海上风电基础结构自动化监测系统关键技术与应用研究.pdf

2023 年 8 月 25 日第 7 卷 第 16 期现代信息科技Modern Information TechnologyAug.2023 Vol.7 No.161661662023.082023.08收稿日期：2023-02-04海上风电基础结构自动化监测系统关键技术与应用研究王智超1，马静2，洪泽林1，刘伟诚1（1.广东天信电力工程检测有限公司，广东 广州 510611；2.珠江水资源保护科学研究所，广东 广州 510611）摘 要：为及时排除风电设备安全隐患，保障设备运行效率，实现风电设备整体结构安全预警及精准维修，需对风电设备实行合理有效的安全监测。针对海上升压站及重点风电机组结构安全，分析健康监测的必要性及可行性，对结构健康监测原理、传感器选择原则、布设方法进行了阐述。考虑海上环境的复杂性与突变性，海上风电相关结构需要实时监测、及时预警，文章详细介绍了自动化监测系统的框架组成、网络拓扑，并对自动化监测系统的实时监控、数据分析等功能进行了应用展示。关键词：海上风电；升压站；风电机组；结构健康监测中图分类号：TP274；TM614；P752 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）16-0166-06Research on Key Technologies and Applications of Automated Monitoring System for Offshore Wind Power InfrastructureWANG Zhichao1,MA Jing2,HONG Zelin1,LIU Weicheng1(1.Guangdong Tianxin Electric Power Engineering Testing Co.,Ltd.,Guangzhou 510611,China;2.Scientific Institute of Pearl River Water Resources Protection,Guangzhou 510611,China)Abstract:In order to timely eliminate safety hazards of wind power equipment,ensure equipment operation efficiency,achieve overall structural safety early warning and precise maintenance of wind power equipment,it is necessary to implement reasonable and effective safety monitoring of wind power equipment.In view of the structural safety of offshore booster stations and key wind turbines,the necessity and feasibility of health monitoring are analyzed,and the principles of structural health monitoring,sensor selection principles,and deployment methods are described.Considering the complexity and variability of the offshore environment,the structures related to offshore wind power require real-time monitoring and timely warning.This paper provides a detailed introduction to the framework composition and network topology of the automated monitoring system,and demonstrates its functions such as real-time monitoring and data analysis.Keywords:offshore wind power;booster station;wind turbine;structural health monitoring0 引 言在国家“30 60 目标”的大背景下，我国能源使用对外仍存在一定的依存度，同时不可再生资源利用空间降低，能源升级转换是目前国家面临的核心问题，未来新能源占比逐步提高是大势所趋，其中海上风电建设是当前新旧动能转换的重要支撑1。我国海域面积约 300 万平方千米，约 1.8 万千米的大陆海岸线，近海风能资源储量较大，具有海上风电建设的天然优势，海上风能具有较大潜力成为未来沿海城市主要能源之一。