一種風電機組無線傳感器研究與設計

許 諾，黃登華

（1．北京安心易維科技有限公司，北京 101403；2.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035）

風力發(fā)電機特別是海上風電機組大多工作在復雜惡劣環(huán)境下，機組運行過程中受到風速變化、海浪波動及塔影效應等因素影響，這些因素會在葉片上產(chǎn)生周期性疲勞載荷，長時間周期性載荷加上極端天氣極可能導致葉片損傷與故障。葉片作為風電機組捕獲風能部件，故障輕則使風力發(fā)電機偏離原來的設計指標造成捕風效率下降，降低經(jīng)濟效益，重則造成風機在運行過程中意外停機，降低風機的可靠性，甚至可能會發(fā)生葉片折斷、倒塔等嚴重事故。葉片狀態(tài)監(jiān)測不僅涉及機組安全運行問題，在機組的控制中如果能考慮葉片狀態(tài)及載荷，采用相應的優(yōu)化控制手段，不僅極大避免運行風險，還可提升機組傳動鏈大部件的運行效率，延遲葉片壽命，但目前大部分風電機組對葉片的狀態(tài)監(jiān)測缺乏有效手段。

1 風電機組葉片狀態(tài)檢測的主要技術手段

目前，國內外對風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測方式主要有：人工巡檢、圖像識別、聲發(fā)射監(jiān)測、預埋光纖傳感器和基于運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測等。

人工定期目視：風電場運行檢測人員對風電機組進行定期巡檢，通過肉眼觀察葉片狀態(tài)，利用經(jīng)驗對葉片狀態(tài)進行判斷。該監(jiān)測方式實現(xiàn)麻煩、效率低下、安全隱患大。

圖像識別處理方式：利用無人機攜帶攝像頭或者在機艙頂端固定位置安裝高清攝像機拍攝葉片圖像，對葉片不同部分的照片運用圖像處理方法，判斷葉片狀態(tài)。這類無損檢測手段雖然實現(xiàn)了對葉片破損的非接觸測量，但需要使用無人機采集葉片圖像，拍攝過程中需要無人機對飛行軌跡、拍攝角度等參數(shù)進行提前規(guī)劃確定，系統(tǒng)復雜，難度大且易受環(huán)境因素干擾。這類方法若要實現(xiàn)在線連續(xù)采集與監(jiān)測，設備的安裝難度較大，費用也較高，因此現(xiàn)階段更適合于葉片的定期檢測與檢修。

聲發(fā)射監(jiān)測：利用超聲波發(fā)生裝置向葉片發(fā)射聲波，采用超聲波檢測裝置接收返回的聲波，超聲回撥在葉片內傳播時，會疊加葉片內部狀態(tài)信息。分析超聲波回波信號，可以獲取葉片內部的一些狀態(tài)信息如斷裂、疲勞破損等狀態(tài)。該方式需額外的聲發(fā)射源，導致聲發(fā)監(jiān)測裝置體型較大，適合葉片還未裝機前的檢測，不適宜對正在運行的葉片進行檢測。

光纖傳感器：在葉片制造時，在葉片中預先埋入光纖傳感器如布拉格光柵、布里淵光纖等，當葉片在運行時，葉片的應變會疊加到光線傳感器上，光纖內傳播的的激光信號會疊加相應的應變信號，通過對光信號的解調獲取葉片運行的應變信息，進而獲取葉片狀態(tài)信息。

振動監(jiān)測方式：當葉片發(fā)生故障時，通常表現(xiàn)為運行時振動異常。通過在葉片或者傳動鏈上安裝振動傳感器，采集機組運行過程中的振動信號，振動信號內包含了葉片各類故障所產(chǎn)生的狀態(tài)信息，對葉片運行的振動信號進行特征提取，時頻域特征參數(shù)及特征頻率計算獲取葉片運行狀態(tài)。

SCADA 數(shù)據(jù)診斷方式：風力發(fā)電機本身具有監(jiān)視控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以通過數(shù)據(jù)挖掘等方式對風機狀態(tài)進行檢測。但SCADA 是通過風電機組的轉速、功率等其他信號間接反映葉片的運行狀態(tài)，對葉片早期故障難以及時發(fā)現(xiàn)。

