本发明属于风力机安全监测技术领域，尤其涉及一种风力发电机组塔架的安全监测方法、监测系统及处理终端。
背景技术：
目前，近年来随着全球气候环境的不断恶化和化石能源的日益枯竭，新能源逐渐走进人们的视野。风能作为发展较为成熟的一种清洁与可再生能源装机容量得到快速增长。由于风力发电机组的工作环境较为复杂，处于地面层形成的剪切风、阵风和台风之中，风力机塔架作为机组重要的承载部件，属于典型细长薄壳结构，其底端固定，顶端自由且承受机舱和风轮的重力和气动载荷，该结构形式容易发生振动和失稳。随着机组的单机容量不断增大，重量和外型尺寸随之增大，塔架的高度也随之增加，作用在塔架上的重力载荷和气动载荷交变性和时变性更加显著。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术并无针对塔架相应数据进行监测的方法，无法及时掌握由于共振、疲劳损伤等因素发生性能失效和结构破坏，导致现有风力发电机组安全性低。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种风力发电机组塔架的安全监测方法、监测系统及处理终端。
本发明是这样实现的，一种风力发电机组塔架的安全监测方法，所述风力发电机组塔架的安全监测方法包括：
对风力机塔架动力学特性数据进行收集与存储；并基于采集数据进行塔架载荷分析以及风力机塔架的承载力的判断；同时对分析结果数据进行列表和曲线的可视化显示与打印。
进一步，所述风力发电机组塔架的安全监测方法包括以下步骤：
步骤一，根据风力机塔架的结构类型和材料特点布置相应的传感器设备，并对数据采集方式以及数据存储方式进行设置；
步骤二，基于设置的数据采集方式利用布置的传感器设备对风力机运行过程中塔架的振动、应力应变以及螺栓松动及其他相关动力学特性进行监测以及数据采集；
步骤三，将传感器输出的电信号转化为数字信号；同时基于设置的数据存储方式对采集的数据进行存储；
步骤四，通过力学分析算法对采集的数据进行分析，并对塔架进行状态识别和故障诊断；并利用显示设备进行监测数据以及分析、诊断结果的显示。
进一步，步骤一中，所述传感器设备包括有加速度传感器、电阻应变片、以及压电阻抗片以完成对风力机运行过程中塔架的振动、应力应变以及螺栓松动等的动力学特性的监测。
进一步，步骤一中，所述对数据采集方式进行设置包括：
通过设置每台风力机所设传感器的数目、采集的时间间隔及其他相关采集参数对数据采集方式进行设置。
进一步，步骤一中，所述对数据存储方式进行设置包括：通过设置存储格式、存储位置对数据存储方式进行设置。
进一步，步骤四中，所述对塔架进行状态识别和故障诊断包括：对载荷水平、振动响应、应力应变、螺栓松动、疲劳寿命进行识别，并对螺栓松动、塔架疲劳寿命、失稳应变及其他故障进行诊断预警。
进一步，所述步骤四具体包括：
以某螺栓连接平面为分界线，上部分看作一个整体，下部分看作一个整体，如果螺栓松动了，可简化为在受到环境荷载作用的结构上附加一个结构晃动整体荷载作用所产生的整体蕴动，结构运动方程可表达为
式中，m、c和k分别为单自由度系统的质量、阻尼和回复力(刚度)系数；fw(t)为风载励，fs(t)为上部结构晃动过程中上部结构作用于下部结构的晃荡整体荷载。
结构受到外界简谐激励x(t)＝acos(ωt)时，faltinsen等将晃动整体载荷处理为：
其中：
将(3)式带入结构运动方程(1)可得：
从变形后的运动方程看出，可以将晃动整体载荷的影响，附加到结构运动原来的阻尼和恢复力(刚度)系数上，令：
从(5)式可以看出，上部晃荡附加阻尼cs和附加恢复力(刚度)系数ks的大小由上部晃荡整体荷载幅值fa和相位差
本发明的另一目的在于提供一种实施所述风力发电机组塔架的安全监测方法的风力发电机组塔架的安全监测系统，所述风力发电机组塔架的安全监测系统包括：
数据采集模块，用于基于设置的采集参数利用振动加速度传感器、电阻应变片和压电阻抗片对振动加速度、应力应变、螺栓松紧状态数据进行采集；并将振动加速度传感器、电阻应变片和压电阻抗片输出信号转化为对应的数字量；
数据存储模块，包括存储单元、接收管理单元以及存储控制单元；用于接收采集的数据，并基于设置的存储参数进行数据存储；
数据分析模块，用于分析采集的载荷水平、振动响应、应力应变、螺栓松动、疲劳寿命及其他数据，并对塔架进行状态识别和故障诊断；
监控显示模块，用于利用显示单元显示采集的数据以及识别结果以及诊断结果。
系统配置模块，包括采集设置单元以及存储设置单元；用于对数据采集以及存储参数进行设置；同时用于进行参数配置错误查验。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述风力发电机组塔架的安全监测方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