考虑我国能源分布呈逆向状态，东部负荷高，西电东送压力大，通过沿东部南部海岸线逐步分区建设风电场，就近入网陆上电网，就地消纳，降低输电距离，提高输电效率，平衡能源分布2。大力发展海上风电在改善能源结DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.16.036构的同时也为国家能源安全提供了强有力的保障。截至 2022 年，数据显示我国海上风电累计装机容量预计达 3 250 万千瓦，持续保持海上风电装机容量全球第一。由此说明，现阶段我国海上风电处于高速发展期，在国家“十四五”规划中，从国家层面到地方省市层面对海上风电发展做出了积极规划，未来海上风电仍是大力推进、全面发展趋势3。随着海上风电安装和生产技术不断推进，海上风电大面积迅速开展，我国风机和升压站数量逐渐增多，由于海域环境复杂多变，海底勘察准确度低、海水腐蚀性较高等原因易造成主机基础、风机塔筒、升压站基础等发生结构变形、腐蚀等健康问题4，严重时会造成风机断裂倒塌等情况，因此需要对海上风电相关设备结构进行实时安全健康监测。目前海上风电监测处于起步阶段，相关行规标准尚未健全，大部分监测方法来源传统建筑行业，但此类方法直接用于离岸监测又存在一系列区别，为解决该问题，现代信息科技8月下16期.indd 166现代信息科技8月下16期.indd 1662023/8/15 17:38:292023/8/15 17:38:291671672023.082023.08第 16 期本文详细阐述了海上风电监测原理、监测方法、设备安装方法，对指导工程实践具有重要的参考意义。1 海上风电结构健康监测1.1 海上风电结构健康监测的必要性由于海上风电场维护较为困难，对于海上风电各组成结构来说，及时发现问题，避免造成连锁反应尤为重要。合理的结构健康监测，能够在损害初期发现结构问题，可通过联合分析，降低复合损害，避免造成严重后果，同时结构健康监测系统可实时进行数据分析反馈，针对性较强，维护指导效果明显，而且节约维护成本5。对于风电场海上升压站基础、风机塔筒以及风机基础进行安全监测工作，确保风机、海上升压站正常发电，出现问题可及时预警，变形监测确保及时发现风力发电设施、设备是否超过设计限值；通过应力应变监测及时掌握在各种工况下，主要受力构件应力应变特性，为可能产生的损伤发现主要原因，为进一步加固设计提供依据；结构振动监测，通过振动监测确定其振型，振幅和频率，以确定其恶劣工况下，对设备的实时影响；通过腐蚀监测，确定相应构件腐蚀程度，为设施维护提供依据。通过实施在线监测，保证数据的及时性、准确性和高效性，为应急抢险和维护提供依据6。1.2 结构健康监测原理结构健康监测主要是将多种传感器布设在风机和升压站各位置，如图 1 所示，实时监测各组成构件的应力应变情况、结构振动情况、整体倾斜与沉降情况、海水腐蚀情况。8 支加速度计4 支静力水准仪8 支倾角仪图 1 升压站示意图振动响应是在风、浪、地震等动态载荷作用下自身结构特效的反映，风机塔筒、风机基础、升压站基础通常需承受多种荷载，在风荷载、控制系统荷载、叶片机舱设备重量等荷载压力下，塔筒和基础会产生振动，振动会引起不同程度的结构附加应力，加之风荷载的不确定性，多重作用影响下，易引起共振，继而影响系统的整体稳定性。通过监测受力结构的振动响应，可分析结构是否存在振动超限，并采取控制措施。同时通过分析不同类型振动频谱，可实现结构安全特性分析，检测结构是否发生损害。一般通过安装在塔筒和基础结构不同位置的加速度传感器，监测受力结构各位置振动情况，并通过多点分析，结合振动频谱，监测是否存在频谱异常，分析固有频率与外界振动频率关系，推断振动原因。应力反映了物体某点受力程度，在某外力的作用下，物体内会产生相应的内力用于抑制外力造成的物体形变，使其恢复原有形状。应力随外力的增加而变大，但任何材料应力都存在一个极限应力，超过其极限应力，材料就会发生损坏。当物体在自然状态下无任何外力干预时，其具有的形状值可视为固定量，当物体在受外力作用下会产生相应的形变，其形变量与物体固有量的比值可表示为伸长率或压缩率，该伸长率或压缩率可表示为应变。根据胡克定律，在一定的比例极限范围内应力与应变成线性比例关系。不同材料的应力应变具有不同的关系，一般可通过实验进行测定。通常以应变计或应变花作为敏感元件，焊接在受力结构表面，进行应力应变监测。一般应力计是基于导体的“电阻-应变效应”实现应力测量，即当受力构件发生应力，引发导体电阻变化，反算出受力构件应力应变情况。2 结构健康监测关键技术2.1 监测原则2.1.1 传感器选型原则传感器的选择应满足相应设计要求；选择原则如下：1）先进性原则，在满足设计要求的前提下，传感器的性能应具备一定的先进程度，技术应具备一定的成熟程度，具备自动化采集功能。2）适用性原则，根据监测类别选择传感器，传感器应能准确反映被监测结构变化情况。