一种海上风机叶片故障非接触式监测系统及监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种海上风机叶片故障非接触式监测系统及监测方法，所述的系统包括布置在海上风机基础、塔基或单独平台上的气象信息采集系统，布置在海上风机附近海域的水文信息采集系统，布置在海上风机基础或塔架上的气动声学采集系统，气象信息采集系统、水文信息采集系统和气动声学采集系统所采集的数据实时传输至采集节点，再由采集节点通过无线终端传输至岸上数据中心，数据中心，监测系统和监控设备之间通过工业以太网连接通信。本发明专利技术所公开的监测系统，不需要破坏风机叶片的原有结构，同时也方便检测设备的维护。既能满足传统监控室监测要求，同时还有远程电脑和手持设备可以方便现场维护。

A Non-contact Monitoring System and Method for Fault of Offshore Fan Blades

The invention discloses a non-contact monitoring system and a monitoring method for the fault of offshore fan blades. The system includes a meteorological information acquisition system arranged on the offshore fan foundation, tower foundation or a separate platform, a hydrological information acquisition system arranged near the offshore fan, an aeroacoustic acquisition system arranged on the offshore fan foundation or tower, and a meteorological information acquisition system. The data collected by the system, hydrological information acquisition system and pneumatic acoustic acquisition system are transmitted to the acquisition node in real time, and then transmitted by the acquisition node to the shore data center through the wireless terminal. The data center, the monitoring system and the monitoring equipment are connected and communicated through the industrial ethernet. The monitoring system disclosed by the invention does not need to destroy the original structure of the fan blade, and at the same time facilitates the maintenance of the testing equipment. It not only meets the monitoring requirements of traditional monitoring room, but also has remote computers and handheld devices to facilitate on-site maintenance.

