人员关注的重点问题。现阶段最普遍的方法就是对海上风电基础结构进行监测，通过对监测结果的分析掌握基础结构的实时状态。考虑到海上风电场和海岸线之间的距离较长，因此采用一般的监测手段很难起到理想效果，例如在台风、大潮汛期，根本不可能派遣人员出海开展监测活动。在这样的情况下，必须借助远程通信、传感器等现代化先进技术，制定远程自动化监测方案。基于此，本文提出了一种基于物联网技术的海上风机基础远程自动化监测系统，该系统能够对海上风机基础结构的受力情况、振动情况、腐蚀保护状态等进行实时监测，监测效率、监测数据精确性和完整性相较于过去都出现了大幅度的提升。

2海上风电基础结构远程自动化安全监测系统及其以装置

2.1系统总体框架搭建

海上风电基础结构远程自动化安全监测系统的核心技术为物联网技术和云平台技术，其主要是通过在风机上安装自动检测装置（现场测控单元）的方式，对风机基础结构中的传感器数据进行获取，之后以远程通信的方式将数据传输到中央控制室进行分析处理，根据分析处理结果判断是否相应超限报警。此外，该系统还能够通过发布平台将监测结果上传到互联网上，各级授权用户在联网状态下可以对海上风电基础安全监测系统平台进行访问，不仅可以掌握现场测控单元的监控参数，同时还可以发布远程测控指令。如下图所示，为海上风电基础结构安全监测系统框架结构。

除此之外，系统还具备安全预警管理和系信息提醒功能，可以自动对数据以上报警进行分级响应，依据等级，向监测人员、管理人员等发送报警信息。

2.2系统硬件设计

海上风机上安装的自动检测装置主要由振动监测单元、结构安全监测单元、腐蚀电位监测单元、供电系统等部分构成，它们是自动化监测系统的主体，能够对电压、电阻、结构应力、腐蚀电位等相关物理量和数据进行采集，直接影响着系统的功能。

其一，振动监测单元。海上风机安全监测系统的振动监测单元主要包括高速采集卡、嵌入式控制器两个部分，其主要功能是对风机基础上的振动加速度进行监测，可以有效的适应两分量和三分量的加速度传感器，采样定时精度高，在配合嵌入式系统软件开发的情况能够根据实际需求采集相应的参数。数据采集软件运行于检测装置的嵌入式控制器内，根据硬件采集参数、数据存储显示参数以及傅里叶变换参数，以硬件中断的方式从高速采集卡的缓存中获取数据，之后以曲线的形式展现出来，同时综合传感器的标定参数和系统采集的传感器初始值，对原始数据进行处理，经一系列计算之后就可以获得具体的加速度值。系统一共有两种数据存储模式，分别是定时定长的数据存储和超限存储，前者是通过采集周期、采集时长以及采样率等参数的设置，截取每周期内的一小段时间的数据进行存储。后者则是在检测到加速度数值超过预设阀值的情况下，系统自动对当前时间点以及加速度数据进行存储。例如，在台风期间，风电基础会出现异常振动，此时系统就会对这种情况进行记录。

其二，结构安全监测单元。该单元主要包括数据采集控制器、数据采集模块两个部分，它是一种比较常见的安全监测仪器，其工作原理是通过单元内的数据采集模块对现场埋设的各类传感器信号进行监测和采集，之后通过RS485总线将数据上传，最后通过串口转换器转换为网络信号，依托光纤和疾控中心数据服务器进行数据交互。

其三，腐蚀电位监测单元。为了避免海水等具有腐蚀性的要素对金属构件产生腐蚀，通常会采用牺牲阳极的阴极保护技术，将具有高还原性的金属作为保护极，和被保护金属连接形成一个原电池，这样以来负极金属会被氧化消耗，而正极保护金属则能够避免腐蚀。上述方法被广泛应用于海洋、港湾等工程中。在海上风电工程项目中，基础结构水下部分通常会综合采用多种防腐措施，如牺牲阳极阴极保护法+防腐涂层。通常情况下，合理的阴极保护范围为-0.78～-1.05V，超过或是低于该范围，就会出现“过保护”或是“欠保护”的情况，都会带来不利影响。因此有必要对腐蚀电位进行监测。风电基础结构的腐蚀电位监测单元由参比电极、信号转换器、数据采集控制器、数据采集模块等部分构成。

其四，供电系统。海上风电基础结构安全监测系统可采用的供电方式有直流和交流两种，具体可以结合现场实际情况进行灵活选择。一般情况下，在具备交流供电的情况下，应该优先选择该供电方式。

3结语

综上所述，基于物联网技术和云平台技术构建海上风机基础结构远程自动化监测系统能够对风机基础结构运行中的振动状态、腐蚀电位、结构安全等进行监测，实现对单桩基础结构状况的全面掌握，为意外状况的应对以及决策提供支持。

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（作者单位：华电曹妃甸重工装备有限公司）