3）可靠性、耐久性原则，传感器具备复杂环境耐用性，在海洋环境下能够稳定长期工作，要满足设计要求的使用年限。具备防水、防腐性能。4）可更新、可维护原则，选择具备维护条件的传感器，若存在传感器故障，可进行设备维护或更换。5）精度要求，传感器精度应满足监测精度要求，同时应考虑经济适用性，在不降低精度性能的情况下，节约成本。6）一致性原则，为便于数据集成处理与数据王智超，等：海上风电基础结构自动化监测系统关键技术与应用研究现代信息科技8月下16期.indd 167现代信息科技8月下16期.indd 1672023/8/15 17:38:292023/8/15 17:38:29168168第 16 期现代信息科技2023.082023.08可视化，不同监测项目传感器数据形式应尽量保持一致，或具有相应的转化条件。2.1.2 监测点设置测试原则1）以监测风机基础、塔筒和升压站安全为主，验证设计和科学研究为辅。2）监测项目力求少而精，能较全面反映和预测风机基础、塔筒和升压站的运行状态，特别是关键部位和关键施工阶段的情况，且各观测项目测值能相互验证。3）观测点的布置重点布置在影响风机机组运行的关键部位或结构潜在薄弱部位。4）监测方法以自动监测为主，自动监测与人工监测相结合。5）安全监测自动化系统应满足实时性、可靠性、实用性、先进性和可拓展性等要求。2.2 监测布点2.2.1 基础结构应力应变监测利用钢板应力计、应变计、钢筋计等自动化监测设备，监测升压站基础运行过程中各关键位置应力变化情况。监测点布设位置：单桩基础按照主风向沿环向对称布置，布设在泥面附近、变径段及基础顶法兰下部；导管架基础布设在斜撑杆与主简体及套管连接处、水平撑杆与主简体及套管连接处，钢管桩与桩套通常采用灌浆连接，通常采用单向应变计或五应力计对连接灌浆位置进行实时监测；高桩承台基础的监测内容与单桩基础类似。应变计安装过程时应保证一条对径点的连线为主导风向，另外一条对径点的连线与主导风向垂直。2.2.2 基础结构振动监测考虑各基础结构振动频率应在一定的设计范围内，为了解实时振动频率、振动幅值，及时采取相应措施，避免引起共振隐患，使用振动加速度计、振动位移计对单桩基础顶部与塔筒顶部、升压站底层和顶层的主立柱的振动位移和振动速度进行监测。监测点布设位置：升压站上振动传感器应布设在底层和顶层的主立柱上，风机基础上振动传感器应布设在单桩基础顶部与塔筒顶部，振动位移计的一个水平方向指向主导风方向，另外一个水平方向垂直于主导风向。2.2.3 不均沉降及倾斜监测为监控基础沉降及倾斜变化情况，采用动态倾角仪、静力水准等进行监测，对海上升压站进行单独的不均匀沉降观测，基础施工时，在海上升压站一层平台主立柱上设置 4 个静力水准测点，测量 4根钢管桩相对高度差。同时，在各静力水准点旁布置 1 个几何水准测点，便于监测资料进行相互验证。几何水准测点为焊接不锈钢成品观测头，需在施工期采取保护措施，确保不被破坏。监测点布设位置：在海上升压站底层及顶层的主立柱上各布设 1 套双轴倾角仪，其中一个水平方向为主浪向，进行海上升压站运行期倾斜（水平XY 方向）监测，共计布置 8 套双轴倾角仪。在风机基础上在过渡段顶面、风机塔筒中部和顶部各布置 1 套双向倾角仪，每台基础共 3 套。倾角仪的一个水平方向指向主导风方向，另外一个水平方向垂直于主导风向。2.3 监测仪表的维护保护技术措施2.3.1 监测仪器设备保管仪器设备出场后需进行精度与质量核验，由特定仓储中心存储。对不同材料分区管理，并根据应用存储管理要求，采取防潮、防晒、温度控制等相关措施。2.3.2 监测电缆的连接和保护电缆线应避免接触油类，需保持干燥，以免引起腐蚀破坏。在电缆线安装过程中，应避免过度牵引，减少与焊接工作同时作业时间。部分电缆线需埋设到混凝土中，无法使用外加保护罩，需将电缆线进行挖槽埋。3 结构健康监测系统每个风机和升压站均配置合适类型和数量的数据采集装置，将所有的监测仪器接入其中，实现自动化监测。海上升压站和风机，所采用的倾角仪、振动位移计、动态应变计和加速度计是动态传感器，钢板应力计和静力水准仪为静态传感器，则分别采用相应的动态采集系统和静态采集系统。3.1 动态采集系统动态采集装置的主要功能如下：1）动态采集系统主要是进行强振动（加速度计）信息及动态倾斜信息的采集，记录被监测结构在台风、海浪、地震作用下的强振动响应，及强振动响应下的振动及倾斜数据。2）实时分析、统计和保存被监测结构物的强振动响应烈度、主频率、加速度振幅、烈度报警情况等参数及倾斜度情况。3）可远程访问和操作监测系统；监测结果实时远程传输到总服务器。4）监测到的动态响应原始数据实时保存在数据采集仪的 SD 卡里的同时，通过指定的网口实时现代信息科技8月下16期.indd 168现代信息科技8月下16期.indd 1682023/8/15 17:38:292023/8/15 17:38:291691692023.082023.08第 16 期传输到岸上监控室的服务器内。5）保存在服务器内的原始数据文件可通过远程提取或以 FTP 传输的形式自动传输到总服务器。