【技术实现步骤摘要】
一种海上风机叶片故障非接触式监测系统及监测方法
本专利技术属于仪器仪表领域，特别涉及该领域中的一种基于气动声学信号特征的海上风机叶片故障非接触式监测系统及监测方法。
技术介绍
传统能源不能够满足资源和环境的可持续发展要求，风能资源的最终来源为太阳能，取之不尽，用之不竭，越来越受到人们的重视和关注，风力发电技术的进步和成熟使得海上风电成为风力发电技术发展的重要方向。然而，由于海上风电场一般修建于潮间带或近海海域，建设成本高，复杂的海洋环境加大了海上风机的运行和维护难度。风机叶片作为风能获取的装置，其可靠性直接影响海上风电机组的发电质量和效率，另外，海上风机叶片较陆上风机叶片尺寸更大、造价更高，相应地，出现严重故障后破坏性更大、经济损失也更高。然而，目前国内外关于风机叶片故障检测诊断方法仍然停留在比较低级的阶段。因此，发展一种在风机叶片发生故障的初期及时检测出故障并准确地识别故障类型，为故障的排除提供支持和依据的实时在线监测系统及监测方法具有重要的价值。现有风机叶片故障在线检测方式所用到的传感器需要预先安装于风机叶片当中，一方面，这会对风机叶片的结构产生不利影响，降低叶片的强度，增加叶片的制造难度；另一方面，预制式传感器一旦出现故障，维修成本很高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题就是提供一种基于气动声学信号特征的海上风机叶片故障非接触式监测系统及监测方法。本专利技术采用如下技术方案：一种海上风机叶片故障非接触式监测系统，其改进之处在于：所述的系统包括布置在海上风机基础、塔基或单独平台上的气象信息采集系统，布置在海上风机附近海域的水文信息采集系统，布置在海上风机基础或塔架上的气动声学采集系统，气象信息采集系统、水文信息采集系统和气动声学采集系统所采集的数据实时传输至采集节点，再由采集节点通过无线终端传输至岸上数据中心，数据中心，监测系统和监控设备之间通过工业以太网连接通信。进一步的，海上风机的数量为两台以上，每台海上风机都配有气象信息采集系统、水文信息采集系统、气动声学采集系统、采集节点和无线终端。进一步的，所述的气象信息采集系统包括温度传感器、湿度传感器、风传感器、雨量传感器和闪电传感器。进一步的，所述的水文信息采集系统包括波浪传感器、海流传感器和潮汐传感器。进一步的，所述的气动声学采集系统包括声学传感器和声学信号处理单元，声学传感器的测量范围为20Hz—20kHz，声学信号处理单元数模转换器的采样频率不低于200kHz，采集位数不低于16位，采集通道不少于4通道。进一步的，无线终端利用微波通信的方式将数据传输至岸上数据中心。进一步的，所述的监控设备包括中央监控室计算机监测平台、远程电脑和手持设备。一种海上风机叶片故障非接触式监测方法，使用上述的监测系统，其改进之处在于，包括如下步骤：（1）通过气象信息采集系统采集气象信息，矫正风噪、极端风暴、雷声、雨声的噪声干扰；通过水文信息采集系统采集水文信息，矫正海上浪、流、潮的噪声干扰；通过气动声学采集系统采集风机叶片的气动声学信息；由采集节点控制采集过程并将采集数据通过无线终端传输至岸上数据中心；（2）将气象信息、水文信息以及风机叶片的气动声学信息进行决策级信息融合，纠正环境噪声对气动声学信息采集的干扰，通过计算气动声学信息基于变分模态分解的多尺度样本熵，即在不同尺度上提取时间序列的样本熵，以此构建风机叶片的状态特征向量集，通过时频分析工具分析提取构建气动声学信息的时频特征，将以测试样本建立的多尺度样本熵特征向量集输入到神经网络中进行学习和训练，不断更新网络权重和结构，最终收敛得到风机叶片故障识别和分类的神经网络模型；（3）将该神经网络模型下载至监测系统中，监测系统计算新采集得到气动声学信息的时频特征，输入到该神经网络模型中进行识别和分类，同时该神经网络模型能够根据新特征及时更新权重和神经网络结构，增强神经网络的泛化能力；（4）由监测系统实时提供各台海上风机叶片的状态和故障信息，在发生故障时向监控设备发出报警信息，同时在监控设备上可以实时查看各台海上风机叶片的状态，并且在故障发生时做出处理。进一步的，气动声学采集系统根据信号的时频特性利用自适应滤波方法去除海洋环境背景噪声干扰，得到纯净的风机叶片气动声学信息。本专利技术的有益效果是：本专利技术所公开的监测系统，不需要破坏风机叶片的原有结构，同时也方便检测设备的维护。既能满足传统监控室监测要求，同时还有远程电脑和手持设备可以方便现场维护。本专利技术所公开的监测方法，通过多传感器信息融合技术，全面、准确的描述风机气动噪声信号和环境背景噪声，纠正环境噪声对气动声学信息采集的干扰。通过自适应信号处理方法建立海上风机叶片气动声学特征向量集，然后通过机器学习方法实现对海上风机叶片状态监测和故障识别。附图说明图1是本专利技术实施例1所公开监测系统的组成示意图；图2是本专利技术实施例1所公开监测方法的流程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种海上风机叶片故障非接触式监测系统，所述的系统包括布置在海上风机基础、塔基或单独平台上的气象信息采集系统，布置在海上风机附近海域的水文信息采集系统，布置在海上风机基础或塔架上的气动声学采集系统，气象信息采集系统、水文信息采集系统和气动声学采集系统所采集的数据实时传输至采集节点，再由采集节点通过无线终端传输至岸上数据中心，数据中心，监测系统和监控设备之间通过工业以太网连接通信。在本实施例中，海上风机的数量为两台以上，每台海上风机都配有气象信息采集系统、水文信息采集系统、气动声学采集系统、采集节点和无线终端，以便岸上数据中心可以获得每一台海上风机的数据，从而使监测系统能够通过数据中心随时读取海上风电场每台海上风机的各项信息。所述的气象信息采集系统包括温度传感器、湿度传感器、风传感器、雨量传感器和闪电传感器。所述的水文信息采集系统包括波浪传感器、海流传感器和潮汐传感器。所述的气动声学采集系统包括声学传感器和声学信号处理单元，声学传感器的测量范围为20Hz—20kHz，声学信号处理单元数模转换器的采样频率不低于200kHz，采集位数不低于16位，为保证采集声学信号的准确性，采集通道不少于4通道。无线终端利用微波通信的方式将数据传输至岸上数据中心。所述的监控设备包括中央监控室计算机监测平台、远程电脑和手持设备，其中手持设备为智能移动电话设备，各种监控设备均能实现风机叶片状态数据查看、故障监测和报警处理等功能。如图2所示，本实施例还公开了一种海上风机叶片故障非接触式监测方法，使用上述的监测系统，包括如下步骤：（1）通过气象信息采集系统采集气象信息，矫正风噪、极端风暴、雷声、雨声的噪声干扰；通过水文信息采集系统采集水文信息，矫正海上浪、流、潮的噪声干扰；通过气动声学采集系统采集风机叶片的气动声学信息，具体地说，在本实施例中气动声学采集系统将信号进行变分模态分解，通过对比与风机叶片旋转周期的关联性以及子带时频特性，去除海洋环境背景噪声干扰的子带，得到纯净的风机叶片气动声学信息；由采集节点控制采集过程并将采集数据通过无线终端传输至岸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海上风机叶片故障非接触式监测系统，其特征在于：所述的系统包括布置在海上风机基础、塔基或单独平台上的气象信息采集系统，布置在海上风机附近海域的水文信息采集系统，布置在海上风机基础或塔架上的气动声学采集系统，气象信息采集系统、水文信息采集系统和气动声学采集系统所采集的数据实时传输至采集节点，再由采集节点通过无线终端传输至岸上数据中心，数据中心，监测系统和监控设备之间通过工业以太网连接通信。

