基于马氏距离的风力发电塔筒在线监测研究

引言

据统计，我国风能资源储量为32.26亿千瓦，适合开发风能资源约10.3亿千瓦。风力发电是我国重要的新能源发电之一，目前我国累计装机容量超过210GW，位居世界第一[1-2]。风力发电机组多安装在如内陆高山、戈壁、沿海等风能资源丰富地方，然而对风力发电机组而言这些地方服役环境比较恶劣，风力发电机组时有发生如倒塔、飞车、着火等重大安全事故，导致重大经济损失。

塔筒作为风电机组的支撑结构，对保障风电机组的安全可靠运行起着关键作用。目前所有塔筒供应商都没有配备塔筒在线监测和诊断设备，实际运行时主要靠巡检人员定期巡检。由于制造、安装不合格，设备巡检、运行维护检查不到位等诸多因素，塔筒故障导致倒塔事故频频发生，造成了巨大的经济损失。塔筒的故障类型较多，根据多年的行业经验总结，其中最为常见的故障类型包括塔筒地基不均匀沉降或松动、塔身异常弯曲及倾斜、法兰螺栓疲劳失效等。

目前已报道的塔筒在线监测方法有：通过在机舱安装GPS 接受机测量塔顶位移量，对塔筒倾斜进行监测[2]，该方法成本较高，而且GPS的精度不够，难以监测毫米级别的晃动；在机舱安装加速度传感器测量塔筒振动信号，监测塔筒晃动与倾斜[3]，这种测量方法对初始位置难以准确标定；在机舱和塔基安装倾角传感器，测量地基沉降和倾斜[4-5]，该方法应用最广，对塔筒倾斜度和地基沉降监测较多。但传统方法对倾角数据挖掘不够深入，也无法对塔筒疲劳健康进行评估。

本研究基于双轴倾角传感技术，在风电塔筒顶部与塔基进行同时测量。利用两组倾角数据构建迭代马氏距离，并以马氏距离中心为参考，通过计算塔基马氏距离中心与原点距离，以此距离为参考指标实现对塔筒的地基沉降监测；通过计算塔顶马氏距离中心与塔基马氏距离中心的距离，并以此参作为连筒倾斜度与弯曲的参考指标；通过塔顶的倾角数据统计计算塔筒的累积冲击量，根据塔筒的服役年份和历史累积冲击量评估塔筒健康程度，对剩余寿命进行预估。本研究所提出的方法，可在没有先验信息和领域知识的情况下实现对风电塔筒进行全方位的健康监测。

1 材料与方法

传感器。采用深圳瑞芬HCA526T-10双轴向高精度双轴倾角仪，主要参数：工作电压DC（12～36V），支持宽压输入，额定电压24V；1路以太网电口。10M/100M 自适应，通过光纤收发器可扩展为太网光口；1路RS485通信接口。通信速率9600bps，最大传输距离2km；量程范围±10°，双轴（X轴＋Y轴）；测量分辨率0.001；绝对精度0.005°；传输接口 RS485/RS232/TTL/CAN（可定制）；工作温度-40℃～85℃；防护等级IP67。本研究使用两个高精度双轴 倾角传感器，在塔筒地基平面与塔筒顶部平面分别布置一个倾角传感器，其中塔筒地基平面传感器命名为倾角1，塔顶平面传感器命名为2(图1)。

2 研究结果

倾角实时测量。利用塔筒动态测量装置，通过风电机组数据采集平台对倾角传感器信号进行采样和预处理，采样频率为5Hz，得到塔筒顶部倾角信号、底部倾角信号（图2）。

图1 风力发电塔筒倾角传感

图2 塔底/塔顶倾角实时数据

构建迭代马氏距离。马氏距离是由印度统计学家马哈拉诺比斯（P.C.Mahalanobis）提出的，表示数据的协方差距离，是一种有效计算两个未知样本集相似度的方法。本研究利用倾角数据构建残余奇异值分解模型，并将监测信号分别输入到该模型中，计算每个残余信号的基尼指数，计算信号内每个样本的马氏距离；去除信号中特定的样本，利用剩余的样本更新均值和协方差不断迭代，直到剩余样本的马氏距离收敛（图3）。

图3 马氏距离构建

图4 塔筒地基沉降监测指标原理

塔筒地基沉降监测。基于塔筒底部倾角数据构建的马氏距离，实时计算马氏距离拟合椭圆的中心位置，并计算该中心与零点中心的距离△L（如图4模拟数据），即以△L 作为监测指标实时监测塔筒地基的沉降状况（图5）。

图5 塔筒地基沉降实时监测

图6 塔塔倾斜监测指标原理

塔筒倾斜监测。基于塔筒底部倾角数据构建的马氏距离和塔顶倾角数据构建的马氏距离，实时计算两个马氏距离拟合椭圆的中心位置，并计算两个中心之间的距离△D（图6），即以△D 作为监测指标 实时监测倾斜状况（图7）。

图7 塔筒倾斜实时监测

图8 塔筒累积冲击量示意图

图9 塔筒剩余寿命预测

塔筒疲劳及寿命预测。塔筒的疲劳与寿命预测是行业内的巨大挑战，目前都处于摸索阶段，没有统一认可的标准。本研究认为塔筒的疲劳与剩余寿命受已服役时间和塔筒承受的累积外部冲击量影响较大。基于此，重点监测和计算塔筒承受的外部冲击量。塔筒承受冲击时主要表现为晃动、倾斜等。基于塔顶倾角数据和倾斜指标，对塔筒的晃动和倾斜进行定量（加权计算）并沿时间轴进行累积（图8）作为塔筒疲劳的定量指标。采集有代表性的一段时长的数据后，根据统计分布原理估算出塔筒设计生命周期内承受的冲击总量，再根据塔筒已服役时间和已承受的累积冲击量，估算塔筒的疲劳度与剩余寿命百分比（图9）。