因此，根據(jù)是否安裝葉片傳感器和所安裝傳感器的種類，可以分為3 類葉片狀態(tài)監(jiān)測方法。第一類方法基于SCADA 數(shù)據(jù)對葉片破損進行狀態(tài)監(jiān)測，該類方法主要對風電機組的運行數(shù)據(jù)進行分析和建模，無需為葉片安裝任何傳感器，技術上易于實現(xiàn)，但因對葉片無直接監(jiān)視參數(shù)，多采用機器學習算法，計算量大且模型復雜，容易造成模型個體針對性強而泛化能力差。第二類方法是通過紅外、可見光等攝像機獲取葉片外表圖像，再經(jīng)圖像處理進行葉片故障檢測。這些檢測手段雖然實現(xiàn)了對葉片破損的非接觸測量，但容易受環(huán)境因素干擾，同時難以實現(xiàn)葉片狀態(tài)的在線測量。另一方面，通過在風機葉片上安裝各類傳感器，通過傳感器監(jiān)測葉片運行過程中產(chǎn)生的各類狀態(tài)信號，并對信號進行分析，提取故障信息。此類方法主要采用的傳感器種類有聲發(fā)射、應變、振動等傳感器。這些方法根據(jù)傳感器及葉片信號特點各有優(yōu)點，但絕大多數(shù)檢測手段價格昂貴、安裝復雜、使用不便，難以推廣應用。

2 風電機組葉片檢測裝置需求分析

葉片作為風電機組捕獲風能的重要部件，傳感器的安裝不能改變葉片的氣動外形，否則將導致發(fā)電效率的下降。葉片狀態(tài)檢測傳感器不僅僅能發(fā)現(xiàn)表面破損，還需要對葉片內部裂紋、疲勞損傷、螺栓松動等狀態(tài)進行及時檢測。振動傳感器常應用于旋轉機械的故障檢測，常應用于風機傳動鏈設備的狀態(tài)監(jiān)測，目前風電機組齒輪箱及發(fā)電機等旋轉設備的狀態(tài)監(jiān)測主要采用振動監(jiān)測。葉片在運行過程中也屬于旋轉機械設備，葉片振動信號通常是葉片旋轉過程中機械縫隙和各類故障信息綜合產(chǎn)生的信息，能直接反映葉片內在狀態(tài)信息。當葉片故障時，表現(xiàn)出振動信號與正常工況特征參數(shù)的異常，通過各類時頻域特征參數(shù)的判斷，可以實現(xiàn)葉片狀態(tài)的在線監(jiān)測。因此，基于振動的故障檢測是故障監(jiān)測最直接有效的方法之一，采用振動傳感器是對葉片狀態(tài)進行監(jiān)測的理想手段。

同時由于風力發(fā)電機葉片工作時相對于機艙在不斷運動，葉片傳感器在設計時必須考慮如何實現(xiàn)電源供給、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及安裝等問題。考慮到葉片特殊測量環(huán)境，比較理想的傳感器應該是無線無源方式。葉片檢測裝置可采用電池或者太陽能方式實現(xiàn)自供電。葉片傳感器采用無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，對于無線傳輸需要考慮功耗、傳輸距離、天線布置、通信速率和通信穩(wěn)定性等問題。

為了在安裝傳感裝置后不影響葉片的氣動外形，需要對傳感裝置的外形裝置進行薄膜化，貼片式。同時裝置的設計尺寸和安裝位置要根據(jù)葉片工況進行精心的設計。

針對上述背景技術中描述的問題與缺陷，本文設計了一種基于無線振動傳感器的風力發(fā)電機葉片監(jiān)測裝置。針對監(jiān)測裝置安裝問題，采用柔性薄膜貼片式電路，針對裝置供電與能耗問題，采用太陽能電池無線供電方式與低功耗策略；針對監(jiān)測系統(tǒng)通信問題，采用LORA 無線技術與星型無線網(wǎng)絡結構。

3 風電機組葉片檢測裝置設計

3.1 傳感器選擇與設計

葉片運行旋轉過程中產(chǎn)生的振動信號包含不同類型不同頻段的故障信號，基于振動的葉片狀態(tài)監(jiān)測是成熟可行的方法，由于加速度振動傳感器技術成熟度高，頻帶范圍寬，很適合于葉片狀態(tài)監(jiān)測。目前成熟的加速度傳感器有模擬式和數(shù)字式2 種，傳統(tǒng)的模擬加速度振動傳感器一般呈現(xiàn)圓柱形，尺寸較大，不但難以安裝在葉片表面，還容易改變葉片氣動外形，并且還需信號處理電路，系統(tǒng)復雜，不適合于葉片狀態(tài)監(jiān)測。新型的數(shù)字加速度計不需要額外的信號調理與ADC 電路，通過I2C 或SPI 與控制器進行數(shù)據(jù)交互，基于數(shù)字加速度及的葉片傳感器可以做到結構簡單、體型小。