根据风力机塔架的结构类型和材料特点布置相应的传感器设备，并对数据采集方式以及数据存储方式进行设置；
基于设置的数据采集方式利用布置的传感器设备对风力机运行过程中塔架的振动、应力应变以及螺栓松动及其他相关动力学特性进行监测以及数据采集；
将传感器输出的电信号转化为数字信号；同时基于设置的数据存储方式对采集的数据进行存储；
通过力学分析算法对采集的数据进行分析，并对塔架进行状态识别和故障诊断；并利用显示设备进行监测数据以及分析、诊断结果的显示。
本发明的另一目的在于提一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的任意一项所述风力发电机组塔架的安全监测方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提出了一种可靠的安全监测系统对风力发电机组运行过程中塔架的振动、应力应变以及螺栓松动等动力学特性的安全监测，并实时监测塔架状态，并在可能发生事故之前及时作出停机处理等反应。
本发明能有效防止塔架在运行过程中由于共振、疲劳损伤等因素发生性能失效和结构破坏，增加风力发电机组安全性，并可以在故障初期对发现故障并合理安排检修避免进一步损失。减少了运行人员定期巡检带来的人力资源浪费。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的风力发电机组塔架的安全监测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的风力发电机组塔架的安全监测系统结构示意图；
图中：1、数据采集模块；2、数据存储模块；21、存储单元；22、接收管理单元；23、存储控制单元；3、数据分析模块；4、监控显示模块；5、系统配置模块；51、采集设置单元；52、存储设置单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种风力发电机组塔架的安全监测方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的风力发电机组塔架的安全监测方法包括：
对风力机塔架动力学特性数据进行收集与存储；并基于采集数据进行塔架载荷分析以及风力机塔架的承载力的判断；同时对分析结果数据进行列表和曲线的可视化显示与打印。
如图1所示，本发明实施例提供的风力发电机组塔架的安全监测方法包括以下步骤：
s101，根据风力机塔架的结构类型和材料特点布置相应的传感器设备，并对数据采集方式以及数据存储方式进行设置；
s102，基于设置的数据采集方式利用布置的传感器设备对风力机运行过程中塔架的振动、应力应变以及螺栓松动及其他相关动力学特性进行监测以及数据采集；
s103，将传感器输出的电信号转化为数字信号；同时基于设置的数据存储方式对采集的数据进行存储；
s104，通过力学分析算法对采集的数据进行分析，并对塔架进行状态识别和故障诊断；并利用显示设备进行监测数据以及分析、诊断结果的显示。
步骤s101中，本发明实施例提供的传感器设备包括有加速度传感器、电阻应变片、以及压电阻抗片以完成对风力机运行过程中塔架的振动、应力应变以及螺栓松动等的动力学特性的监测。
步骤s101中，本发明实施例提供的对数据采集方式进行设置包括：
通过设置每台风力机所设传感器的数目、采集的时间间隔及其他相关采集参数对数据采集方式进行设置。
步骤s101中，本发明实施例提供的对数据存储方式进行设置包括：通过设置存储格式、存储位置对数据存储方式进行设置。
步骤s104中，本发明实施例提供的对塔架进行状态识别和故障诊断包括：对载荷水平、振动响应、应力应变、螺栓松动、疲劳寿命进行识别，并对螺栓松动、塔架疲劳寿命、失稳应变及其他故障进行诊断预警。
进一步，所述步骤s104具体包括：
以某螺栓连接平面为分界线，上部分看作一个整体，下部分看作一个整体，如果螺栓松动了，可简化为在受到环境荷载作用的结构上附加一个结构晃动整体荷载作用所产生的整体蕴动，结构运动方程可表达为
式中，m、c和k分别为单自由度系统的质量、阻尼和回复力(刚度)系数；fw(t)为风载励，fs(t)为上部结构晃动过程中上部结构作用于下部结构的晃荡整体荷载。
结构受到外界简谐激励x(t)＝acos(ωt)时，faltinsen等将晃动整体载荷处理为：
其中：
将(3)式带入结构运动方程(1)可得：
从变形后的运动方程看出，可以将晃动整体载荷的影响，附加到结构运动原来的阻尼和恢复力(刚度)系数上，令：
从(5)式可以看出，上部晃荡附加阻尼cs和附加恢复力(刚度)系数ks的大小由上部晃荡整体荷载幅值fa和相位差
