引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)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(guó)重要的新能源發(fā)電之一，目前我國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量超過210GW，位居世界第一[1-2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言這些地方服役環(huán)境比較惡劣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí)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(jì)損失。

塔筒作為風(fēng)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)保障風(fēng)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)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(cè)和診斷設(shè)備，實(shí)際運(yùn)行時(shí)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(yùn)行維護(hù)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(jì)損失。塔筒的故障類型較多，根據(jù)多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)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(dòng)、塔身異常彎曲及傾斜、法蘭螺栓疲勞失效等。

目前已報(bào)道的塔筒在線監(jiān)測(cè)方法有：通過在機(jī)艙安裝GPS 接受機(jī)測(cè)量塔頂位移量，對(duì)塔筒傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]，該方法成本較高，而且GPS的精度不夠，難以監(jiān)測(cè)毫米級(jí)別的晃動(dòng)；在機(jī)艙安裝加速度傳感器測(cè)量塔筒振動(dòng)信號(hào)，監(jiān)測(cè)塔筒晃動(dòng)與傾斜[3]，這種測(cè)量方法對(duì)初始位置難以準(zhǔn)確標(biāo)定；在機(jī)艙和塔基安裝傾角傳感器，測(cè)量地基沉降和傾斜[4-5]，該方法應(yīng)用最廣，對(duì)塔筒傾斜度和地基沉降監(jiān)測(cè)較多。但傳統(tǒng)方法對(duì)傾角數(shù)據(jù)挖掘不夠深入，也無(wú)法對(duì)塔筒疲勞健康進(jìn)行評(píng)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(jìn)行同時(shí)測(cè)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(jì)算塔基馬氏距離中心與原點(diǎn)距離，以此距離為參考指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)塔筒的地基沉降監(jiān)測(cè)；通過計(jì)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(biāo)；通過塔頂?shù)膬A角數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)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(píng)估塔筒健康程度，對(duì)剩余壽命進(jìn)行預(yù)估。本研究所提出的方法，可在沒有先驗(yàn)信息和領(lǐng)域知識(shí)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電塔筒進(jìn)行全方位的健康監(jiān)測(cè)。

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(kuò)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(cè)量分辨率0.001；絕對(duì)精度0.005°；傳輸接口 RS485/RS232/TTL/CAN（可定制）；工作溫度-40℃～85℃；防護(hù)等級(jí)IP67。本研究使用兩個(gè)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(gè)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(shí)時(shí)測(cè)量。利用塔筒動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，通過風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集平臺(tái)對(duì)傾角傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣和預(yù)處理，采樣頻率為5Hz，得到塔筒頂部?jī)A角信號(hào)、底部?jī)A角信號(hào)（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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

構(gòu)建迭代馬氏距離。馬氏距離是由印度統(tǒng)計(jì)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(jì)算兩個(gè)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(cè)信號(hào)分別輸入到該模型中，計(jì)算每個(gè)殘余信號(hào)的基尼指數(shù)，計(jì)算信號(hào)內(nèi)每個(gè)樣本的馬氏距離；去除信號(hào)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(cè)指標(biāo)原理

塔筒地基沉降監(jiān)測(cè)?；谒驳撞?jī)A角數(shù)據(jù)構(gòu)建的馬氏距離，實(shí)時(shí)計(jì)算馬氏距離擬合橢圓的中心位置，并計(jì)算該中心與零點(diǎn)中心的距離△L（如圖4模擬數(shù)據(jù)），即以△L 作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔筒地基的沉降狀況（圖5）。

圖5 塔筒地基沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

圖6 塔塔傾斜監(jiān)測(cè)指標(biāo)原理

塔筒傾斜監(jiān)測(cè)。基于塔筒底部?jī)A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(shí)時(shí)計(jì)算兩個(gè)馬氏距離擬合橢圓的中心位置，并計(jì)算兩個(gè)中心之間的距離△D（圖6），即以△D 作為監(jiān)測(cè)指標(biāo) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傾斜狀況（圖7）。

圖7 塔筒傾斜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

圖8 塔筒累積沖擊量示意圖

圖9 塔筒剩余壽命預(yù)測(cè)

塔筒疲勞及壽命預(yù)測(cè)。塔筒的疲勞與壽命預(yù)測(cè)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(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。本研究認(rèn)為塔筒的疲勞與剩余壽命受已服役時(shí)間和塔筒承受的累積外部沖擊量影響較大?；诖耍攸c(diǎn)監(jiān)測(cè)和計(jì)算塔筒承受的外部沖擊量。塔筒承受沖擊時(shí)主要表現(xiàn)為晃動(dòng)、傾斜等。基于塔頂傾角數(shù)據(jù)和傾斜指標(biāo)，對(duì)塔筒的晃動(dòng)和傾斜進(jìn)行定量（加權(quán)計(jì)算）并沿時(shí)間軸進(jìn)行累積（圖8）作為塔筒疲勞的定量指標(biāo)。采集有代表性的一段時(shí)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分布原理估算出塔筒設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)承受的沖擊總量，再根據(jù)塔筒已服役時(shí)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）。