基于馬氏距離的風(fēng)力發(fā)電塔筒在線監(jiān)測研究

引言

據(jù)統(tǒng)計，我國風(fēng)能資源儲量為32.26億千瓦，適合開發(fā)風(fēng)能資源約10.3億千瓦。風(fēng)力發(fā)電是我國重要的新能源發(fā)電之一，目前我國累計裝機容量超過210GW，位居世界第一[1-2]。風(fēng)力發(fā)電機組多安裝在如內(nèi)陸高山、戈壁、沿海等風(fēng)能資源豐富地方，然而對風(fēng)力發(fā)電機組而言這些地方服役環(huán)境比較惡劣，風(fēng)力發(fā)電機組時有發(fā)生如倒塔、飛車、著火等重大安全事故，導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失。

塔筒作為風(fēng)電機組的支撐結(jié)構(gòu)，對保障風(fēng)電機組的安全可靠運行起著關(guān)鍵作用。目前所有塔筒供應(yīng)商都沒有配備塔筒在線監(jiān)測和診斷設(shè)備，實際運行時主要靠巡檢人員定期巡檢。由于制造、安裝不合格，設(shè)備巡檢、運行維護檢查不到位等諸多因素，塔筒故障導(dǎo)致倒塔事故頻頻發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟損失。塔筒的故障類型較多，根據(jù)多年的行業(yè)經(jīng)驗總結(jié)，其中最為常見的故障類型包括塔筒地基不均勻沉降或松動、塔身異常彎曲及傾斜、法蘭螺栓疲勞失效等。

目前已報道的塔筒在線監(jiān)測方法有：通過在機艙安裝GPS 接受機測量塔頂位移量，對塔筒傾斜進行監(jiān)測[2]，該方法成本較高，而且GPS的精度不夠，難以監(jiān)測毫米級別的晃動；在機艙安裝加速度傳感器測量塔筒振動信號，監(jiān)測塔筒晃動與傾斜[3]，這種測量方法對初始位置難以準確標定；在機艙和塔基安裝傾角傳感器，測量地基沉降和傾斜[4-5]，該方法應(yīng)用最廣，對塔筒傾斜度和地基沉降監(jiān)測較多。但傳統(tǒng)方法對傾角數(shù)據(jù)挖掘不夠深入，也無法對塔筒疲勞健康進行評估。

本研究基于雙軸傾角傳感技術(shù)，在風(fēng)電塔筒頂部與塔基進行同時測量。利用兩組傾角數(shù)據(jù)構(gòu)建迭代馬氏距離，并以馬氏距離中心為參考，通過計算塔基馬氏距離中心與原點距離，以此距離為參考指標實現(xiàn)對塔筒的地基沉降監(jiān)測；通過計算塔頂馬氏距離中心與塔基馬氏距離中心的距離，并以此參作為連筒傾斜度與彎曲的參考指標；通過塔頂?shù)膬A角數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算塔筒的累積沖擊量，根據(jù)塔筒的服役年份和歷史累積沖擊量評估塔筒健康程度，對剩余壽命進行預(yù)估。本研究所提出的方法，可在沒有先驗信息和領(lǐng)域知識的情況下實現(xiàn)對風(fēng)電塔筒進行全方位的健康監(jiān)測。

1 材料與方法

傳感器。采用深圳瑞芬HCA526T-10雙軸向高精度雙軸傾角儀，主要參數(shù)：工作電壓DC（12～36V），支持寬壓輸入，額定電壓24V；1路以太網(wǎng)電口。10M/100M 自適應(yīng)，通過光纖收發(fā)器可擴展為太網(wǎng)光口；1路RS485通信接口。通信速率9600bps，最大傳輸距離2km；量程范圍±10°，雙軸（X軸＋Y軸）；測量分辨率0.001；絕對精度0.005°；傳輸接口 RS485/RS232/TTL/CAN（可定制）；工作溫度-40℃～85℃；防護等級IP67。本研究使用兩個高精度雙軸 傾角傳感器，在塔筒地基平面與塔筒頂部平面分別布置一個傾角傳感器，其中塔筒地基平面?zhèn)鞲衅髅麨閮A角1，塔頂平面?zhèn)鞲衅髅麨?(圖1)。

2 研究結(jié)果

傾角實時測量。利用塔筒動態(tài)測量裝置，通過風(fēng)電機組數(shù)據(jù)采集平臺對傾角傳感器信號進行采樣和預(yù)處理，采樣頻率為5Hz，得到塔筒頂部傾角信號、底部傾角信號（圖2）。

圖1 風(fēng)力發(fā)電塔筒傾角傳感

圖2 塔底/塔頂傾角實時數(shù)據(jù)

構(gòu)建迭代馬氏距離。馬氏距離是由印度統(tǒng)計學(xué)家馬哈拉諾比斯（P.C.Mahalanobis）提出的，表示數(shù)據(jù)的協(xié)方差距離，是一種有效計算兩個未知樣本集相似度的方法。本研究利用傾角數(shù)據(jù)構(gòu)建殘余奇異值分解模型，并將監(jiān)測信號分別輸入到該模型中，計算每個殘余信號的基尼指數(shù)，計算信號內(nèi)每個樣本的馬氏距離；去除信號中特定的樣本，利用剩余的樣本更新均值和協(xié)方差不斷迭代，直到剩余樣本的馬氏距離收斂（圖3）。

圖3 馬氏距離構(gòu)建

圖4 塔筒地基沉降監(jiān)測指標原理

塔筒地基沉降監(jiān)測。基于塔筒底部傾角數(shù)據(jù)構(gòu)建的馬氏距離，實時計算馬氏距離擬合橢圓的中心位置，并計算該中心與零點中心的距離△L（如圖4模擬數(shù)據(jù)），即以△L 作為監(jiān)測指標實時監(jiān)測塔筒地基的沉降狀況（圖5）。

圖5 塔筒地基沉降實時監(jiān)測

圖6 塔塔傾斜監(jiān)測指標原理

塔筒傾斜監(jiān)測。基于塔筒底部傾角數(shù)據(jù)構(gòu)建的馬氏距離和塔頂傾角數(shù)據(jù)構(gòu)建的馬氏距離，實時計算兩個馬氏距離擬合橢圓的中心位置，并計算兩個中心之間的距離△D（圖6），即以△D 作為監(jiān)測指標 實時監(jiān)測傾斜狀況（圖7）。

圖7 塔筒傾斜實時監(jiān)測

圖8 塔筒累積沖擊量示意圖

圖9 塔筒剩余壽命預(yù)測

塔筒疲勞及壽命預(yù)測。塔筒的疲勞與壽命預(yù)測是行業(yè)內(nèi)的巨大挑戰(zhàn)，目前都處于摸索階段，沒有統(tǒng)一認可的標準。本研究認為塔筒的疲勞與剩余壽命受已服役時間和塔筒承受的累積外部沖擊量影響較大。基于此，重點監(jiān)測和計算塔筒承受的外部沖擊量。塔筒承受沖擊時主要表現(xiàn)為晃動、傾斜等。基于塔頂傾角數(shù)據(jù)和傾斜指標，對塔筒的晃動和傾斜進行定量（加權(quán)計算）并沿時間軸進行累積（圖8）作為塔筒疲勞的定量指標。采集有代表性的一段時長的數(shù)據(jù)后，根據(jù)統(tǒng)計分布原理估算出塔筒設(shè)計生命周期內(nèi)承受的沖擊總量，再根據(jù)塔筒已服役時間和已承受的累積沖擊量，估算塔筒的疲勞度與剩余壽命百分比（圖9）。