6）在服务器内可查看到各测点的振动、动态倾斜实时波形和分析结果，定期自动生成监测结果统计报告。3.2 静态采集系统静态采集装置的主要功能如下。1）展示各类传感器位置分布情况与观测断面结构轮廓。显示超预警信息与设备实时状态，绘制各监测类型过程曲线图，编辑各类监控图。2）数据传输与实时监控。3）信息分析管理，具有日常工程安全监控和管理的全部功能。4）设置调整各类监测项目预警值，对于重要监测项目根据设计最大变形及应力设置监控指标，设置预警范围。3.3 海上风电结构健康自动化监测平台海上风电结构健康自动化监测平台，整体思路是通过安装在各类基础上的自动化传感器设备，进行数据实时采集，并通过数据传输系统进行数据传输，在集中控制系统获取到数据后，可对监测数据进行实时处理，分析是否存在超预警情况，并进行数据展示和发布，实现远程自动化监控，监测平台网络拓扑如图 2 所示。如图 3 所示，海上风电基础结构健康自动化监测平台由设备层、接入层、数据层和应用层组成：1）设备层其主要作用是完成对现场监测对象的数据采集以及对状态信息的数据化处理；主要包括各类应力应变传感器、静力传感器、各类钢筋计、加速度计、倾斜传感器。2）接入层主要用于按照统一的接口信息进行协议转换；主要包括各类传输协议、串口服务器、网络交换机、通信光纤等。3）数据层主要用于对信息数据进行接受、存储、分析、控制、管理等数据处理，并提供分发、联动等数据服务。4）应用层主要包括了用于组态设计、节点配置、报警配置、权限配置的设计组件库；用于组态运行、实时报警、事件查询、联动执行的运行组件库；用于报表展示、视频展示、图像展示、曲线展示的客户端以及信息提醒模块等，多种模块实现对现场监控信息的交互。随时随地监控保护系统运行通过无线电方式报警通过光纤方式与中控室进行监控远程辅助处理器（位于其他办公地点）图 2 监测平台网络拓扑3.4 平台应用对升压站和全部组网风电机组的运行状态进行实时动态监测。包括实时数据和状态统计两个部分，如图 4 所示。安全网闸风场环网互联网参比电极/信号变送器二轴倾斜仪加速度计振弦式应变计应力计混凝土应力计钢筋计静力水准仪设备层接入层数据层数据采集模块串口转换器网络交换机集控中心服务器应用层监测数据平台图 3 平台结构对升压站和全部组网风电机组的故障信息进行管理。包括故障告警、故障处理和故障记录三个部分。对升压站和全部组网风电机组的历史运行状态数据进行存储和挖掘分析。包括历史趋势、振动分王智超，等：海上风电基础结构自动化监测系统关键技术与应用研究现代信息科技8月下16期.indd 169现代信息科技8月下16期.indd 1692023/8/15 17:38:292023/8/15 17:38:29170170第 16 期现代信息科技2023.082023.08析、统计分析三个部分，如图 5 所示。对升压站和全部组网风电机组的维保信息进行管理。包括保养提醒、保养处理、保养记录、维修处理和维修记录五个部分。对升压站和全部组网风电机组的质检信息进行管理。包括质检提醒、质检处理和质检记录三个部分。对系统的运行维护进行管理。包括历史数据导出、原始数据管理、采集器管理、系统日志四个部分。对系统的一些基本组成信息进行管理。包括用户管理、角色管理、外协机构、菜单管理、系统公告五个部分。图 4 数据实时展示图 5 数据分析功能4 结 论海上风电安全监测是运营维护、日常检修的关键一环，及时准确的监测数据，可精准反馈结构健康安全情况，是海上风电场长期运行、稳定生产的重要保障，主要内容如下：1）文章论述了海上风电结构健康安全监测的必要性，对监测原理进行了详细阐述，对不同的监测项目进行了分析，针对关键项目振动监测和应力应变监测的产生原因、传感器监测原理进行了阐述和总结。2）在技术应用环节，分析了各监测项目的具体作用，并对传感器安装技术进行了讨论。对海上风电基础结构健康自动化监测平台的框架结构、平台构成以及部分功能进行了详细论述。（下转175页）现代信息科技8月下16期.indd 170现代信息科技8月下16期.indd 1702023/8/15 17:38:302023/8/15 17:38:301751752023.082023.08第 16 期loss=a lossobj+b lossrect+c lossclc （6）其中 a、b、c 分别表示三种损失的权重。本文使用 CIoU loss11来衡量矩形框的损失。DIoU 把两矩形框的重叠面积以及中心点距离用于损失计算，CIoU 在此基础上把两矩形框的宽高比作为影响因素带入计算，公式更加合理：lossCIoU=1-CIoU （7）（8）（9）（10）其中，表示两矩形框中心点之间的距离，c 表示两矩形框的最小外接矩形的对角线长度，v 表示两框宽高比的相似度，表示 v 的权重，IoU 表示两矩形框面积的交并比值。预测矩形框左上角坐标为（xp1，yp1），右下角坐标为（xp2，yp2）；标签矩形框左上角坐标为（xl1，yl1）、xl2，yl2）。