基于Kalman濾波的塔筒GPS監測系統

肖 成，陳顯龍，艾為桂

(1.上海恒樺可力科技發展有限公司，上海200333;2.北京恒華偉業科技股份有限公司，北京100011;3.武漢大學電子信息學院，湖北武漢430072)

基于Kalman濾波的塔筒GPS監測系統

肖 成1，陳顯龍2，艾為桂3

(1.上海恒樺可力科技發展有限公司，上海200333;2.北京恒華偉業科技股份有限公司，北京100011;3.武漢大學電子信息學院，湖北武漢430072)

介紹一種基于Kalman濾波的塔筒GPS監測系統，用于監測塔筒在不同環境、各種載荷作用下的工作性能，采用Kalman濾波原理對GPS監測數據進行處理分析。采用米度測控單雙頻自動變形監測系統研發的監控中心軟件，對風電場塔筒進行安全監測管理。經過工程試驗和數據分析，說明利用GPS可以有效、準確地監測塔筒工作狀態，為風電場塔筒的承載能力、工作狀態和耐久性評估提供參考依據。

GPS;塔筒;監測;Kalman濾波

一、引 言

風能是現今世界各國都十分重視開發和利用的一種綠色能源。風電場塔筒是風力發電的塔桿，在風力發電機組中起支撐作用，同時吸收機組震動。要保證風力發電機組的正常運轉，就必須保證塔筒結構的安全可靠。風電場風力發電塔筒不僅受到自身重力、風輪和機艙的重力、作用在塔身上的風載荷，還受到通過風輪作用在塔筒頂端的氣動載荷、偏轉力、陀螺力和陀螺力矩等。塔筒軸心傾斜度、振動頻率及振幅都是塔筒結構健康狀況的重要參數，對這些參數進行實時監測可以檢測塔筒能否正常使用。

加速度傳感器法、位移傳感器法和全站儀自動掃描法是現今常用于結構動態變形監測的幾種方法。但傳統的觀測技術受其能力所限，已經不能滿足大型構筑物動態監測的需求。隨著現代硬件技術、數據處理技術以及通信技術的發展，一門新興技術——GPS監測技術逐漸發展起來，國內外運用GPS監測技術對建筑物的實時健康監測也日漸增多，如加拿大Loves等于1993年對高160 m的卡爾加里塔用GPS進行了強風作用下的振動測量;德國Breuer等于1999年對高155 m的電視塔進行了風載荷作用下的振動測量;陳永奇等于1999年對高325 m的深圳地王大廈進行了二次振動測量;過靜珺等于2000年對虎門大橋進行GPS實時位移監測等。尤其是近幾年，GPS監測技術在對高聳構筑物監測方面得到了較大的發展和突破。

本文介紹了一種全新的基于Kalman濾波的塔筒GPS監測系統，用于監測塔筒在不同環境、各種載荷作用下的工作性能，并通過監控中心軟件對GPS監測數據進行處理分析，對風電場塔筒進行安全監測管理。

二、工程概況

本文以實際工程為基礎，設計的基于Kalman濾波的塔筒GPS監測系統是一個集結構分析計算、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統工程，旨在創建一個功能強大并能真正長期用于結構損傷和狀態評估、滿足位移監測的需要，同時又具經濟效益的結構健康安全的監控系統。

基于Kalman濾波的塔筒GPS監測系統，建立了實時的安全監測平臺，對塔筒的振幅、頻率、中心點位置進行實時監控;可實時記錄塔筒在外部因素(風力、風向、溫度、濕度等)下的運行狀態，建立結構本身健康檔案;可驗證風筒結構設計理論，為完善設計理論和開創新的設計方法提供試驗依據;同時也可實現動態的結構危險性分析、評價和預警，為風電塔筒的運營管理、養護維修、可靠性評估及科學研究提供技術依據。

本風電場塔筒GPS監測系統由4個子系統組成:傳感器子系統、數據傳輸子系統、監控中心子系統、輔助支持子系統。本文根據設計原則和設計依據，從4個子系統建設出發，分別進行系統設計。根據試驗現場的實際情況，擬布設兩個GPS基準站和30個塔筒監測點。該系統整體模塊如圖1所示。

圖1 系統整體模塊圖

1.傳感器子系統

本文設計的監測系統中，傳感器子系統由布置在風電場辦公室附近的GPS基準站和安裝在塔筒頂部GPS監測點組成，系統選用米度測控監測專用GPS雙頻接收機。

GPS基準站的建設主要包括站址選擇、基建、儀器設備的選擇及設備安裝。監測點GPS天線安裝到塔筒頂部合適的位置，GPS主機置于塔筒頂部的機柜內。GPS天線和GPS主機之間通過同軸電纜連接。