如图2所示，本发明实施例提供的风力发电机组塔架的安全监测系统包括：
数据采集模块1，用于基于设置的采集参数利用振动加速度传感器、电阻应变片和压电阻抗片对振动加速度、应力应变、螺栓松紧状态数据进行采集；并将振动加速度传感器、电阻应变片和压电阻抗片输出信号转化为对应的数字量；
数据存储模块2，包括存储单元21、接收管理单元22以及存储控制单元23；用于接收采集的数据，并基于设置的存储参数进行数据存储；
数据分析模块3，用于分析采集的载荷水平、振动响应、应力应变、螺栓松动、疲劳寿命及其他数据，并对塔架进行状态识别和故障诊断；
监控显示模块4，用于利用显示单元显示采集的数据以及识别结果以及诊断结果。
系统配置模块5，包括采集设置单元51以及存储设置单元52；用于对数据采集以及存储参数进行设置；同时用于进行参数配置错误查验。
下面结合具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。
实施例1：
所述风力发电机组塔架的安全监测系统包括数据采集模块、数据存储模块、数据分析模块、监控显示模块和系统配置模块。
数据采集模块，主要实现对风力发电机安装的传感器设备的通信控制，并按照已配置的采集参数和数据存储策略对传感器的实时数据进行采集；还包含了数据通讯接口，可以通过无线或有线局域网向数据存储模块发送采集得到的数据。
数据存储模块，从数据采集模块获取监测数据，并存入塔架安全状态监测数据库，同时存储风力发电机基本信息和系统配置信息。对所储存的数据进行管理，同时响应监测软件的数据查询需求。在本发明实施里中，数据存储模块选用的数据库为microsoftsqlserver2012。
数据分析模块，从数据存储模块读取实时监测数据进行分析，主要分析功能包括塔架振动频率、振型、各测点的位移、应力与应变，法兰盘螺栓松紧程度、风力机载荷水平、并结合塔架材料特性给出风力机失稳的应变预警、以及结合风功率预测给出疲劳寿命，并将分析结果传输到显示设备。
监控显示模块，实现与操作人员的交互功能，显示监控画面和处理结果，包括有传感参数显示页面，显示风力机编号、塔架类型、传感器设备编号、是否使用、使用位置以及传感器分组信息；数据分析显示页面，以表格、曲线形式显示塔架结构动力学特性的各个参数数值、分布、载荷水平以及疲劳寿命，并对塔架的失稳进行应变预警的显示。数据查询页面，对监测数据和数据分析结果进行整理，生成列表，方便数据的查询和打印。
系统配置模块具有参数配置功能，包括采集设置、数据存储设置，允许操作人员根据实际应用需求设置参数，包括传感器灵敏度、采样频率、采样长度、采样时间间隔等；还具有效性检查功能，可以帮助操作人员检查参数配置过程中出现的错误，提高参数配置的准确性。
本发明实施例中运用本系统对风力发电机组塔架进行应力应变监测的流程图，主要包括以下步骤：
1、根据风力机塔架的结构类型和预计的载荷分布情况布置传感器设备，对于塔架振动信息来讲，选取哈尔滨精通科技开发有限公司制造的jba系列力平衡加速度传感器，安装在风力发电机组塔架内部平台上。对于应力应变信息的采集，使用电阻应变片，通过电测法把得到的应变数据转化为电压信号进行数据的采集。由于目前大型风力机塔架多为细长薄壳结构，塔架外部受到雨水，尘土，辐射等的影响，所以应将应变片贴在塔架内部。应在塔顶位置、舱门和塔架底端等位移、应力集中位置较为密集地布置电阻应变片。对于螺栓松紧状态的监测，利用压电陶瓷传感元件粘贴在垫片上。使用时，将此特制垫片与螺栓安装在一起，进而实现对螺栓松动监测。
2、对采集方式和数据存储方式进行设置。所述采集方式包括每台风力机采集设备各个测点对应的传感器灵敏度、采样频率、采样长度、采集时间间隔等；数据存储方式包括存储格式、存储位置、存储策略。本专利采用东华测试dh5910坚固型动态数据采集分析系统，采集设备安放在塔底平台上，塔底平台空间足够且有电源，且安装方便。
3、利用数据传输模块将采集到的应变数据，通过无线网实时传送到控制中心的塔架状态监测系统。
4、风力机塔架状态监测系统中的数据存储模块接收传感器发送的数据，对数据按照风机编号、测量编号、测点类型和测量时间进行分类和存储。
5、监测系统通过力学分析算法对塔架进行状态识别和故障诊断。所述状态识别和故障诊断包括利用功率谱方法识别出塔架频率，随后利用随机子空间方法识别塔架的模态参数，剔除虚假模态，得到塔架的频率和振型；塔架最大应力应变点的记录，各截面应变及载荷延塔架高度的变化，风力机载荷水平；根据压电阻抗片的阻抗谱变化得出塔架螺栓松紧状态；结合塔架材料特性给出风力机失稳的应变预警、以及结合风功率预测给出塔架的疲劳寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种风力发电机组塔架的安全监测方法，其特征在于，所述风力发电机组塔架的安全监测方法包括：