实验训练了 200 轮，由表 1 分析可知，实验条件下，工件的计数准确度可达 99.9%，满足企业的生产检测需求。5 结 论本文针对工业中批量工件识别计数的实际需求，设计开发出一套工件识别计数系统。通过光源与机械结构的搭配构造出灯箱光源的成像效果，形成具备通用稳定的视觉成像环境，满足多类别工件的成像采集需求；在 Winform 软件框架下设计出一套简单易观察的操作软件，满足实时检测和统计的生产需求。算法中选用了 YOLOv5s 目标检测模型，检测速度快的同时，在少量数据用于训练的情况下即可达到极高的检测精度；同时还使用算法模拟实现了光电传感器的功能，效果稳定，减少了系统可能受到的干扰。参考文献：1 田冉，陈梅香，董大明，等.红外传感器与机器视觉融合的果树害虫识别及计数方法 J.农业工程学报，2016，32（20）：195-201.2 古亭.基于机器视觉的蚕茧计数与识别研究 D.杭州：中国计量大学，2020.3 鞠文辉.基于深度学习的视觉计数方法研究 D.济南：山东师范大学，2021.4 李雪冬.基于计算机视觉的羊群计数算法研究与实现 D.包头：内蒙古科技大学，2021.5 颜晓河，董玲娇，苏绍兴.光电传感器的发展及其应用 J.电子工业专用设备，2006（1）：59-62.6 REDMON J，FARHADI A.YOLOv3：An Incremental Improvement J/OL.arXiv:1804.02767 cs.CV.（2018-04-08）.https:/arxiv.org/abs/1804.02767.7 HE K，ZHANG X，REN S，et al.Deep residual learning for image recognition C/Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition.Las Vegas：IEEE，2016：770-778.8 LIN T Y，DOLLR P，GIRSHICK R，et al.Feature pyramid networks for object detection C/Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition.Honolulu：IEEE，2017：2117-2125.9 LI H，XIONG P，AN J，et al.Pyramid Attention Network for Semantic Segmentation J/OL.arXiv:1805.10180 cs.CV.（2018-05-25）.https:/arxiv.org/abs/1805.10180v1.10 任秋霖，任德均，李鑫，等.基于卷积自编码器的医用玻璃瓶口缺陷检测方法 J.计算机与现代化，2022，324（8）：114-120.11 ZHENG Z，WANG P，REN D，et al.Enhancing geometric factors in model learning and inference for object detection and instance segmentation J.IEEE Transactions on Cybernetics，2021，52（8）：8574-8586.作者简介：黄德成（1997），男，汉族，四川成都人，硕士研究生，研究方向：机器视觉、深度学习；通讯作者：任德均（1971），男，汉族，四川成都人，副教授，硕士生导师，博士，研究方向：机器视觉、机器人、嵌入式系统、机电一体化。3）由于海上升压站平台与风机机组立于海面上，其结构的振动响应、应力应变、倾斜及不均匀沉降等监测数据的趋势变化与海洋的洋流、波浪载荷、风载荷、风向等外界环境载荷密切相关，后期考虑结合环境监测数据进一步做关联分析。参考文献：1 陈韬，杨三元.海上风电基础健康监测技术 J.船舶工程，2022，44（S1）：47-50+100.2 刘强，刘明，占晓明，等.海上风电工程结构安全监测关键技术及应用 J.安装，2022（S1）：25-26.3 崔伟强，刘裴，张卫诚.海上风力发电机组自动化安全监测设备安装施工要点 J.西北水电，2022（3）：117-122.4 彭潜，张晗，徐兵.海上风电高桩承台风机基础安全监测技术 J.水电与新能源，2022，36（5）：65-71.5 张凤阳.海上风电安全监测技术及评估方法研究 J.水电站机电技术，2021，44（11）：32-37+65+109.6 彭潜.海上风电结构健康监测工程实践与分析 J.船舶工程，2021，43（S1）：81-86.作者简介：王智超（1994），男，汉族，山东枣庄人，助理工程师，硕士研究生，研究方向：电力工程监测。（上接170页）黄德成，等：基于机器视觉的工件计数系统设计现代信息科技8月下16期.indd 175现代信息科技8月下16期.indd 1752023/8/15 17:38:312023/8/15 17:38:31