MPU9250 是一種數(shù)字九軸半導體傳感器芯片，其內部不僅集成了三軸加速度計，還集成了三軸陀螺儀、三軸磁力計等，可以通過通訊接口直接輸出各個參數(shù)的數(shù)字量。MPU9250 用作葉片傳感器可以方便測出葉片不同方向上的加速度，根據(jù)磁力計還可判斷葉片所處姿態(tài)，方便對不同維度的信號進行分解。芯片外觀采用QFN24 封裝，大小3 mm×3 mm×1 mm，體積足夠小巧，非常適合貼片安裝。數(shù)字九軸半導體傳感器芯片具有I2C 和SPI 接口，可以通過I2C 和SPI 接口直接與控制芯片通信，使得整體系統(tǒng)簡潔輕巧。MPU9250 是一種低功耗傳感器，平時可以在休眠模式下工作，可根據(jù)情況定期喚醒工作，最小電流可低至8 μA，滿足系統(tǒng)功耗要求。

3.2 控制器選擇與設計

由于采集裝置需要安裝在風力發(fā)電機葉片上，葉片傳感器通訊裝置距離較遠，需要采用無線通信方式。目前流行的無線通信方式主要有：NFC 近場通信、藍牙、Wi-Fi、ZigBee、Sub-1Ghz、LoRa 和GPRS 等。考慮通信距離和通信速率以及功耗問題，Sub-1Ghz、LoRa 兩種方式都能滿足葉片環(huán)境下的無線通信要求。由于風電機組葉片旋轉速度較低，振動信號的采樣率無需太高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量及速率要求較低，但系統(tǒng)對信號傳輸距離及低功耗要求較高。LoRa 是一種遠距離、低功耗的無線通信技術，LoRa 技術在節(jié)點設置、運行成本、傳輸距離和信號接收強度等方面很適合于葉片狀態(tài)條件要求。

本系統(tǒng)采用STM32WLE5CBU6 芯片，該芯片將無線通信與微控制器集成到一塊芯片，集成了LoRa 相關協(xié)議。主控制器體積小，接口豐富，功耗低，支持低功耗和睡眠方式，可以同時實現(xiàn)LoRa 通信及傳感器芯片數(shù)據(jù)采集和處理及異常判斷功能。主控制器不僅能滿足無線通信的，尺寸大小、低功耗的要求，同時本身自帶的I2C 通訊接口可以直接與MPU9250 通信，無需其他外圍電路，2 個芯片就可以滿足傳感器數(shù)據(jù)采集，信號處理，數(shù)據(jù)通信方面的設計要求，整體系統(tǒng)體積小，功耗低。系統(tǒng)主控芯片工作溫度-40~105 ℃，非常適合葉片惡劣工作自然環(huán)境條件。

3.3 電源系統(tǒng)計

為了解決電源供給問題，本系統(tǒng)使用太陽能電池結合鋰電池組合方式實現(xiàn)電源供給。白天陽光充足時，太陽能電池提供電源，在滿足系統(tǒng)相關芯片工作耗能的同時，將多余能量存儲到鋰電池。夜間，太陽能電池不能為系統(tǒng)供給電壓時，由鋰電池提供系統(tǒng)電源。為了使傳感裝置正常工作，系統(tǒng)必須能提供一定范圍內穩(wěn)定的電壓，但太陽能電池由于光照強度的變化，輸出電壓也有較大變化，必須采用穩(wěn)壓模塊實現(xiàn)電壓穩(wěn)定及變換功能，滿足信號無線傳感器的供電及鋰電池充電電壓要求。根據(jù)STM32WLE5CBU6 和MPU9250 的電氣參數(shù)，芯片工作電壓范圍在1.8~3.8 V，本系統(tǒng)選擇3.3 V 作為工作電壓。STM32WLE5CBU6 在發(fā)送數(shù)據(jù)時功耗最大，在TX（+13 dBm）典型電流值可達幾十毫安。MPU9250 在正常工作模式下，電流值可達8 mA。系統(tǒng)加上其他器件的功率損耗，整體工作的最大極限功率在0.15 W 以內。