对风力机塔架动力学特性数据进行收集与存储；并基于采集数据进行塔架载荷分析以及风力机塔架的承载力的判断；同时对分析结果数据进行列表和曲线的可视化显示与打印。
2.如权利要求1所述风力发电机组塔架的安全监测方法，其特征在于，所述风力发电机组塔架的安全监测方法包括以下步骤：
步骤一，根据风力机塔架的结构类型和材料特点布置相应的传感器设备，并对数据采集方式以及数据存储方式进行设置；
步骤二，基于设置的数据采集方式利用布置的传感器设备对风力机运行过程中塔架的振动、应力应变以及螺栓松动及其他相关动力学特性进行监测以及数据采集；
步骤三，将传感器输出的电信号转化为数字信号；同时基于设置的数据存储方式对采集的数据进行存储；
步骤四，通过力学分析算法对采集的数据进行分析，并对塔架进行状态识别和故障诊断；并利用显示设备进行监测数据以及分析、诊断结果的显示。
3.如权利要求1所述风力发电机组塔架的安全监测方法，其特征在于，步骤一中，所述传感器设备包括有加速度传感器、电阻应变片、以及压电阻抗片以完成对风力机运行过程中塔架的振动、应力应变以及螺栓松动等的动力学特性的监测。
4.如权利要求1所述风力发电机组塔架的安全监测方法，其特征在于，步骤一中，所述对数据采集方式进行设置包括：
通过设置每台风力机所设传感器的数目、采集的时间间隔及其他相关采集参数对数据采集方式进行设置。
5.如权利要求1所述风力发电机组塔架的安全监测方法，其特征在于，步骤一中，所述对数据存储方式进行设置包括：通过设置存储格式、存储位置对数据存储方式进行设置。
6.如权利要求1所述风力发电机组塔架的安全监测方法，其特征在于，
所述步骤四中，通过力学分析算法对采集的数据进行分析包括：
松动的螺栓简化为在受到环境荷载作用的结构上附加一个结构晃动整体荷载作用所产生的整体蕴动，结构运动方程表达为
式中，m、c和k分别为单自由度系统的质量、阻尼和回复力系数；fw(t)为风载励，fs(t)为上部结构晃动过程中上部结构作用于下部结构的晃荡整体荷载；
结构受到外界简谐激励x(t)＝acos(ωt)时，faltinsen等将晃动整体载荷处理为：
其中：
将(3)式带入结构运动方程(1)得：
从变形后的运动方程看出，将晃动整体载荷的影响，附加到结构运动原来的阻尼和恢复力系数上，令：
从(5)式，上部晃荡附加阻尼cs和附加恢复力系数ks的大小由上部晃荡整体荷载幅值fa和相位差
所述对塔架进行状态识别和故障诊断包括：对载荷水平、振动响应、应力应变、螺栓松动、疲劳寿命进行识别，并对螺栓松动、塔架疲劳寿命、失稳应变及其他故障进行诊断预警。
7.一种实施如权利要求1-6所述风力发电机组塔架的安全监测方法的风力发电机组塔架的安全监测系统，其特征在于，所述风力发电机组塔架的安全监测系统包括：
数据采集模块，用于基于设置的采集参数利用振动加速度传感器、电阻应变片和压电阻抗片对振动加速度、应力应变、螺栓松紧状态数据进行采集；并将振动加速度传感器、电阻应变片和压电阻抗片输出信号转化为对应的数字量；
数据存储模块，包括存储单元、接收管理单元以及存储控制单元；用于接收采集的数据，并基于设置的存储参数进行数据存储；
数据分析模块，用于分析采集的载荷水平、振动响应、应力应变、螺栓松动、疲劳寿命及其他数据，并对塔架进行状态识别和故障诊断；
监控显示模块，用于利用显示单元显示采集的数据以及识别结果以及诊断结果。
系统配置模块，包括采集设置单元以及存储设置单元；用于对数据采集以及存储参数进行设置；同时用于进行参数配置错误查验。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
根据风力机塔架的结构类型和材料特点布置相应的传感器设备，并对数据采集方式以及数据存储方式进行设置；
基于设置的数据采集方式利用布置的传感器设备对风力机运行过程中塔架的振动、应力应变以及螺栓松动及其他相关动力学特性进行监测以及数据采集；
将传感器输出的电信号转化为数字信号；同时基于设置的数据存储方式对采集的数据进行存储；
通过力学分析算法对采集的数据进行分析，并对塔架进行状态识别和故障诊断；并利用显示设备进行监测数据以及分析、诊断结果的显示。
9.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-6任意一项所述风力发电机组塔架的安全监测方法。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～6任意一项所述的任意一项所述风力发电机组塔架的安全监测方法。
技术总结