【技术特征摘要】
1.一种海上风机叶片故障非接触式监测系统，其特征在于：所述的系统包括布置在海上风机基础、塔基或单独平台上的气象信息采集系统，布置在海上风机附近海域的水文信息采集系统，布置在海上风机基础或塔架上的气动声学采集系统，气象信息采集系统、水文信息采集系统和气动声学采集系统所采集的数据实时传输至采集节点，再由采集节点通过无线终端传输至岸上数据中心，数据中心，监测系统和监控设备之间通过工业以太网连接通信。2.根据权利要求1所述的海上风机叶片故障非接触式监测系统，其特征在于：海上风机的数量为两台以上，每台海上风机都配有气象信息采集系统、水文信息采集系统、气动声学采集系统、采集节点和无线终端。3.根据权利要求1所述的海上风机叶片故障非接触式监测系统，其特征在于：所述的气象信息采集系统包括温度传感器、湿度传感器、风传感器、雨量传感器和闪电传感器。4.根据权利要求1所述的海上风机叶片故障非接触式监测系统，其特征在于：所述的水文信息采集系统包括波浪传感器、海流传感器和潮汐传感器。5.根据权利要求1所述的海上风机叶片故障非接触式监测系统，其特征在于：所述的气动声学采集系统包括声学传感器和声学信号处理单元，声学传感器的测量范围为20Hz—20kHz，声学信号处理单元数模转换器的采样频率不低于200kHz，采集位数不低于16位，采集通道不少于4通道。6.根据权利要求1所述的海上风机叶片故障非接触式监测系统，其特征在于：无线终端利用微波通信的方式将数据传输至岸上数据中心。7.根据权利要求1所述的海上风机叶片故障非接触式监测系统，其特征在于：所述的监控设备包括中央监控室计算机监测平...

【专利技术属性】
技术研发人员：綦声波，张亚男，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37