供電方式選擇易于安裝在葉片表面的薄膜、柔性太陽能板，根據(jù)需求選擇2 W、9 V 型號。由于光照強度的變化，太陽能薄膜電池的輸出電壓也會發(fā)生變化，傳感器系統(tǒng)電源系統(tǒng)必須將太陽能電池電壓穩(wěn)定在STM32WLE5CBU6 和MPU9250 需要的工作電壓3.3 V。這里首先選擇lm2940-5.0 穩(wěn)壓芯片將太陽能電池信號穩(wěn)定在5 V。lm2940-5.0 具有較寬的輸入電壓范圍，在5~12 V 的輸入電壓范圍內都可以將輸出電壓穩(wěn)定在5 V，非常適合于太陽能薄膜電池輸出電壓的特性要求（圖1）。由于傳感器系統(tǒng)工作電壓是3.3 V，還需要3.3 V 電壓轉換與穩(wěn)壓芯片，這里選擇Mic5255-3.3轉換芯片，在輸入3.4~6 V 的電壓范圍內，都可穩(wěn)定輸出3.3 V，滿足系統(tǒng)對電源電壓和功率的要求。可以看出，當太陽能電池板輸出在4.1 V 以上時，就可以為整個系統(tǒng)提供滿足要求的電壓電源，并可為系統(tǒng)備用蓄電池充電，滿足夜間設備狀態(tài)監(jiān)測要求。

圖1 電壓變換關系圖

3.4 系統(tǒng)外觀及電路設計

為了滿足葉片狀態(tài)監(jiān)測安裝環(huán)境，系統(tǒng)采用無線無源傳感柔性貼片式設計方式。貼片式傳感器裝置主要包括電源管理單元、數(shù)據(jù)采集處理與通信單元、半導體傳感器，系統(tǒng)將各部分電路采用薄膜電路設計和封裝，整個傳感裝置體積小、重量輕。系統(tǒng)由無線主控制器模塊，電源模塊和傳感器模塊構成。電源模塊由太陽能薄膜電池結合電壓變換與穩(wěn)壓裝置為鋰電池充放電并為系統(tǒng)提供供電電源。傳感器模塊主要利用九軸半導體傳感器采集葉片多軸振動加速度等數(shù)字信息并利用通信接口傳輸給主控制器。無線主控制器采用帶無線功能的微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、低功耗管理及LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感器結構如圖2 所示。

圖2 無線傳感器結構

4 無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)

針對葉片狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過研究傳感器極端條件下的能耗管理及適合葉片狀態(tài)監(jiān)控的傳感器網(wǎng)絡架構及通信可靠性，從而實現(xiàn)不同工況及氣象條件下傳感器網(wǎng)絡應用可靠性及適應性；設計并制造采用薄膜化、低功耗寬參數(shù)設計，滿足風電機組多變工況及復雜氣象條件下的葉片傳感器；根據(jù)風機葉片故障特點及設計位置在實驗風機上按設計工藝安裝無線傳感器并組建傳感器監(jiān)測網(wǎng)。

系統(tǒng)在風電機組每個葉片上根據(jù)需要按裝若干無線傳感器，由于貼片工藝設計和太陽能薄膜電池供電，系統(tǒng)無需其他額外部件，只需粘貼安裝到葉片指定位置即可。無線傳感器外形如圖3 所示。每個測量節(jié)點自動按照采用規(guī)則進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)組網(wǎng)傳輸。實現(xiàn)風電機組葉片24 小時在線狀態(tài)監(jiān)測。實驗數(shù)據(jù)可通過集中無線通信節(jié)點傳輸至上位機，上位機可對所有數(shù)據(jù)進行進一步分析，采用諸如模態(tài)分局、雨流計數(shù)法等高級算法實現(xiàn)葉片狀態(tài)、葉片疲勞、載荷分析等相關功能。

圖3 無線傳感器外形

5 結束語

本文研究了一種基于太陽能薄膜電池的無線貼片式振動傳感器，在分析了葉片狀態(tài)監(jiān)測需求及特點基礎上，對各種狀態(tài)監(jiān)測方法進行了分析對比。根據(jù)葉片狀態(tài)監(jiān)測特點和要求，分別進行了傳感器選擇、電源設計、控制器設計和通信方式設計等工作。通過研究傳感器極端條件下的能耗管理及適合葉片狀態(tài)監(jiān)控的傳感器網(wǎng)絡架構及通信可靠性，從而實現(xiàn)不同工況及氣象條件下傳感器網(wǎng)絡應用可靠性及適應性；設計并制造采用薄膜化、低功耗寬參數(shù)設計，滿足風電機組多變工況及復雜氣象條件下的葉片傳感器。