2.數據傳輸子系統

在本系統設計中，基準站和各塔筒監測點到控制中心采用光纖進行通信，具有通信穩定、數據傳輸速率高、誤碼率較低的特點。

3.監控中心子系統

監控中心子系統由布置在監控中心的小型機系統、服務器系統及軟件系統組成。監控中心機房建設按照國家相關規范設計施工，主要設備有電視大屏、監測結果顯示終端、服務器群、網絡設備、UPS電源、軟件管理平臺、報警裝置、防雷接地系統及輔助設備等。中心平臺對各系統所采集的數據、預處理信息、處理結果等自動存儲備份。監控中心平面布置如圖2所示。

4.輔助支持子系統

輔助支持子系統包括外場機柜、外場機箱、配電及UPS、防雷和遠程電源監控等部分。

本系統試驗中，需要供電的設備有控制中心服務器及輔助設施，各基準站、監測站GPS接收機及輔助設施。根據各項設計原則，同時考慮本系統供電環境，對控制中心設備和各GPS接收機選用不同的供電方式，控制中心選用220 W交流電，并以UPS作為備用電源，同時UPS也起到穩壓的功能;監測點和基準站采用太陽能供電，每個點配備150 Ah的蓄電池，可在陰雨天氣下持續運行1周。

圖2 監控中心平面布置圖

監測系統中各監測站及通信系統由于潛在雷擊危害因素，還要考慮防雷措施，分為直擊雷的防護和感應雷電防護。GPS天線和接收機附近必須安裝避雷針，對直擊雷進行防護。本系統需要進行感應雷防護的分別為各GPS接收機和控制中心各設備，對于各GPS接收機內部電路板設計2000 kV的光電隔離電路板，當遇到大電流時它會自動切斷電源。對于控制中心各設備需要采用防電涌設備，即在空氣開關后端并聯一個單項電源避雷器，作為電源部分的避雷，同時電力線在進入UPS之前，同時加裝防電涌防護設備，隔離UPS和電力線。具體避雷器推薦選用四川中光的ZGB148A－40防電涌設備和ZGG40－385型號單項避雷器。

5.監測設計原則及技術依據

(1)監測設計原則

本文介紹的基于Kalman濾波的塔筒GPS監測系統，設計遵循科學合理性原則、經濟實用性原則和系統可擴展性原則。監控對象的選取有科學和法律依據，監控手段的選取有高科技含量，監控效果準確有效。在保證長期可靠有效的前提下，采用最經濟的方案，操作采用最簡潔的使用方法，做到直觀方便、性能穩定及維護簡單。系統還設計有開放性接口，便于功能擴充和監測成果的開發利用，并支持其他監測設備數據分析、人工巡檢記錄等。

(2)監測技術依據

本文介紹的系統方案設計，涉及以下相關規范:《全球定位系統測量規范》(GB/T 18314—2009)、《全球定位系統城市測量技術規程》(CJJ 73—1997)、《精密工程測量規范》(GB/T 15314—94)、《建筑變形測量規程》(JGJ/T 8—2007) (GPS)、《工程測量規范》(GB 50026—2007)、《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)、《建筑物防雷設計規范》(GB 50057—2010)等。

三、動態特性監測系統監控中心軟件設計

監控中心子系統軟件是本文介紹的基于Kalman濾波的塔筒GPS監測系統的主體軟件，采用的是GPS實時解算軟件技術，核心算法設備采用米度測控單雙頻自動變形監測系統(簡稱AMS)。

該監控中心軟件使用由上海米度測控科技有限公司自主研發的全天候檢測系統，利用全球衛星定位技術進行高精度三維空間變形監測，通過核心算法實時解算監測點的毫米級三維坐標。實現各種功能應用的同時，建立數據庫進行管理和操作，并實時在界面上更新狀態日志。系統軟件結構如圖3所示。

四、結束語

經過現場試驗，用本文介紹的監測方法位置采樣率為1～5 Hz可選。塔筒靜止狀態監測精度:平面精度為±3 mm，高程精度為±6 mm;塔筒風載震動中實時監測精度:平面±10 mm，高程±20 mm。

利用本文介紹的基于Kalman濾波的塔筒GPS監測系統，不僅可以準確地掌控塔筒在常規載荷作用下的工作性能，而且能夠掌握塔筒在各種極端載荷作用下的工作狀態。該監測系統能實現數據自動采集，也能實時解算輸出塔筒振幅、頻率及塔筒中心位置，同時系統還有數據存儲及處理分析功能、綜合預警功能、防雷及抗干擾功能、現場網絡數據通信和遠程通信功能，以及其他數據備份、掉電保護、自診斷及故障顯示等輔助功能。

在線監測系統軟件能夠安全監測管理分析模塊，具備基礎資料管理、各項監測內容適時顯示發布、圖形報表制作、數據分析、綜合預警等功能。其中數據分析部分包括各項監測內容趨勢分析、綜合過程線分析等內容。

圖3 AMS系統結構圖

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The GPS Monitoring System of Tower Based on Kalman Filter

XIAO Cheng，CHEN Xianlong，AI Weigui

0494－0911(2012)08－0028－03

P228.4

B

2012－06－28

肖 成(1975—)，男，甘肅張掖人，主要從事測繪地理信息與智能電網集成應用方面的研究工作。