[发明专利]基于无线传感器网络的海上风电机组状态监测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络的海上风电机组状态监测系统及方法，能够实现海上风电机组关键部件健康状态的实时监测。

背景技术

由于海上风资源丰富，具有发电量大、发电时间长、无噪声限制、不占用土地、可大规模开发等多方面优势，同时海上风电一般靠近传统电力负荷中心，便于就地消纳，免去了长距离输电的问题，因此随着风电技术的不断进步，大力开发海上风电成为风力行业发展的新趋势。然而，虽然海上风资源与陆上相比更具开发潜力，但是环境状况十分恶劣，海上风电机组运行风险远远大于陆上机组，故障率高；同时，海上风电场可进入性差，风电机组的维护需要动用快艇、吊装船，甚至是直升飞机，维护工作往往还会因恶劣天气而难以及时开展，这些都大大增加了维护费用。长期以来，海上风电机组的运行维护主要采用传统的定期维修（计划维修）和故障维修（事后维修）的方式。其中，定期维修即运行2500h和5000h后的例行维护，这种停机状态下的维修方式很难全面了解设备运行状况、及时发现故障隐患。而故障维修是在故障发生之后才进行，即矫正性维护，由于缺乏对故障原因的了解和事先的准备，维修工作往往不能有针对性地及时开展，导致损失进一步增加。目前，单台海上风电机组的维护成本一般至少为陆上机组的2倍，整个海上风电场的维护成本高达其经济收入的20%-25%，严重影响了风电场的生产效益。因此，为了降低经济损失与维护成本，必须对海上风电机组运行状态进行可靠监测，将大量矫正性维护转变为预防性维护，减少严重故障的发生。

目前实际应用中的风电机组状态监测系统大多基于有线通信方式来进行信息采集与传输，且由于陆上风电发展早于海上风电，这种通信方式在陆上风电场中的应用较为成熟。而海上环境恶劣，有线设施部署困难，海上风电机组的状态监测还很不完善。随着海上风电的不断发展，风电场容量不断增加，采用有线通信方式的状态监测存在明显缺陷：1）海上风电场尤其是深海风电场远离陆地，可进入性差，有线通信设施布设难度大、构建成本高，不利于状态监测系统的构建；2）海上风电机组状态监测信息量大、通信压力大，有线通信往往采用传统的“点对多点”的信息传输方式以及集中式的信息处理方式，效率低、实时性差，无法保证状态监测系统的可靠性。

发明内容

发明目的：针对现有海上风电机组状态监测中采用有线通信方式存在的布线困难、成本高、数据采集与传输质量难以保证等缺点，本发明提供一种基于无线传感器网络的海上风电机组状态监测系统。基于无线传感器网络构建海上风电机组状态监测系统，部署在海上风电机组上的传感器之间采用无线通信方式实现信息的采集和传输，无需架设有线通信设施，系统布设灵活方便、信息采集全面准确、信息传输安全可靠、信息处理高效快速，有助于为海上风电机组健康状态的可靠监测提供新的思路。本发明还提供一种基于无线传感器网络的海上风电机组状态监测方法，实现对海上风电机组状态监测系统中所有被监测部件和被部署传感器节点的有效管理并提高信息处理与传输的效率。

技术方案：一种基于无线传感器网络的海上风电机组状态监测系统，包括多个用于信息采集和处理、并将信息传递给其簇首传感器节点的状态监测传感器节点，多个收集和处理簇内所有状态监测传感器节点的传输信息、并将信息传递给主控中心的簇首传感器节点，以及设在风电机组塔筒底部的主控中心；所述多个状态监测传感器节点分别设在风电机组的叶片、传动系统和塔筒上；所述多个簇首传感器节点别设在风电机组的轮毂处、机舱甲板处和各节塔筒连接处。

大量研究表明，风电机组的叶片、机舱（包括主轴承、齿轮箱和发电机等）、塔筒是容易发生故障的部分。而海上风电机组受海上自然环境的影响，还要特别考虑盐雾冰雪、海浪飞溅对风电机组部件的腐蚀。因此，本发明根据现有文献中对风电机组各主要部件状态监测的研究成果^[1-3]，结合海上自然环境特点，提出海上风电机组状态监测技术，主要涉及风电机组的三个部分：叶片、传动系统、塔筒。根据各部分运行工作特点部署一定数量的无线传感器来实现对风电机组主体部分的状态监测。在本发明中所部署的各类传感器均为无线传感器，称为传感器节点。

所述状态监测传感器节点和簇首传感器节点采用刚性机械紧固方式设置在风电机组上，或者通过粘结剂或磁座安装在风电机组上。

所述状态监测传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块组成，其中传感器模块将采集到的信息传输给处理器模块，处理器模块对采集到的信息进行模数转换并通过无线通信模块将转换处理后的信息发送给簇首传感器节点。